Détecteur de rayonnement portable : 10 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Il s'agit d'un tutoriel pour concevoir, construire et tester votre propre détecteur de rayonnement à photodiode au silicium portable adapté à la plage de détection 5keV-10MeV afin de quantifier avec précision les rayons gamma de faible énergie provenant de sources radioactives ! Faites attention si vous ne voulez pas devenir un zombie radioactif: il n'est pas prudent de se trouver à proximité de sources de rayonnement élevé, et cet appareil ne doit PAS être utilisé comme un moyen fiable de détecter des rayonnements potentiellement nocifs.

Commençons par un peu de science de base sur le détecteur avant de passer à sa construction. Ci-dessus, une merveilleuse vidéo de Veritasium expliquant ce qu'est le rayonnement et d'où il vient.

Étape 1: Tout d'abord, beaucoup de physique

(Légende de la figure: le rayonnement ionisant forme des paires électron-trou dans la région intrinsèque, ce qui entraîne une impulsion de charge.)

Chambres à étincelles, détecteurs Geiger, tubes photomultiplicateurs… tous ces types de détecteurs sont soit encombrants, coûteux ou utilisent des hautes tensions pour fonctionner. Il existe quelques types de tubes Geiger adaptés aux fabricants, tels que https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product /483. D'autres méthodes de détection des rayonnements sont les détecteurs à semi-conducteurs (par exemple les détecteurs au germanium). Cependant, ceux-ci sont coûteux à produire et nécessitent un équipement spécialisé (pensez au refroidissement à l'azote liquide !). Au contraire, les détecteurs à semi-conducteurs sont très rentables. Ils sont largement utilisés et jouent un rôle essentiel en physique des particules de haute énergie, en physique médicale et en astrophysique.

Ici, nous construisons un détecteur de rayonnement à l'état solide portable capable de quantifier et de détecter avec précision les rayons gamma de faible énergie provenant de sources radioactives. Le dispositif se compose d'un réseau de diodes PiN en silicium de grande surface polarisées en inverse, qui émettent vers un préamplificateur de charge, un amplificateur différenciateur, un discriminateur et un comparateur. La sortie de tous les étages successifs est convertie en signaux numériques pour analyse. Nous commencerons par décrire les principes des détecteurs de particules au silicium, des diodes PiN, de la polarisation inverse et d'autres paramètres associés. Nous vous expliquerons ensuite les différentes enquêtes qui ont été menées et les choix opérés. À la fin, nous présenterons le prototype final et les tests.

Détecteurs SolidState

Dans de nombreuses applications de détection de rayonnement, l'utilisation d'un support de détection solide est un avantage significatif (appelé alternativement détecteurs à diodes semi-conductrices ou détecteurs à semi-conducteurs). Les diodes au silicium sont les détecteurs de choix pour un grand nombre d'applications, en particulier lorsqu'il s'agit de particules lourdes chargées. Si la mesure de l'énergie n'est pas requise, les excellentes caractéristiques de synchronisation des détecteurs à diode au silicium permettent un comptage et un suivi précis des particules chargées.

Pour la mesure des électrons de haute énergie ou des rayons gamma, les dimensions du détecteur peuvent être maintenues beaucoup plus petites que les alternatives. L'utilisation de matériaux semi-conducteurs comme détecteurs de rayonnement entraîne également un plus grand nombre de porteurs pour un événement de rayonnement incident donné, et donc une limite statistique de résolution énergétique inférieure à ce qui est possible avec d'autres types de détecteurs. Par conséquent, la meilleure résolution énergétique possible aujourd'hui est obtenue grâce à l'utilisation de tels détecteurs.

