პორტატული გამოსხივების დეტექტორი: 10 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:20

ეს არის სახელმძღვანელო თქვენი პორტატული სილიკონის ფოტოდიოდური გამოსხივების დეტექტორის შემუშავების, კონსტრუქციისა და გამოცდისთვის, რომელიც განკუთვნილია 5 კევ -10 მევ გამოვლენის დიაპაზონისთვის, რათა ზუსტად განსაზღვროს რადიოაქტიური წყაროებიდან მომდინარე დაბალი ენერგიის გამა სხივები! მიაქციეთ ყურადღება, თუ არ გსურთ გახდეთ რადიოაქტიური ზომბი: არ არის უსაფრთხო იყოს მაღალი გამოსხივების წყაროები და ეს მოწყობილობა არ უნდა იქნას გამოყენებული, როგორც პოტენციურად მავნე გამოსხივების საიმედო საშუალება.

დავიწყოთ დეტალური დეტექტორი დეტექტორზე, სანამ მის კონსტრუქციაზე გადავალთ. ზემოთ არის შესანიშნავი ვიდეო Veritasium– დან, რომელიც განმარტავს რა არის რადიაცია და საიდან მოდის იგი.

ნაბიჯი 1: პირველი, ბევრი ფიზიკა

(ფიგურა ლეგენდა: მაიონებელი გამოსხივება წარმოქმნის ელექტრონულ-ხვრელ წყვილებს შიდა მიდამოში, რის შედეგადაც ხდება მუხტის პულსი.)

ნაპერწკალი კამერები, გეიგერი და ფოტო გამრავლება მილების დეტექტორები … ყველა ამ ტიპის დეტექტორი ან დამძიმებულია, ძვირია ან იყენებს მაღალი ძაბვის მუშაობას. არსებობს გეიგერის მილების რამდენიმე მწარმოებელი, როგორიცაა https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product/483. რადიაციის გამოვლენის სხვა მეთოდებია მყარი მდგომარეობის დეტექტორები (მაგ. გერმანიუმის დეტექტორები). თუმცა, ეს ძვირია წარმოებისთვის და მოითხოვს სპეციალიზებულ აღჭურვილობას (იფიქრეთ თხევადი აზოტის გაგრილებაზე!). პირიქით, მყარი მდგომარეობის დეტექტორები ძალიან ეფექტურია. ისინი ფართოდ გამოიყენება და მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ მაღალი ენერგიის ნაწილაკების ფიზიკაში, სამედიცინო ფიზიკაში და ასტროფიზიკაში.

აქ ჩვენ ვაშენებთ პორტატული მყარი მდგომარეობის გამოსხივების დეტექტორს, რომელსაც შეუძლია ზუსტად განსაზღვროს და გამოავლინოს დაბალი ენერგიის გამა-სხივები, რომლებიც მოდის რადიოაქტიური წყაროებიდან. მოწყობილობა შედგება საპირისპირო მიკერძოებული დიდი ზედაპირის სილიციუმის PiN დიოდების მასივისგან, რომელიც გამოდის მუხტის წინასწარი გამაძლიერებელი, დიფერენციატორის გამაძლიერებელი, დისკრიმინატორი და შედარება. ყველა თანმიმდევრული ეტაპის გამომუშავება ციფრულ სიგნალებად გარდაიქმნება ანალიზისთვის. ჩვენ დავიწყებთ სილიციუმის ნაწილაკების დეტექტორების, PiN დიოდების, საპირისპირო მიკერძოების და სხვა დაკავშირებული პარამეტრების აღწერით. შემდეგ ჩვენ ავუხსნით სხვადასხვა გამოძიებას, რომელიც ჩატარდა და არჩევანი. დასასრულს, ჩვენ წარმოგიდგენთ საბოლოო პროტოტიპს და ტესტირებას.

SolidState დეტექტორები

რადიაციის გამოვლენის ბევრ პროგრამაში მყარი გამოვლენის საშუალების გამოყენებას მნიშვნელოვანი უპირატესობა აქვს (ალტერნატიულად უწოდებენ ნახევარგამტარული დიოდური დეტექტორები ან მყარი მდგომარეობის დეტექტორები). სილიციუმის დიოდები არჩევითი დეტექტორები არიან დიდი რაოდენობით აპლიკაციებისთვის, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც საქმე ეხება მძიმე დამუხტულ ნაწილაკებს. თუ ენერგიის გაზომვა არ არის საჭირო, სილიციუმის დიოდური დეტექტორების დროის კარგი მახასიათებლები იძლევა დამუხტული ნაწილაკების ზუსტ დათვლას და თვალყურის დევნებას.

