Spektrometr Promieniowania Gamma

Członkowie Koła Naukowego Onyks realizują wiele ciekawych projektów. Przedstawiamy jeden z nich, zrealizowany przez Dariusza.

Spektrometr Promieniowania Gamma

Autor: Dariusz Szarejko

Streszczenie:

Celem projektu jest stworzenie spektrometru promieniowania gamma, którego konstrukcja będzie oparta na szeroko dostępnych elementach elektronicznych. W pierwszej fazie została uruchomiona najważniejsza część, którą stanowi elektronika ”front-end”. Została ona opisana w niniejszym artykule.

1. Detekcja fotonów gamma za pomocą fotodiody typu PIN

Elementem, który umożliwia wykrywanie promieniowania jest fotodioda PIN. Fotodiody te charakteryzują się dużym rozsunięciem warstw n oraz p co przekłada się na małą pojemność złącza(duży sygnał wyjściowy) oraz duży obszar absorpcji promieniowania(obszar I - intristic). Więcej na temat fotodiod PIN znajdziesz w: [1], [3].

Przejście fotonu przez obszar I fotodiody powoduje uwolnienie do pasma przewodnictwa elektronów znajdujących się w paśmie walencyjnym. Ilość uwolnionych elektronów jest proporcjonalna do energii fotonu pochłoniętego przez strukturę fotodiody. Zakładając stuprocentową skuteczność pochłaniania, liczba uwolnionych elektronów wyraża się w przybliżeniu następującym wzorem: N = Epad/∆E, gdzie:

Epad- energia padającego promieniowania,

∆E - przerwa energetyczna(dla krzemu ∆E = 1.8 eV ).

Rozpatrując widmo Ameryku 241 dla którego Epad ≈ 60 keV , N będzie wynosiło 33.3 · 10^3 elektronów. Przyjmując pojemność wewnętrzną fotodiody na poziomie 10 pF uzyskany ładunek spowoduje powstanie na niej napięcia około 0.5 µV .

Fotodiodę można interpretować jako kondensator, na którego okładkach gromadzi się ładunek proporcjonalny do energii pochłoniętego fotonu. Aby otrzymać sygnał rosnący liniowo z ładunkiem należy wykorzystać precyzyjny wzmacniacz operacyjny, w układzie wzmacniacza ładunkowego. Następnym krokiem jest zwiększenie poziomu sygnału i jego filtracja. Amplituda impulsu na wyjściu powinna być proporcjonalna do energii fotonu. Więcej na temat działania detektorów półprzewodnikowych można dowiedzieć się z: [4], [3], [2].

2. Budowa układu

W początkowej fazie projektu sprawdzono, czy wykonanie układu w oparciu o szeroko dostępne elementy jest możliwe. Najbardziej kluczowym i kłopotliwym elementem układu jest przedwzmacniacz ładunkowy. Został on wykonany jako pierwszy.

Ze względu na wysoko-impedancyjne wyjście czujnika, zastosowany wzmacniacz operacyjny musi charakteryzować się bardzo małym prądem polaryzacji I 1 pA oraz małymi szumami( 5 nV/√Hz). Dodatkowo pasmo przenoszenia powinno wynosić co najmniej 10 MHz. Wszystkie wymienione wymagania spełnia kład LTC6241HS, który jest dedykowany do zastosowania we wzmacniaczach fotodiody oraz wzmacniaczach ładunkowych.

Użycie fotodiody BPW34 jako czujnika, było podyktowane jej dużą powierzchnią aktywną. Ponieważ pojemność złącza rośnie proporcjonalnie do jego powierzchni, do fotodiody doprowadzone jest dodatkowe wsteczne napięcie polaryzujące(9 V ). Powoduje ono zmniejszenie warstwy zaporowej złącza oraz jego pojemności.

Rysunek 1: Schemat układu

Rysunek 2: Zależność C(UR ) z noty katalogowej BPW34

3. Uruchomienie układu

Pojemności wejściowe(fotodiody, wejściowa wzmacniacza), wzmacniacz operacyjny oraz pętla sprzężenia zwrotnego stanowią układ oscylatora. Konsekwencją tego okazał się brak stabilności układu(wzbudzenie się wzmacniacza). Problem ten rozwiązano przez bardziej staranne zaprojektowanie PCB oraz dodanie kondensatora C34(rys 1) ograniczającego pasmo przenoszenia. Kondensator najlepiej jest dobrać eksperymentalnie. Należy uważać, aby układ się nie wzbudzał, ale również sygnał nie był zbyt mocno stłumiony. Wartość kondensatora można wyliczyć przy użyciu następującej formuły:

Układ, z powodu ogromnego wzmocnienia jest bardzo czuły na zakłócenia elektromagnetyczne, również światło widzialne. Konieczne więc jest osłonięcie go metalową obudową, która jest podłączona do masy układu.

4. Osiągnięta funkcjonalność

Rysunek 3: Oscylogram impulsu wyjściowego

Tak zaprojektowana elektronika, oscyloskop lub komparator jest w stanie wykryć przelatujący przez fotodiodę foton promieniowania gamma. Należy dodać, że mimo plastikowej obudowy fotodiody, układ również jest czuły na promieniowanie alfa. Brak modułu filtrującego uniemożliwia zastosowanie urządzenia jako spektrometru. Potwierdza to spektogram szkła uranowego, na którym pokazano histogram amplitud impulsów.

Rysunek 4: Szkło uranowe - spektogram - około 200 pomiarów

5. Dalsze prace

Autor planuje rozbudowę projektu poprzez dodanie precyzyjnie zaprojektowanej płytki elektronicznej, dodaniu filtrów i części z mikrokontrolerem.

Literatura

[1] Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/PIN_diode, 2014. [Online; dostęp 14.08.2014].

[2] Kazimierz Korbel. Profilaktyka i terapia antyszumowa układów elektroniki ”front-end”. Skrypty Uczelniane AGH, Nr. 1523, Wydawnictwo AGH, Kraków(1997).

[3] Kazimierz Korbel. Układy elektroniki ”front-end”. AGH, Uczelniane Wydawnictwo NaukowoDydaktyczne, Kraków(2000).

[4] W.Hill P.Horwitz. Sztuka Elektroniki, chapter 15.07. Detektory cząstek. 2003.