Les supports d'information fondamentaux sont des paires électron-trou créées le long du chemin emprunté par la particule chargée à travers le détecteur (voir figure ci-dessus). En collectant ces paires électron-trou, mesurées en charges aux électrodes du capteur, le signal de détection est formé, et il passe aux étapes d'amplification et de discrimination. Les caractéristiques supplémentaires souhaitables des détecteurs à semi-conducteurs sont une taille compacte, des caractéristiques de synchronisation relativement rapides et une épaisseur effective (*). Comme pour tout détecteur, il existe des inconvénients, notamment la limitation à de petites tailles et la possibilité relative de ces dispositifs de subir une dégradation de leurs performances en raison de dommages induits par les rayonnements.

(*: les capteurs minces minimisent les diffusions multiples, tandis que les capteurs plus épais génèrent plus de charges lorsqu'une particule traverse le substrat.)

Diodes P−i−N:

Chaque type de détecteur de rayonnement produit une sortie caractéristique après interaction avec le rayonnement. Les interactions des particules avec la matière se distinguent par trois effets:

1. l'effet photoélectrique
2. Diffusion Compton
3. Paire-production.

Le principe de base d'un détecteur planaire au silicium est l'utilisation d'une jonction PN dans laquelle les particules interagissent via ces trois phénomènes. Le capteur de silicium plan le plus simple se compose d'un substrat dopé P et d'un implant N d'un côté. Des paires électron-trou sont créées le long d'une trajectoire de particules. Dans la zone de la jonction PN, il existe une région sans porteurs de charge, appelée zone de déplétion. Les paires électron-trou créées dans cette région sont séparées par un champ électrique environnant. Par conséquent, les porteurs de charge peuvent être mesurés du côté N ou P du matériau de silicium. En appliquant une tension de polarisation inverse à la diode à jonction PN, la zone appauvrie s'agrandit et peut couvrir tout le substrat du capteur. Vous pouvez en savoir plus à ce sujet ici: Article Wikipédia de Pin Junction.

Une diode PiN a une région i intrinsèque, entre les jonctions P et N, inondée de porteurs de charge des régions P et N. Cette large région intrinsèque signifie également que la diode a une faible capacité lorsqu'elle est polarisée en inverse. Dans une diode PiN, la région d'appauvrissement existe presque entièrement dans la région intrinsèque. Cette région d'appauvrissement est beaucoup plus grande qu'avec une diode PN ordinaire. Cela augmente le volume où des paires électron-trou peuvent être générées par un photon incident. Si un champ électrique est appliqué au matériau semi-conducteur, les électrons et les trous subissent une migration. La diode PiN est polarisée en inverse de sorte que toute la couche i est appauvrie en porteurs libres. Cette polarisation inverse crée un champ électrique à travers la couche i de sorte que les électrons sont balayés vers la couche P et les trous, vers la couche N (*4).

Le flux de porteurs en réponse à une impulsion de rayonnement constitue l'impulsion de courant mesurée. Pour maximiser ce courant, la région i doit être aussi grande que possible. Les propriétés de la jonction sont telles qu'elle conduit très peu de courant lorsqu'elle est polarisée dans le sens inverse. Le côté P de la jonction devient négatif par rapport au côté N, et la différence de potentiel naturelle d'un côté de la jonction à l'autre est renforcée. Dans ces conditions, ce sont les porteurs minoritaires qui sont attirés aux bornes de la jonction et, du fait de leur concentration relativement faible, le courant inverse aux bornes de la diode est assez faible. Lorsqu'une polarisation inverse est appliquée à la jonction, pratiquement toute la tension appliquée apparaît dans la région d'appauvrissement, car sa résistivité est beaucoup plus élevée que celle du matériau de type N ou P normal. En effet, la polarisation inverse accentue la différence de potentiel aux bornes de la jonction. L'épaisseur de la région d'appauvrissement est également augmentée, étendant le volume sur lequel les porteurs de charge produits par le rayonnement sont collectés. Une fois que le champ électrique est suffisamment élevé, la collecte de charge devient complète et la hauteur d'impulsion ne change plus avec les augmentations supplémentaires de la tension de polarisation du détecteur.