მაღალი ენერგიის ელექტრონების ან გამა-სხივების გასაზომად, დეტექტორის ზომები შეიძლება გაცილებით მცირე იყოს, ვიდრე ალტერნატივები. ნახევარგამტარული მასალების რადიაციული დეტექტორების გამოყენება ასევე იწვევს უფრო დიდი რაოდენობის მატარებლებს რადიაციული მოვლენისათვის და, შესაბამისად, ენერგიის გარჩევადობის უფრო დაბალი სტატისტიკური ზღვარი, ვიდრე შესაძლებელია სხვა ტიპის დეტექტორებთან. შესაბამისად, დღესდღეობით მიღწეული ენერგიის საუკეთესო გარჩევა ასეთი დეტექტორების გამოყენებით ხდება.

ფუნდამენტური ინფორმაციის მატარებლები არიან ელექტრონულ-ხვრელი წყვილები, რომლებიც შექმნილია დამუხტული ნაწილაკის მიერ დეტექტორის მეშვეობით გავლილი გზის გასწვრივ (იხ. სურათი ზემოთ). ამ ელექტრონულ-ხვრელი წყვილების შეგროვებით, რომლებიც იზომება როგორც მუხტი სენსორის ელექტროდებზე, იქმნება გამოვლენის სიგნალი და ის მიდის ამპლიფიკაციისა და დისკრიმინაციის ეტაპებზე. მყარი მდგომარეობის დეტექტორების დამატებითი სასურველი მახასიათებლებია კომპაქტური ზომა, შედარებით სწრაფი დროის მახასიათებლები და ეფექტური სისქე (*). ნებისმიერი დეტექტორის მსგავსად, არსებობს ნაკლოვანებები, მათ შორის მცირე ზომების შეზღუდვა და შედარებით შესაძლებლობა, რომ ამ მოწყობილობებმა განიცადონ შესრულების დეგრადაცია რადიაციით გამოწვეული დაზიანებისგან.

(*: თხელი სენსორები ამცირებენ მრავალჯერადი გაფანტვას, ხოლო სქელი სენსორები წარმოქმნიან მეტ მუხტს, როდესაც ნაწილაკი გადაკვეთს სუბსტრატს.)

P − i − N დიოდები:

რადიაციის დეტექტორის თითოეული ტიპი გამოსხივებასთან ურთიერთქმედების შემდეგ აწარმოებს დამახასიათებელ გამოსავალს. ნაწილაკების ურთიერთქმედება მატერიასთან გამოირჩევა სამი ეფექტით:

1. ფოტოელექტრული ეფექტი
2. კომპტონის გაფანტვა
3. წყვილ-წარმოება.

სილიციუმის დონის დეტექტორის ძირითადი პრინციპია PN შეერთების გამოყენება, რომელშიც ნაწილაკები ურთიერთქმედებენ ამ სამი ფენომენის საშუალებით. უმარტივესი სიბრტყის სილიკონის სენსორი შედგება P დოზირებული სუბსტრატისა და N- იმპლანტისგან ერთ მხარეს. ელექტრონულ-ხვრელი წყვილი იქმნება ნაწილაკების ტრაექტორიის გასწვრივ. PN შეერთების არეალში არის რეგიონი უფასოდ მატარებლებისა, რომელსაც ეწოდება ამოწურვის ზონა. ამ რეგიონში შექმნილი ელექტრონულ-ხვრელი წყვილი გამოყოფილია მიმდებარე ელექტრული ველით. ამრიგად, მუხტის მატარებლების გაზომვა შესაძლებელია სილიკონის მასალის N ან P- მხარეს. PN შეერთების დიოდზე საპირისპირო მიკერძოებული ძაბვის გამოყენებით, ამოწურული ზონა იზრდება და შეუძლია დაფაროს სენსორის სრული სუბსტრატი. ამის შესახებ მეტი შეგიძლიათ წაიკითხოთ აქ: Pin Junction Wikipedia article.

