Детектор рентгеновского излучения своими руками

9zip.ru Радиотехника, электроника и схемы своими руками Детектор радиации на pin-фотодиодах

Всё началось с того, что автор, заядлый ардуинщик, захотел построить регистратор для отслеживания радиационного фона. Поводом к этому было проживание в Лас-Вегасе, недалеко от которого проводились ядерные испытания.

После экспериментов с несколькими схемами он остановился на одной, которая была опубликована в июньском номере журнала Elekotr за 2011 год.

Схема очень простая. Предусилитель импульсов на двух транзисторах соединён с компаратором, имеющим смещение, чтобы пропускать только высокоэнергетические импульсы, вызванные гамма-лучами.

Всё волшебство заключается в экранированной матрице pin-диодов BPW34, включенных в режиме обратного смещения, которые являются довольно чувствительным детектором радиации, что нам, собственно, и нужно.

Автор подключил всё это отдельным этажом к ардуине.

Квадрат контактных площадок вокруг матрицы фотодиодов позволяет плотно закрыть её медной фольгой, чтобы экранировать от электрических помех и защитить от света. Аналогичный экран требуется и с нижней стороны печатной платы.

Но, несмотря на экранирование, схема оказалась по-прежнему очень чувствительной к электрическим помехам — от платы ардуино снизу. В качестве решения автор постарался программно уменьшить электромагнитные помехи от ардуины путём особой структуры программы. Нам это не очень интересно.

Экспериментируя с собранным детектором, автор заметил, что фотодиоды, являющиеся датчиками радиации, настолько чувствительны к любому рассеянному свету, что даже свет, проникающий с торцов печатной платы, может повлиять на чувствительность схемы. Поэтому очень важно защитить всё устройство от света, для чего автор поместил его в чёрный пластмассовый корпус.

Авторское описание (на английском):

Посмотрим, что же писали в журнале Elektor, публикацией из которого и вдохновился автор.

Первое, что приходит на ум для регистрации радиоактивности — это счётчик Гейгера. Но эти трубки стали труднодоступными и дорогими. Даже если удастся найти такой, то нужно будет найти способ получить высокое рабочее напряжение в несколько сотен вольт. Не все знают, что для обнаружения рентгеновского и гамма-излучения можно использовать скромный фотодиод BPW34.

Преимуществом использования фотодиода являются его небольшие размеры. Фон космического излучения очень мал, поэтому сигналы от небольших образцов будет легче обнаружить такой малой чувствительной областью.

Поведение pin-фотодиода BPW34 аналогично обычной трубке счётчика Гейгера. Альфа-частицы будут остановлены материалом корпуса, гамма-лучи пройдут через который без проблем и создадут много электронно-дырочных пар в слое истощения диода. Если диод имеет обратное включение, почти все носители заряда будут отведены, что соответствует малым импульсам тока, которые можно усилить и обработать. Бета-частицы также могут генерировать такой сигнал, если они достаточно энергетичны для того, чтобы достигнуть слоя истощения.

Амплитуда сигнала, создаваемого фотодиодом, значительно меньше, чем от обычного счётчика Гейгера, поэтому требуется очень малошумящая схема усилителя. Другим требованием к конструкции при использовании pin-фотодиода в качестве датчика бета- и гамма-излучениями является полное исключение света, в противном случае фототок подавит нужный нам сигнал. Можно использовать обычную пищевую алюминиевую фольгу.

Разница между pin-диодом и pn-диодом заключается в том, что первые содержат дополнительную очень лёгкую n-область с высоким сопротивлением, которая находится между областями n и p. Результатом является более широкий слой истощения и, как следствие, — больший объём полупроводника, который может взаимодействовать с фотонами. Такая структура нужна, чтобы получить как можно больше носителей заряда на фотон, увеличивая чувствительность устройства.