(*1: Les électrons à l'état lié d'un atome sont détruits par les photons lorsque l'énergie des particules incidentes est supérieure à l'énergie de liaison.; *2: Interaction impliquant la diffusion d'une particule sur un électron libre ou faiblement lié, et le transfert d'une partie de l'énergie à l'électron.; *3: Production d'une particule élémentaire et de son antiparticule.; *4: Les électrons sont attirés dans la direction opposée au vecteur champ électrique, alors que les trous se déplacent dans le même sens. direction que le champ électrique.)

Étape 2: Exploration

Il s'agit de la version prototype du "détecteur" que nous avons construit, débogué et testé. C'est une matrice composée de plusieurs capteurs pour avoir un capteur de rayonnement de style "CCD". Comme mentionné précédemment, tous les semi-conducteurs en silicium sont sensibles au rayonnement. En fonction de sa précision et des capteurs utilisés, on peut également se faire une idée approximative du niveau d'énergie de la particule qui a causé le choc.

Nous avons utilisé des diodes non blindées déjà destinées à la détection, qui, lorsqu'elles sont polarisées en inverse (et protégées de la lumière visible), peuvent enregistrer les impacts des rayonnements bêta et gamma en amplifiant les minuscules signaux et en lisant les données de sortie avec un microcontrôleur. Le rayonnement alpha, cependant, peut rarement être détecté car il ne peut pas pénétrer même un tissu mince ou un blindage en polymère. Ci-joint une magnifique vidéo de Veritasium, qui explique les différents types de rayonnement (Alpha, Beta et Gamma).

Les itérations de conception initiales utilisaient un capteur différent (une photodiode BPW-34; un capteur célèbre si vous cherchez sur Google). Il existe même quelques Instructables connexes qui l'utilisent dans le seul but de détecter des rayonnements tels que cet excellent: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. Cependant, parce qu'il avait quelques bugs et ne fonctionnait pas de manière optimale, nous avons décidé d'omettre les détails de ce prototype de ce Instructables pour éviter que les fabricants construisent un détecteur plein de défauts. Nous avons cependant joint les fichiers de conception et le schéma au cas où quelqu'un serait intéressé.

Étape 3: La conception

(Légendes des images: (1) Schéma fonctionnel du détecteur: de la création du signal à l'acquisition des données., (2) Spécifications de la photodiode X100-7: 100 mm^2 zone active, zone appauvrie de 0,9 mm, revêtement bloquant la lumière, faible courant d'obscurité… Comme le montre le graphique de probabilité d'absorption, les diodes PiN absorbent facilement l'énergie des rayons gamma, (3) Note d'application du fabricant qui a confirmé le concept de conception et a aidé à choisir les valeurs initiales des composants.

Nous avons opté pour un capteur de plus grande surface, à savoir le X100-7 de First Sensor. À des fins de test et de modularité, nous avons conçu trois parties différentes, empilées les unes sur les autres: capteurs et amplification (amplificateur de charge à faible bruit + amplificateur de mise en forme d'impulsion), discriminateurs et comparateur, régulation DC/DC et le DAQ (Arduino pour l'acquisition de données). Chaque étape a été assemblée, validée et testée séparément comme vous le verrez à l'étape suivante.

L'un des principaux avantages des détecteurs à semi-conducteurs est la faible énergie d'ionisation (E), indépendante à la fois de l'énergie et du type de rayonnement incident. Cette simplification permet de tenir compte d'un certain nombre de paires électron-trou en termes d'énergie de rayonnement incident, à condition que la particule soit complètement arrêtée dans le volume actif du détecteur. Pour le silicium à 23C (*) nous avons E~3,6eV. En supposant que toute l'énergie est déposée et en utilisant l'énergie d'ionisation, nous pouvons calculer le nombre d'électrons produits par une source donnée. Par exemple, un rayon gamma de 60 keV provenant d'une source d'américium-241 entraînerait une charge déposée de 0,045 fC/keV. Comme indiqué dans les spécifications des spécifications de la diode, au-dessus d'une tension de polarisation d'environ ~ 15 V, la région d'épuisement peut être considérée comme constante. Cela définit la plage cible pour notre tension de polarisation à 12-15V. (*: E augmente avec la diminution de la température.)