PiN დიოდს აქვს შიდა i რეგიონი, P და N შეერთებებს შორის, დატბორილია P და N- რეგიონებიდან დამუხტული მატარებლებით. ეს ფართო შიდა რეგიონი ასევე ნიშნავს, რომ დიოდს აქვს დაბალი ტევადობა საპირისპირო მიკერძოებულობისას. PiN დიოდში, ამოწურვის რეგიონი თითქმის მთლიანად არსებობს შიდა რეგიონში. ეს ამოწურვის რეგიონი გაცილებით დიდია ვიდრე ჩვეულებრივი PN დიოდებით. ეს ზრდის მოცულობას, სადაც ელექტრონულ-ხვრელი წყვილი შეიძლება წარმოიქმნას ინციდენტის ფოტონის მიერ. თუ ნახევარგამტარული მასალის მიმართ გამოიყენება ელექტრული ველი, ორივე ელექტრონი და ხვრელები განიცდიან მიგრაციას. PiN დიოდი საპირისპირო მიკერძოებულია ისე, რომ მთელი i- ფენა ამოწურულია თავისუფალი მატარებლებისგან. ეს საპირისპირო მიკერძოება ქმნის ელექტრულ ველს i- ფენის გასწვრივ ისე, რომ ელექტრონები მიედინება P ფენაზე და ხვრელებზე, N ფენაზე (*4).

მატარებლების ნაკადი რადიაციული პულსის საპასუხოდ წარმოადგენს გაზომილ მიმდინარე პულსს. ამ დინების მაქსიმალურად გაზრდისთვის, i-region უნდა იყოს რაც შეიძლება დიდი. შეერთების თვისებები ისეთია, რომ ის ძალიან მცირე დენს ატარებს, როდესაც მიკერძოებულია საპირისპირო მიმართულებით. შეერთების P- გვერდი უარყოფითი ხდება N- მხარის მიმართ, ხოლო ბუნებრივი პოტენციური სხვაობა შეერთების ერთი მხრიდან მეორე მხარეს იზრდება. ამ გარემოებებში, ეს არის უმცირესობის მატარებლები, რომლებიც იზიდავენ კვანძს და, რადგან მათი კონცენტრაცია შედარებით დაბალია, დიოდის საპირისპირო დენი საკმაოდ მცირეა. როდესაც საპირისპირო მიკერძოება გამოიყენება შეერთებაზე, პრაქტიკულად მთელი გამოყენებული ძაბვა ჩნდება ამომწურავი რეგიონის გასწვრივ, რადგან მისი წინააღმდეგობა გაცილებით მაღალია ვიდრე ნორმალური N ან P ტიპის მასალის. მართლაც, საპირისპირო მიკერძოება ხაზს უსვამს პოტენციურ განსხვავებას გადასასვლელში. ასევე მცირდება გაფუჭების რეგიონის სისქე, რაც ვრცელდება იმ მოცულობაზე, რომელზედაც გროვდება რადიაციული წარმოების მუხტის მატარებლები. მას შემდეგ, რაც ელექტრული ველი საკმარისად მაღალია, მუხტის შეგროვება ხდება სრული და პულსის სიმაღლე აღარ იცვლება დეტექტორის მიკერძოებული ძაბვის შემდგომი ზრდით.

(*1: ელექტრონები ატომის შეკრული მდგომარეობაში იშლება ფოტონებით, როდესაც ინციდენტის ნაწილაკების ენერგია აღემატება სავალდებულო ენერგიას; *2: ურთიერთქმედება, რომელიც მოიცავს ნაწილაკების გაფანტვას თავისუფალი ან სუსტად შეკრული ელექტრონიდან, და ენერგიის ნაწილის გადაცემა ელექტრონზე. *3: ელემენტარული ნაწილაკისა და მისი საწინააღმდეგო ნაწილაკის წარმოება. მიმართულება, როგორც ელექტრული ველი.)

ნაბიჯი 2: გამოკვლევა

ეს არის "დეტექტორის" პროტოტიპი ვერსია, რომელიც ჩვენ შევქმენით, გამოვასწორეთ და გამოვცადეთ. ეს არის მატრიცა, რომელიც შედგება მრავალი სენსორისგან, რომელსაც აქვს "CCD" სტილის რადიაციული სენსორი. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ყველა სილიციუმის ნახევარგამტარი მგრძნობიარეა რადიაციის მიმართ. იმისდა მიხედვით, თუ რამდენად ზუსტია ის და გამოყენებული სენსორები, ასევე შეგიძლიათ მიიღოთ უხეში წარმოდგენა ნაწილაკების ენერგიის დონეზე, რამაც გამოიწვია დარტყმა.