Другим способом повышения чувствительность является увеличение чувствительной области фотодиода. Однако, следствием этого является увеличение его ёмкости, что уменьшает амплитуду выходного сигнала. Хорошие полупроводниковые детекторы радиации имеют большую площадь, простые pin-диоды наподобие BPW34 менее чувствительны, но зато значительно более доступны.

Фотодиоды BPW34 и BPX61 практически идентичны, только один выполняется в пластиковом корпусе, а другой — в металлическом со стеклянным окном, которое можно аккуратно удалить, что позволит обнаруживать альфа-частицы.

Радиационное излучение пройдёт через лист алюминиевой фольги толщиной 15 мкм, которая не является препятствием для гамма- и бета-частиц. Альфа-частицы с энергией 4 МэВ или более также пройдут.

В принципе, любой полупроводник чувствителен к ионизирующему излучению, поэтому неудивительно, что и фотодиод чувствителен к нему. Этот эффект хорошо известен в динамических ОЗУ, где данные могут быть повреждены ионизирующим излучением. Эта же проблема решается при создании космической электроники, которая должна выдерживать более высокие уровни радиации.

В литературе усилители для подобных схем обычно строятся с использованием малошумящего операционного усилителя во входном каскаде. Мы используем альтернативный вариант на двух транзисторов. Усилитель с прямой связью автоматически устанавливает рабочую точку с хорошим отношением сигнал-шум на малошумящих транзисторах BC549C.

Вход транзистора имеет сравнительно низкое сопротивление, что даёт хороший уровень шума. Ёмкость база-коллектор первого каскада работает как интегратор, превращая короткие импульсы от фотодиода в более длинные.

Чувствительность также можно увеличить увеличением напряжения на фотодиоде. Это уменьшает ёмкость диода и увеличивает размер истощающего слоя. Напряжение может достигать 32 вольт, хотя оптимальное значение, наверное, ниже: фотодиод хорошо работает уже на 9 вольтах. Выход предварительно усилителя можно подключить к осциллографу для просмотра формы сигнала.

Осциллограф следует переключить в режим переменного тока с чувствительностью 50 мВ и развёрткой 0,2 мс на деление. В состоянии покоя будет наблюдаться полоса шума около 30 мВ. Гамма-луч, попадающий на датчик, будет восприниматься как положительный импульс с небольшим отрицательным нижним уровнем, следующим за ним. Если видны сильные отрицательные импульсы, то это — признак того, что схема недостаточно экранирована и реагирует на радиочастотные помехи. Излучение, которое мы пытаемся обнаружить, даёт только положительные импульсы. В отличие от трубки Гейгера, этот детектор может определять энергию отдельных частиц, что позволяет делать выводы о типах распадающихся ядер. В отличие от счётчика Гейгера, который фиксирует космическое излучение, у фотодиода фоновый коэффициент практически равен нулю. Гамма-лучи, хоть и влияют на фотодиод, но из-за его гораздо меньшей чувствительной области это происходит намного реже.

Источник

Детектор рентгеновского излучения — X-ray detector

Детекторы рентгеновского излучения — это устройства, используемые для измерения потока , пространственного распределения, спектра и / или других свойств рентгеновского излучения .

Детекторы могут быть разделены на две основные категории: датчики формирования изображения (например, фотопластинок и рентгеновской пленке ( фотографическая пленка ), теперь главным образом заменены различными оцифровки устройства , таких как изображения пластины или детекторы плоских панелей ) и дозы измерительных устройства (например, ионизационные камеры , Счетчики Гейгера и дозиметры, используемые для измерения местного облучения , дозы и / или мощности дозы, например, для проверки эффективности оборудования и процедур радиационной защиты на постоянной основе).

СОДЕРЖАНИЕ

Рентгеновские снимки

Чтобы получить изображение с помощью любого типа детектора изображения, часть пациента, подлежащего рентгеновскому облучению, помещают между источником рентгеновского излучения и приемником изображения, чтобы создать тень от внутренней структуры этой конкретной части тела. Рентгеновские лучи частично блокируются («ослабляются») плотными тканями, такими как кость, и легче проходят через мягкие ткани. Области, куда попадают рентгеновские лучи, при проявлении темнеют, в результате чего кости кажутся светлее окружающих мягких тканей.