La fonctionnalité des différents modules du détecteur, leurs constituants, et les calculs associés. Lors de l'évaluation du détecteur, la sensibilité (*1) était cruciale. Un préamplificateur de charge extrêmement sensible est nécessaire car un rayon gamma incident ne peut générer que quelques milliers d'électrons dans la région d'appauvrissement des semi-conducteurs. Parce que nous amplifions une petite impulsion de courant, une attention particulière doit être accordée à la sélection des composants, à un blindage soigneux et à la disposition des circuits imprimés.

(*1: Énergie minimale à déposer dans le détecteur pour produire un signal distinct et rapport signal sur bruit.)

Pour bien choisir les valeurs des composants, je résume d'abord les exigences, les spécifications souhaitées et les contraintes:

Capteurs:

• Large plage de détection possible, 1keV-1MeV
• Faible capacité pour minimiser le bruit, 20pF-50pF
• Courant de fuite négligeable sous polarisation inverse.

Amplification et discrimination:

• Préamplificateurs sensibles à la charge
• Différenciateur pour la mise en forme d'impulsions
• Comparateur d'impulsion de signal au-dessus du seuil défini
• Comparateur pour la sortie de bruit dans l'intervalle de seuil
• Comparateur de coïncidences de canaux
• Seuil général pour le filtrage des événements.

Numérique et micro-contrôleur:

• Convertisseurs analogique-numérique rapides
• Données de sortie pour le traitement et l'interface utilisateur.

Puissance et filtrage:

• Régulateurs de tension pour tous les étages
• Alimentation haute tension pour générer la puissance de polarisation
• Filtrage approprié de toute la distribution d'énergie.

J'ai choisi les composants suivants:

• Convertisseur de suralimentation CC: LM 2733
• Amplificateurs de charge: AD743
• Autres amplificateurs opérationnels: LM393 et LM741
• DAQ/Lecture: Arduino Nano.

Les spécifications supplémentaires imposées incluent:

• Taux de fonctionnement: > 250 kHz (84 canaux), 50 kHz (coïncidence)
• Résolution: ADC 10 bits
• Taux d'échantillonnage: 5 kHz (8 canaux)
• Tensions: Arduino 5 V, amplificateurs opérationnels 9 V, polarisation ~12 V.

La disposition globale et l'ordre des composants ci-dessus sont représentés dans la figure du schéma fonctionnel. Nous avons effectué les calculs avec les valeurs des composants utilisées lors de la phase de test (voir la troisième image). (*: certaines valeurs de composants ne sont pas les mêmes que celles initialement prévues ni les mêmes que celles actuellement en place; néanmoins ces calculs fournissent un cadre de référence.)

Étape 4: Les circuits

(Légendes des figures: (1) Schéma d'ensemble des étages 1 à 3 d'un seul canal, y compris la base des diodes et les diviseurs de tension qui fournissent des références à chaque étage, sous-sections du circuit.)

Expliquons maintenant le « flux » du signal de détection d'une des quatre voies depuis sa création jusqu'à l'acquisition numérique.

Étape 1

Le seul signal d'intérêt provient des photodiodes. Ces capteurs sont polarisés en inverse. L'alimentation de polarisation est un 12V stable qui passe à travers un filtre passe-bas pour éliminer tout bruit indésirable supérieur à 1Hz. Lors de l'ionisation de la région d'appauvrissement, une impulsion de charge est créée au niveau des broches de la diode. Ce signal est capté par notre premier étage d'amplification: l'amplificateur de charge. Un amplificateur de charge peut être fabriqué avec n'importe quel amplificateur opérationnel, mais la spécification de faible bruit est très importante.