ჩვენ გამოვიყენეთ დაუცველი დიოდები, რომლებიც უკვე გამიზნულია განსახილველად, რომლებსაც უკუმეცნიერებული მიკერძოების დროს (და დაცული ხილული სინათლისგან), შეუძლიათ დაარეგისტრირონ ბეტა და გამა გამოსხივების დარტყმები მცირე სიგნალების გაძლიერებით და მიკროკონტროლით გამომავალი მონაცემების წაკითხვით. ალფა გამოსხივება იშვიათად შეიძლება გამოვლინდეს, რადგანაც მას არ შეუძლია შეაღწიოს თუნდაც თხელი ქსოვილი ან პოლიმერული საფარი. მიმაგრებულია მშვენიერი ვიდეო Veritasium– დან, რომელიც განმარტავს რადიაციის სხვადასხვა ტიპს (ალფა, ბეტა და გამა).

თავდაპირველი დიზაინის გამეორებებში გამოიყენებოდა განსხვავებული სენსორი (BPW-34 ფოტოდიოდი; ცნობილი სენსორი, თუ გუგლით ირგვლივ). არსებობს კიდევ რამდენიმე დაკავშირებული ინსტრუქცია, რომლებიც მას იყენებენ რადიაციის გამოვლენის მიზნით, როგორიცაა ეს შესანიშნავი: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/. თუმცა, რადგან მას ჰქონდა გარკვეული შეცდომები და არ ფუნქციონირებდა ოპტიმალურად, ჩვენ გადავწყვიტეთ გამოვტოვოთ ამ პროტოტიპის დეტალები ამ ინსტრუქციიდან, რათა შემქმნელებმა თავიდან აიცილონ ხარვეზებით სავსე დეტექტორი. ჩვენ დავამატეთ დიზაინის ფაილები და სქემა, თუ ვინმე დაინტერესდება.

ნაბიჯი 3: დიზაინი

(სურათის ლეგენდები: (1) დეტექტორის ბლოკ-დიაგრამა: სიგნალის შექმნიდან მონაცემების მოპოვებამდე. როგორც ნაჩვენებია შთანთქმის ალბათობის ნაკვეთი, PiN დიოდები ადვილად შთანთქავს გამა-სხივების ენერგიას, (3) მწარმოებლის განაცხადის შენიშვნა, რომელმაც დაადასტურა დიზაინის კონცეფცია და დაეხმარა კომპონენტის საწყისი მნიშვნელობების არჩევაში.

ჩვენ გადავწყვიტეთ უფრო დიდი ფართობის სენსორი, კერძოდ, პირველი სენსორის X100−7. ტესტირების მიზნებისა და მოდულარობისთვის, ჩვენ შევიმუშავეთ სამი განსხვავებული ნაწილი, ერთმანეთზე გადაბმული: სენსორები და გამაძლიერებელი (დაბალი ხმაურის გამაძლიერებელი + პულსის ფორმირების გამაძლიერებელი), დისკრიმინატორები და შედარებითი, DC/DC რეგულირება და DAQ (Arduino მონაცემთა მოპოვებისთვის). თითოეული ეტაპი იყო აწყობილი, დამოწმებული და ტესტირებული ცალკე, როგორც თქვენ იხილავთ შემდეგ ეტაპზე.