Контрастные соединения, содержащие барий или йод , которые являются рентгеноконтрастными , могут попадать в желудочно-кишечный тракт (барий) или вводиться в артерию или вены, чтобы выделить эти сосуды. Контрастные соединения содержат элементы с высокими атомными номерами, которые (например, кость) по существу блокируют рентгеновские лучи, и, следовательно, когда-то полый орган или сосуд становится более заметным. В поисках нетоксичных контрастных материалов были оценены многие типы элементов с высоким атомным номером. К сожалению, некоторые выбранные элементы оказались вредными — например, торий когда-то использовался в качестве контрастного вещества ( Thorotrast ), — который оказался токсичным, что привело к очень высокой заболеваемости раком через десятилетия после использования. Современные контрастные вещества улучшились, и, хотя нет возможности определить, кто может иметь чувствительность к контрасту, частота серьезных аллергических реакций низка.

Рентгеновская пленка

Механизм

Типичная рентгеновская пленка содержит кристаллические «зерна» галогенида серебра , обычно в первую очередь бромида серебра . Размер и состав зерен можно регулировать, чтобы влиять на свойства пленки, например, для улучшения разрешения проявленного изображения. Когда пленка подвергается облучению, галогенид ионизируется, и свободные электроны захватываются дефектами кристалла (образуя скрытое изображение ). Ионы серебра притягиваются к этим дефектам и восстанавливаются , создавая кластеры прозрачных атомов серебра . В процессе проявления они преобразуются в непрозрачные атомы серебра, которые формируют видимое изображение, самое темное там, где было обнаружено наибольшее излучение. Дальнейшие этапы разработки стабилизируют сенсибилизированные зерна и удаляют нечувствительные зерна, чтобы предотвратить дальнейшее воздействие (например, от видимого света ).

Замена

Первые рентгеновские снимки (рентгеновские снимки) были сделаны путем воздействия рентгеновских лучей на сенсибилизированные стеклянные фотопластинки. Рентгеновская пленка (фотопленка) вскоре заменила стеклянные пластины, и пленка десятилетиями использовалась для получения (и отображения) медицинских и промышленных изображений. Постепенно цифровые компьютеры получили возможность хранить и отображать достаточно данных, чтобы сделать возможным создание цифровых изображений. С 1990-х годов компьютерная радиография и цифровая радиография заменяют фотопленку в медицине и стоматологии, хотя пленочная технология по-прежнему широко используется в процессах промышленной радиографии (например, для проверки сварных швов). Металлическое серебро (ранее необходимое для радиографической и фотографической промышленности) является невозобновляемым ресурсом, хотя серебро можно легко восстановить из использованной рентгеновской пленки. Там, где рентгеновские пленки требуют оборудования для влажной обработки, новые цифровые технологии этого не делают. Цифровое архивирование изображений также экономит физическое место для хранения.

Фотографиистимулируемые люминофоры

Рентгенография с люминесцентной пластиной — это метод регистрации рентгеновских лучей с использованием фотостимулированной люминесценции (PSL), впервые примененный Fuji в 1980-х годах. Фотостимулируемая люминофорная пластинка (PSP) используется вместо фотографической пластины. После рентгеновского облучения пластины возбужденные электроны в люминофорном материале остаются «захваченными» в « центрах окраски » кристаллической решетки до тех пор, пока не будут стимулированы лазерным лучом, проходящим по поверхности пластины. Света , выделяемых во время лазерной стимуляции собирают с помощью фотоэлектронного умножителя , и результирующий сигнал преобразуется в цифровое изображение с помощью компьютерной технологии. Пластину PSP можно использовать повторно, и существующее рентгеновское оборудование не требует модификации для его использования. Этот метод также известен как компьютерная рентгенография (КР).