Étape 2

L'objectif de cette étape est de convertir l'impulsion de charge détectée à l'entrée inverseuse en une tension continue à la sortie de l'amplificateur opérationnel. L'entrée non inverseuse est filtrée et réglée sur un diviseur de tension à un niveau connu et choisi. Ce premier étage est difficile à régler, mais après de nombreux tests nous avons opté pour un condensateur de retour de 2[pF], et une résistance de retour de 44[MOhm], résultant en une impulsion de 2[pF] × 44[MOhm] = 88[μs]. Un amplificateur de filtre passe-bande actif inverseur, qui agit comme un différentiateur, suit l'amplificateur de charge. Cet étage filtre et convertit le niveau DC converti, émanant de l'étage précédent en une impulsion avec un gain de 100. Le signal brut du détecteur est sondé à la sortie de cet étage.

Étape 3

Viennent ensuite les canaux de signal et de bruit. Ces deux sorties vont directement au DAQ ainsi qu'au deuxième PCB analogique. Les deux fonctionnent comme des comparateurs d'amplificateurs opérationnels. La seule différence entre les deux est que le canal de bruit a une tension inférieure à son entrée non inverseuse que le canal de signal, et le canal de signal est également filtré pour supprimer les fréquences au-dessus de l'impulsion de sortie attendue du deuxième étage d'amplification. Un amplificateur opérationnel LM741 agit comme un comparateur par rapport à un seuil variable pour discriminer le canal de signal, permettant au détecteur de n'envoyer que des événements sélectionnés à l'ADC/MCU. Une résistance variable sur l'entrée non inverseuse définit le niveau de déclenchement. Dans cette étape (compteur de coïncidence), les signaux de chaque canal sont transmis à un amplificateur opérationnel agissant comme un circuit de sommation. Un seuil fixe est défini coïncidant avec deux canaux actifs. L'ampli-op sort haut si deux photodiodes ou plus enregistrent un coup simultanément.

Remarque: Nous avons commis une erreur cruciale en plaçant le convertisseur élévateur DC/DC de la puissance de polarisation à proximité des amplificateurs opérationnels sensibles à la charge sur le circuit imprimé d'amplification. Peut-être que nous corrigerons cela dans une version ultérieure.

Étape 5: L'Assemblée

De la soudure, beaucoup de soudure… Parce que le capteur sélectionné pour le détecteur final n'existe qu'en tant que composant à empreinte CMS, nous avons dû concevoir des PCB (2 couches). Par conséquent, tous les circuits associés ont également été migrés sur des cartes PCB plutôt que sur la maquette. Tous les composants analogiques ont été placés sur deux PCB séparés, et les composants numériques sur un autre pour éviter les interférences sonores. C'étaient les premiers PCB que nous ayons jamais fabriqués, nous avons donc dû obtenir de l'aide pour la mise en page dans Eagle. Le PCB le plus important est celui des capteurs et de l'amplification. Avec un oscilloscope contrôlant les sorties aux points de test, le détecteur peut fonctionner uniquement avec cette carte (bypass DAQ). J'ai trouvé et corrigé mes erreurs; ceux-ci comprenaient de mauvaises empreintes de composants, ce qui a entraîné la mise sur écoute de nos amplificateurs opérationnels à faible bruit et des composants en fin de vie qui ont été échangés contre des alternatives. De plus, deux filtres ont été ajoutés à la conception pour supprimer les oscillations de sonnerie.

Étape 6: L'enceinte

L'objectif du boîtier imprimé en 3D, de la feuille de plomb et de la mousse est: à des fins de montage, d'isolation thermique, de protection contre le bruit et de blocage de la lumière ambiante, et évidemment de protection de l'électronique. Les fichiers STL d'impression 3D sont joints.