ნახევარგამტარული დეტექტორების მთავარი უპირატესობა არის მცირე იონიზაციის ენერგია (E), დამოუკიდებელი როგორც ენერგიის, ასევე ინციდენტის რადიაციის ტიპისაგან. ეს გამარტივება საშუალებას იძლევა აღრიცხოს ელექტრონულ-ხვრელების წყვილი ინციდენტის გამოსხივების ენერგიის თვალსაზრისით, იმ პირობით, რომ ნაწილაკი სრულად გაჩერდება დეტექტორის აქტიური მოცულობის ფარგლებში. სილიციუმისთვის 23C (*) გვაქვს E ~ 3.6eV. დავუშვათ, რომ მთელი ენერგია დეპონირდება და იონიზაციის ენერგიის გამოყენებით შეგვიძლია გამოვთვალოთ მოცემული წყაროს მიერ წარმოებული ელექტრონების რაოდენობა. მაგალითად, ამერიკიუმის − 241 წყაროს 60 კე ვგამის სხივი გამოიწვევს დეპონირებულ მუხტს 0.045 fC/keV. როგორც ნაჩვენებია დიოდის სპეციფიკაციების სპეციფიკაციებში, დაახლოებით 15V bi მიკერძოებული ძაბვის ზემოთ გამოფიტვის რეგიონი შეიძლება მიახლოებული იყოს როგორც მუდმივი. ეს ადგენს ჩვენი მიკერძოებული ძაბვის სამიზნე დიაპაზონს 12-15V- მდე. (*: E იზრდება ტემპერატურის შემცირებით.)

დეტექტორის სხვადასხვა მოდულის ფუნქციონირება, მათი შემადგენელი ნაწილი და დაკავშირებული გამოთვლები. დეტექტორის შეფასებისას, მგრძნობელობა (*1) გადამწყვეტი იყო. საჭიროა უაღრესად მგრძნობიარე მუხტის წინასწარი გამაძლიერებელი, რადგან შემთხვევითმა გამა-სხივმა შეიძლება წარმოქმნას მხოლოდ რამდენიმე ათასი ელექტრონი ნახევარგამტარების ამოწურვის რეგიონში. ვინაიდან ჩვენ ვაძლიერებთ პაწაწინა დენის პულსს, განსაკუთრებული ყურადღება უნდა მიექცეს კომპონენტების შერჩევას, ფრთხილად საფარველს და მიკროსქემის განლაგებას.

(*1: მინიმალური ენერგია დეპონირება დეტექტორში მკაფიო სიგნალის შესაქმნელად და სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობა.)

კომპონენტის ღირებულებების სწორად არჩევისთვის, მე პირველ რიგში ვაჯამებ მოთხოვნებს, სასურველ სპეციფიკაციებს და შეზღუდვებს:

სენსორები:

• გამოვლენის დიდი შესაძლო დიაპაზონი, 1 კევ –1 მევ
• დაბალი ტევადობა ხმაურის შესამცირებლად, 20pF-50pF
• უმნიშვნელო გაჟონვის დენი საპირისპირო მიკერძოებით.

გაძლიერება და დისკრიმინაცია:

• დატენეთ მგრძნობიარე წინასწარი გამაძლიერებლები
• პულსის ფორმირების დიფერენციატორი
• სიგნალის პულსის შედარება მითითებული ბარიერის ზემოთ
• ბარიერის ინტერვალის ფარგლებში ხმაურის გამომუშავების შედარება
• არხის დამთხვევების შედარება
• მოვლენების გაფილტვრის ზოგადი ბარიერი.

ციფრული და მიკროკონტროლი:

• სწრაფი ანალოგური ციფრული გადამყვანები
• გამომავალი მონაცემები დამუშავებისა და მომხმარებლის ინტერფეისისთვის.

სიმძლავრე და ფილტრაცია:

• ძაბვის რეგულატორები ყველა ეტაპზე
• მაღალი ძაბვის მიწოდება მიკერძოებული ენერგიის შესაქმნელად
• ენერგიის ყველა განაწილების სწორი გაფილტვრა.

მე ავირჩიე შემდეგი კომპონენტები:

• DC გამაძლიერებელი კონვერტორი: LM 2733
• დატენვის გამაძლიერებლები: AD743
• სხვა Op-Amps: LM393 & LM741
• DAQ/წაკითხვა: არდუინო ნანო.

დამატებითი დაწესებული სპეციფიკაციები მოიცავს:

• ოპერაციული სიხშირე:> 250 kHz (84 არხი), 50 kHz (დამთხვევა)
• გარჩევადობა: 10 ბიტიანი ADC
• ნიმუშის სიხშირე: 5kHz (8 არხი)
• ძაბვები: 5V Arduino, 9V op-amps, ~ 12V Biasing.