Усилители изображения

Рентгеновские лучи также используются в процедурах «в реальном времени», таких как ангиография или контрастное исследование полых органов (например, бариевая клизма тонкой или толстой кишки) с использованием рентгеноскопии . Ангиопластика , медицинские вмешательства на артериальной системе, в значительной степени зависят от чувствительного к рентгеновскому излучению контрастного вещества для выявления потенциально поддающихся лечению поражений.

Полупроводниковые детекторы

В твердотельных детекторах для обнаружения рентгеновских лучей используются полупроводники . Прямые цифровые детекторы называются так потому, что они напрямую преобразуют рентгеновские фотоны в электрический заряд и, следовательно, в цифровое изображение. Непрямые системы могут иметь промежуточные этапы, например сначала преобразование рентгеновских фотонов в видимый свет , а затем электронный сигнал. Обе системы обычно используют тонкопленочные транзисторы для считывания и преобразования электронного сигнала в цифровое изображение. В отличие от пленки или CR, для получения цифрового изображения не требуется ручного сканирования или проявления, и поэтому в этом смысле обе системы являются «прямыми». Оба типа систем имеют значительно более высокую квантовую эффективность, чем CR.

Прямые детекторы

С 1970-х годов разрабатываются полупроводниковые детекторы из кремния или германия, легированные литием (Si (Li) или Ge (Li)) . Рентгеновские фотоны преобразуются в электронно-дырочные пары в полупроводнике и собираются для регистрации рентгеновских лучей. Когда температура достаточно низкая (детектор охлаждается эффектом Пельтье или даже более холодным жидким азотом ), можно напрямую определять энергетический спектр рентгеновского излучения; этот метод называется энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDX или EDS); он часто используется в небольших рентгенофлуоресцентных спектрометрах . Кремниевые дрейфовые детекторы (SDD), производимые обычным производством полупроводников , обеспечивают экономичное измерение излучения с высокой разрешающей способностью. В отличие от обычных детекторов рентгеновского излучения, таких как Si (Li), их не нужно охлаждать жидким азотом. Эти детекторы редко используются для визуализации и эффективны только при низких энергиях.

Практическое применение в медицинской визуализации началось в начале 2000-х годов. Аморфный селен используется в коммерческих плоскопанельных рентгеновских детекторах большой площади для маммографии и общей рентгенографии из-за его высокого пространственного разрешения и свойств поглощения рентгеновских лучей. Однако низкий атомный номер селена означает, что для достижения достаточной чувствительности требуется толстый слой.

Теллурид кадмия ( Cd Te ) и его сплав с цинком , теллурид кадмия и цинка , считаются одними из самых многообещающих полупроводниковых материалов для обнаружения рентгеновских лучей из-за его широкой запрещенной зоны и высокого квантового числа, что позволяет работать при комнатной температуре с высокой эффективностью. . Текущие приложения включают денситометрию костей и ОФЭКТ, но плоские детекторы, подходящие для радиографической визуализации, еще не производятся. Текущие исследования и разработки сосредоточены вокруг энергии разрешения пиксельных детекторов , таких как CERN «s Medipix детектора и зал Совета Наука и техника » s HEXITEC детектора.

Обычные полупроводниковые диоды , такие как PIN-фотодиоды или 1N4007 , будут производить небольшой ток в фотоэлектрическом режиме при помещении в пучок рентгеновских лучей.

Непрямые детекторы

Непрямые детекторы состоят из сцинтиллятора для преобразования рентгеновских лучей в видимый свет, который считывается матрицей TFT. Это может обеспечить преимущества в чувствительности по сравнению с токовыми детекторами прямого действия (аморфный селен), хотя и с потенциальным компромиссом в разрешающей способности. Непрямые плоские детекторы (FPD) сегодня широко используются в медицине, стоматологии, ветеринарии и промышленности.