Étape 7: lecture Arduino

La partie lecture (ADC/DAQ) du détecteur se compose d'un Arduino Mini (code joint). Ce microcontrôleur surveille les sorties des quatre détecteurs et l'alimentation du dernier (suivi de la qualité de l'alimentation), puis sort toutes les données sur la sortie série (USB) pour une analyse ou un enregistrement plus poussé.

Une application de bureau de traitement a été développée (ci-jointe) pour tracer toutes les données entrantes.

Étape 8: Tester

(Légendes des figures: (1) Impulsion résultante d'une source de 60Co (t ~ 760 ms) rapport signal/bruit ~3:1., (2) Injection équivalente à la charge déposée par une source d'énergie ~2 MeV., (3) Injection équivalente à la charge déposée par une source de 60Co (~ 1,2 MeV)).

L'injection de charge a été effectuée avec un générateur d'impulsions couplé à un condensateur (1pF) au niveau du coussinet du capteur et terminé à la terre via une résistance de 50 ohms. Ces procédures m'ont permis de tester mes circuits, d'affiner les valeurs des composants et de simuler les réponses des photodiodes lorsqu'elles sont exposées à une source active. Nous avons placé à la fois une source Americium-241 (60 KeV) et une source Iron-55 (5,9 KeV) devant les deux photodiodes actives, et aucun des canaux n'a vu de signal distinctif. Nous avons vérifié via des injections d'impulsions et avons conclu que les impulsions provenant de ces sources étaient inférieures au seuil observable en raison des niveaux de bruit. Cependant, nous avons quand même pu voir des hits d'une source de 60Co (1,33 MeV). Le principal facteur limitant lors des essais était le bruit important. Il y avait de nombreuses sources de bruit et peu d'explications sur ce qui les générait. Nous avons constaté que l'une des sources les plus importantes et les plus nuisibles était la présence de bruit avant la première étape d'amplification. En raison de l'énorme gain, ce bruit a été amplifié presque au centuple ! Peut-être qu'un filtrage de puissance inapproprié et le bruit de Johnson réinjecté dans les boucles de rétroaction des étages d'amplification ont également contribué (cela expliquerait le faible rapport signal sur bruit). Nous n'avons pas étudié la dépendance du bruit avec la polarisation, mais nous pourrions l'approfondir à l'avenir.

Étape 9: la vue d'ensemble

Regardez la vidéo de Veritasium sur les endroits les plus radioactifs de la planète !

Si vous êtes arrivé jusqu'ici et avez suivi les étapes, alors félicitations ! Vous avez construit un appareil pour des applications réelles comme le LHC ! Vous devriez peut-être envisager un changement de carrière et vous lancer dans le domaine de la physique nucléaire:) En termes plus techniques, vous avez construit un détecteur de rayonnement à l'état solide composé d'une matrice de photodiodes et de circuits associés pour localiser et discriminer les événements. Le détecteur se compose de plusieurs étages d'amplification qui convertissent de petites impulsions de charge en tensions observables, puis les discriminent et les comparent. Un comparateur, entre canaux, fournit également des informations concernant la distribution spatiale des événements détectés. Vous avez également intégré l'utilisation d'un microcontrôleur Arduino et d'un logiciel essentiel pour la collecte et l'analyse des données.

Étape 10: Références

En plus des magnifiques fichiers PDF joints, voici quelques ressources informatives connexes:

- F. A. Smith, A Primer in Applied Radiation Physics, World Scientific, River Edge, NJ, 2000.

- First Sensor, First Sensor PIN Fiche technique PD Partie Description X100-7 SMD, Web. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- Horowitz, Paul et Hill, Winfield, L'art de l'électronique. Cambridge University Press, 1989.

- C. Thiel, Introduction aux détecteurs de rayonnement à semi-conducteurs, Web. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- Lyndon Evans, Le grand collisionneur de hadrons: une merveille de technologie, éd. Presses EPFL, 2009.