ზემოთ მოყვანილი კომპონენტების საერთო მოწყობა და რიგი წარმოდგენილია ბლოკ დიაგრამის ფიგურაში. ჩვენ გამოვთვალეთ ტესტირების ფაზაში გამოყენებული კომპონენტის მნიშვნელობები (იხ. მესამე სურათი). (*: ზოგიერთი კომპონენტის მნიშვნელობა არ არის იგივე, რაც თავდაპირველად იყო დაგეგმილი და არც იგივე, რაც ამჟამად არსებობს; მიუხედავად ამისა, ეს გათვლები იძლევა სახელმძღვანელოს ჩარჩოს.)

ნაბიჯი 4: სქემები

(ფიგურების ლეგენდები: (1) ერთი არხის 1-3 საფეხურების საერთო სქემა, მათ შორის დიოდური დასაყრდენი და ძაბვის გამყოფი, რომელიც იძლევა მითითებებს თითოეულ საფეხურზე, სქემის ქვეგანყოფილებებზე.)

მოდი ახლა ავუხსნათ ოთხი არხიდან ერთ -ერთი არხის გამოვლენის სიგნალის „ნაკადი“მისი შექმნიდან ციფრულ შეძენამდე.

ეტაპი 1

ინტერესის ერთადერთი სიგნალი წარმოიქმნება ფოტოდიოდებიდან. ეს სენსორები საპირისპირო მიკერძოებულია. მიკერძოებული მიწოდება არის სტაბილური 12 ვ, რომელიც გადის დაბალი გავლის ფილტრში, რათა აღმოფხვრას არასასურველი ხმაური 1 ჰც -ზე მეტი. ამოწურვის რეგიონის იონიზაციისას, დიოდის ქინძისთავებში იქმნება მუხტის პულსი. ეს სიგნალი მიიღება ჩვენი პირველი გამაძლიერებელი ეტაპის მიერ: მუხტის გამაძლიერებელი. დამუხტვის გამაძლიერებელი შეიძლება გაკეთდეს ნებისმიერი საოპერაციო გამაძლიერებლით, მაგრამ დაბალი ხმაურის დაზუსტება ძალიან მნიშვნელოვანია.

ეტაპი 2

ამ ეტაპის მიზანია გარდამტეხი შეყვანისას გამოვლენილი მუხტის პულსის გარდაქმნა DC ძაბვად op-amp- ის გამოსასვლელში. არაინვერტირებადი შეყვანა გაფილტრულია და დადგენილია ძაბვის გამყოფი ცნობილ და არჩეულ დონეზე. ეს პირველი ეტაპი რთულია მორგება, მაგრამ მრავალი ტესტის შემდეგ ჩვენ დავამყარეთ უკუკავშირის კონდენსატორი 2 [pF] და უკანა უკანა რეზისტორი 44 [MOhm], რის შედეგადაც მივიღეთ პულსი 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs] ინვერსიული აქტიური bandpass ფილტრის გამაძლიერებელი, რომელიც მოქმედებს როგორც დიფერენციატორი, მიჰყვება მუხტის გამაძლიერებელს. ეს ეტაპი ფილტრავს და გარდაქმნის გარდაქმნის DC დონეს, რომელიც წარმოიქმნება წინა ეტაპიდან იმპულსში 100 – ის მომატებით.

ეტაპი 3

შემდეგი რიგში არის სიგნალისა და ხმაურის არხები. ეს ორი გამოსავალი მიდის პირდაპირ DAQ– ზე, ისევე როგორც მეორე ანალოგურ PCB– ზე. ორივე ფუნქციონირებს როგორც op-amps შედარები. ამ ორს შორის ერთადერთი განსხვავება ისაა, რომ ხმაურის არხს უფრო დაბალი ძაბვა აქვს არაინვერტირებად შეყვანისას, ვიდრე სიგნალის არხს, ხოლო სიგნალის არხი ასევე გაფილტრულია მეორე გამაძლიერებელი ეტაპიდან მოსალოდნელი გამომავალი პულსის სიხშირეების მოსაშორებლად. LM741 op-amp მოქმედებს როგორც შედარება ცვლადი ბარიერის მიმართ სიგნალის არხის დისკრიმინაციისთვის, რაც დეტექტორს საშუალებას აძლევს მხოლოდ არჩეული მოვლენები გააგზავნოს ADC/MCU– ში. არაინვერსიული შეყვანის ცვლადი რეზისტორი განსაზღვრავს ტრიგერის დონეს. ამ ეტაპზე (დამთხვევის მრიცხველი), თითოეული არხიდან სიგნალები მიეწოდება op-amp- ს, რომელიც მოქმედებს როგორც შემაჯამებელი წრე. დადგენილია ბარიერი, რომელიც ემთხვევა ორ აქტიურ არხს. Op-amp- ის გამოსავალი მაღალია, თუ ორი, ან მეტი ფოტოდიოდი დაარეგისტრირებს დარტყმას ერთდროულად.