Матрица TFT состоит из листа стекла, покрытого тонким слоем кремния, находящегося в аморфном или неупорядоченном состоянии. В микроскопическом масштабе кремний запечатлен миллионами транзисторов, выстроенных в упорядоченный массив, как сетка на листе миллиметровой бумаги. Каждый из этих тонкопленочных транзисторов (TFT) присоединен к светопоглощающему фотодиоду, составляющему отдельный пиксель (элемент изображения). Фотоны, падающие на фотодиод, превращаются в двух носителей электрического заряда , называемых электронно-дырочными парами. Поскольку количество производимых носителей заряда будет варьироваться в зависимости от интенсивности входящих световых фотонов, создается электрический рисунок, который можно быстро преобразовать в напряжение, а затем в цифровой сигнал, который интерпретируется компьютером для создания цифрового изображения. Хотя кремний обладает выдающимися электронными свойствами, он не особенно хорошо поглощает рентгеновские фотоны. По этой причине рентгеновские лучи сначала попадают на сцинтилляторы, изготовленные из таких материалов, как оксисульфид гадолиния или иодид цезия . Сцинтиллятор поглощает рентгеновские лучи и преобразует их в фотоны видимого света, которые затем проходят на матрицу фотодиодов.

Измерение дозы

Детекторы газа

Рентгеновские лучи, проходящие через газ , ионизируют его, производя положительные ионы и свободные электроны . Входящий фотон создаст количество таких ионных пар, пропорциональное его энергии. Если в газовой камере есть электрическое поле, ионы и электроны будут двигаться в разных направлениях и тем самым вызывать обнаруживаемый ток . Поведение газа будет зависеть от приложенного напряжения и геометрии камеры. Это приводит к появлению нескольких различных типов детекторов газа, описанных ниже.

В ионизационных камерах используется относительно низкое электрическое поле около 100 В / см для извлечения всех ионов и электронов перед их рекомбинацией. Это дает устойчивый ток, пропорциональный мощности дозы, которой подвергается газ. Ионные камеры широко используются в качестве переносных измерителей радиационного контроля для проверки уровней доз радиации.

Пропорциональные счетчики используют геометрию с тонкой положительно заряженной анодной проволокой в центре цилиндрической камеры. Большая часть объема газа будет действовать как ионизационная камера, но в области, ближайшей к проводу, электрическое поле достаточно велико, чтобы заставить электроны ионизировать молекулы газа. Это создаст лавинный эффект, значительно увеличив выходной сигнал. Поскольку каждый электрон вызывает лавину примерно одинакового размера, накопленный заряд пропорционален количеству ионных пар, созданных поглощенным рентгеновским излучением. Это позволяет измерить энергию каждого падающего фотона.

Счетчики Гейгера-Мюллера используют еще более сильное электрическое поле, так что создаются УФ-фотоны . Они вызывают новые лавины, что в конечном итоге приводит к полной ионизации газа вокруг анодной проволоки. Это делает сигнал очень сильным, но вызывает мертвое время после каждого события и делает невозможным измерение энергии рентгеновского излучения.

Детекторы газа обычно представляют собой однопиксельные детекторы, измеряющие только среднюю мощность дозы по объему газа или количество взаимодействующих фотонов, как объяснено выше, но они могут быть выполнены с пространственным разрешением, имея много перекрещенных проводов в камере для проводов .

Кремниевые фотоэлементы PN

В 1960-х годах было продемонстрировано, что кремниевые солнечные элементы PN подходят для обнаружения всех форм ионизирующего излучения, включая ультрафиолетовое , мягкое и жесткое рентгеновское излучение. Эта форма обнаружения работает посредством фотоионизации , процесса, при котором ионизирующее излучение поражает атом и высвобождает свободный электрон. Для этого типа широкополосного датчика ионизирующего излучения требуется солнечный элемент, амперметр и фильтр видимого света в верхней части солнечного элемента, который позволяет ионизирующему излучению попадать на солнечный элемент, блокируя нежелательные длины волн.

Радиохромная пленка

Саморазвивающаяся радиохромная пленка может обеспечить измерения с очень высоким разрешением для целей дозиметрии и профилирования, особенно в физике лучевой терапии.

Источник