შენიშვნა: ჩვენ დავუშვით გადამწყვეტი შეცდომა, როდესაც დავამყარეთ კომპენსაციის სიმძლავრის DC/DC შემდგომი გადამყვანი დამუხტვის მგრძნობიარე ოპ-ამპერებთან ახლოს გამაძლიერებელ PCB- ზე. ალბათ ამას მოგვიანებით ვერსიაში გამოვასწორებთ.

ნაბიჯი 5: ასამბლეა

შედუღება, ბევრი შედუღება … რადგან საბოლოო დეტექტორისთვის შერჩეული სენსორი მხოლოდ SMT ნაკადის კომპონენტის სახით არსებობს, ჩვენ გვქონდა PCB- ების (2 ფენა) დიზაინი. ამრიგად, ყველა დაკავშირებული სქემა ასევე გადავიდა PCB დაფებზე და არა პურის დაფაზე. ყველა ანალოგური კომპონენტი მოთავსებულია ორ ცალკეულ PCB- ზე, ხოლო ციფრული კომპონენტი მეორეზე, ხმაურის ჩარევის თავიდან ასაცილებლად. ეს იყო პირველი PCB, რომელიც ჩვენ ოდესმე გავაკეთეთ, ასე რომ, ჩვენ უნდა მოგვეპოვებინა დახმარება არწივის განლაგებაში. ყველაზე მნიშვნელოვანი PCB არის სენსორები და გამაძლიერებელი. სატესტო წერტილებზე გამოსვლის მონიტორინგის ოსცილოსკოპით დეტექტორს შეუძლია იმუშაოს მხოლოდ ამ დაფაზე (DAQ შემოვლითი გზა). ვიპოვე და გამოვასწორე ჩემი შეცდომები; ეს მოიცავდა არასწორი კომპონენტის ნაკვალევს, რამაც გამოიწვია ჩვენი დაბალი ხმაურის გამაძლიერებლები მავთულხლართებით და სიცოცხლის ბოლომდე არსებული კომპონენტები, რომლებიც შეიცვალა ალტერნატივით. გარდა ამისა, დიზაინს დაემატა ორი ფილტრი, რათა დაეხშო ზარის რხევები.

ნაბიჯი 6: დანართი

3D ნაბეჭდი გარსაცმის, ტყვიის ფურცლისა და ქაფის მიზანია: სამონტაჟო მიზნებისათვის, თერმული იზოლაცია, ხმაურის ფარის უზრუნველყოფა, გარემოს შუქის დაბლოკვა და აშკარად ელექტრონიკის დაცვა. თან ერთვის STL ფაილების 3D ბეჭდვა.

ნაბიჯი 7: არდუინოს წაკითხვა

დეტექტორის წაკითხული (ADC/DAQ) ნაწილი შედგება Arduino Mini- სგან (თანდართული კოდი). ეს მიკროკონტროლერი მონიტორინგს უწევს ოთხი დეტექტორის გამოსვლას და შემდგომში ენერგიის მიწოდებას (ძალაუფლების სიმღერა), შემდეგ გამოაქვს ყველა მონაცემი სერიულ გამომუშავებაზე (USB) შემდგომი ანალიზისა და ჩაწერისთვის.

დამუშავდა დესკტოპის პროგრამა (მიმაგრებულია) ყველა შემომავალი მონაცემების გამოსახატავად.

ნაბიჯი 8: ტესტირება

(ლეგენდები: (1) 60Co წყაროს (t ~ 760ms) სიგნალი-ხმაურის თანაფარდობა ~ 3: 1. 3) ინექცია ექვივალენტი 60Co წყაროს მიერ შეტანილი მუხტის (~ 1.2 MeV)).

დამუხტვის ინექცია გაკეთდა პულსის გენერატორთან, რომელიც დაკავშირებულია კონდენსატორთან (1pF) სენსორის ბალიშზე და დამთავრდა მიწაზე 50Ohm რეზისტორის საშუალებით. ამ პროცედურებმა მომცა საშუალება შემემოწმებინა ჩემი სქემები, დამემყარებინა კომპონენტის ღირებულებები და გამომეძახა ფოტოდიოდების რეაქციები აქტიური წყაროს ზემოქმედებისას. ჩვენ დავაყენეთ ორივე Americium − 241 (60 KeV) და Iron − 55 (5.9 KeV) წყარო ორი აქტიური ფოტოდიოდის წინ და არცერთ არხს არ უნახავს გამორჩეული სიგნალი. ჩვენ გადამოწმდა პულსის ინექციების საშუალებით და დავასკვნათ, რომ ამ წყაროებიდან პულსი ხმაურის დონის გამო იყო დაკვირვებადი ბარიერის ქვემოთ. თუმცა, ჩვენ მაინც შევძელით ჰიტების ნახვა 60Co (1.33 MeV) წყაროდან. ტესტების დროს მთავარი შემზღუდველი ფაქტორი იყო მნიშვნელოვანი ხმაური.იყო ხმაურის მრავალი წყარო და მცირე ახსნა, თუ რა წარმოშობდა ამას. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ ერთ -ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი და საზიანო წყარო იყო ხმაურის არსებობა პირველი გამაძლიერებელი სტადიის წინ. უზარმაზარი მოგების გამო ეს ხმაური თითქმის ასჯერ გაძლიერდა! შესაძლოა, შეუწყნარებელმა ენერგიის გაფილტვრა და ჯონსონის ხმაური ხელახლა შეიყვანეს გამაძლიერებლის სტადიის უკუკავშირის მარყუჟებში (ეს აიხსნება სიგნალისა და ხმაურის დაბალი თანაფარდობით). ჩვენ არ გამოვიკვლიეთ ხმაურის დამოკიდებულება მიკერძოებულობით, მაგრამ მომავალში ამას შეიძლება განვიხილოთ.

ნაბიჯი 9: უფრო დიდი სურათი

ნახეთ ვიდეო Veritasium– დან დედამიწაზე ყველაზე რადიოაქტიური ადგილების შესახებ!

თუ თქვენ მიაღწიეთ აქამდე და მიყევით ნაბიჯებს, მაშინ გილოცავთ! თქვენ ააშენეთ აპარატი რეალურ სამყაროში გამოყენებისთვის, როგორიცაა LHC! ალბათ თქვენ უნდა გაითვალისწინოთ კარიერის შეცვლა და შეხვიდეთ ბირთვული ფიზიკის სფეროში:) უფრო ტექნიკური თვალსაზრისით თქვენ შექმენით მყარი მდგომარეობის რადიაციის დეტექტორი, რომელიც შედგება ფოტოდიოდების მატრიცისა და მასთან დაკავშირებული სქემისგან, რათა მოხდეს მოვლენების ლოკალიზაცია და დისკრიმინაცია. დეტექტორი შედგება მრავალჯერადი გამაძლიერებელი საფეხურისგან, რომლებიც მცირე მუხტის იმპულსებს გადააქცევს დაკვირვებად ძაბვად, შემდეგ განასხვავებენ და ადარებენ მათ. შედარება, არხებს შორის, ასევე იძლევა ინფორმაციას გამოვლენილი მოვლენების სივრცითი განაწილების შესახებ. თქვენ ასევე ჩართეთ Arduino მიკროკონტროლის გამოყენება და მონაცემთა შეგროვებისა და ანალიზისთვის აუცილებელი პროგრამული უზრუნველყოფა.

ნაბიჯი 10: მითითებები

თანდართული მშვენიერი PDF– ების გარდა, აქ არის რამოდენიმე დაკავშირებული საინფორმაციო რესურსი:

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

- პირველი სენსორი, პირველი სენსორი PIN PD მონაცემთა ფურცელი ნაწილის აღწერა X100-7 SMD, ვებ. mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- ჰოროვიცი, პოლ და ჰილი, უინფილდი, ელექტრონიკის ხელოვნება. კემბრიჯის უნივერსიტეტის გამომცემლობა, 1989 წ.

- C. Thiel, Introduction to Semiconductor Radiation Detectors, ვებ. physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- ლინდონ ევანსი, დიდი ადრონული კოლაიდერი: ტექნოლოგიის საოცრება, ედ. EPFL Press, 2009 წ.