Cześć wszystkim,
miło mi, że po kilku latach mogę zaprezentować wam pewien projekt nad którym spędziłem ostatnie pół roku. Jest to scyntylacyjny detektor promieniowania oparty na scalonym półprzewodnikowym fotopowielaczu SiPM- Silicon PhotoMultiplier.
Pomysł narodził się od zakupu małego kieszonkowego dozymetru, spektrografu Radiacode. Promieniotwórczość i związane z nim zjawiska interesowały mnie prawie od zawsze. W dalszym czasie stałem się bywalcem różnego rodzaju giełd minerałów, odwiedziłem rodzimą kopalnię uranu w Kowarach, no wsiąkłem w temat.
Kolejnym krokiem był zakup fotopowielacza na znanym portalu aukcyjnym i jego uruchomienie. Fotopowielacz był ze wklejonym scyntylatorem- jak się później okazało był to CdWO4 ( w skrócie CWO). Śledząc projekty różnych autorów zacząłem coraz bardziej interesować się tematyką zastosowania SiPM.
SiPM mają wiele zalet- są dużo mniejsze, bardziej odporne na uszkodzenia mechaniczne, wymagają dużo mniejszego napięcia polaryzacji względem klasycznych fotopowielaczy (PMT) jednak nie oferują dużo lepszej rozdzielczości i posiadają jedną znaczącą wadę- to jest szum termiczny. Szum termiczny wynika głównie z zagęszczenia sąsiadujących ze sobą diod SPAD. Na szum jeszcze wpływa spontaniczne zapalanie się- przejście w stan przewodzenia sąsiednich komórek- diod SPAD.
Sama struktura SiPM to złożenie kilku...kilkunastu tysięcy małych diod typu SPAD (Single Photon Avalanche Diode) połączonych równolegle. Każda z tych diod ma w szeregu rezystor- quenching resistor który umożliwia wygaszenie SPAD po zaniku impulsu światła. Posiadając matrycę wielu tak połączonych diod SPAD okazuje się, że ilość światła padająca na nią daje proporcjonalny przepływ prądu przez całość tej matrycy. Oczywiście przepływ tego prądu jest quasi proporcjonalny i pracujemy tutaj w pewnym zakresie prawie liniowości- stąd właśnie wynika ograniczona rozdzielczość SiPM i pod tym względem przewaga lamp PMT.
Fragment noty katalogowej OnSemi Źródło: https://www.onsemi.com/download/data-sheet/pdf/microj-series-d.pdf
SiPM które wybrałem do projektu- ze względu na cenę i dostępność to właśnie OnSemi MICROFC-60035, ale też mniejszy odpowiednik 30050. Płytkę tak zaprojektowałem, by można było stosować jeden lub drugi fotopowielacz. Aby tego dokonać należy pokryć pady soldermaską by nie doprowadzić do przypadkowego zwarcia.
Porównanie trzech wielkości dostępnych SiPM od OnSemi- na zdjęciu widać komórki- diody SPAD.
Będąc dalej przy SiPM- w okolicy znajduje się zwykła dioda LED oraz termistor.
No więc do wykonania kalibracji poziomów napięć bądź prób związanych ze stabilnością fotopowielaczy- nie tylko SiPM ale również PMT stosuje się dodatkowe źródło światła o określonej charakterystyce sterowane prądowo. Dzięki temu mogę podać przebieg prostokątny o określonej charakterystyce- bardzo krótkie impulsy i sprawdzić jak stabilny sygnał mam na wyjściu płytki PCB i dzięki temu dobrać korekcję termiczną.
Tak jak widać na zdjęciu powyżej do projektu wykonałem obudowy z druku 3D które mają za zadanie osłonić SiPM przed światłem z zewnątrz. w obudowę mocowany jest scyntylator. Scyntylator jest dociśnięty do SiPM za pomocą sprężyny w drugim końcu obudowy a między sam scyntylator a SiPM stosuję żel optyczny przeznaczony do UV.
W trakcie różnych prób zdobyłem kilka rodzajów scyntylatorów takie jak LYSO, BGO, GSO, dwa organiczne- plastiki, CsI Ti, CdWO4 czy ZnWO4 i poluję na kolejne- jeżeli ktoś z Was posiada, to proszę o kontakt
Wracając do projektu elektronicznego.
Napięcie wsteczne pracy użytych SiPM w tym projekcie to około 25,5VDC (będę je nazywać Biasem) i praca w napięciu przebicia do 31VDC. Napięcie to podawane jest przez filtr RC zalecany przez OnSemi- 2x 10nF plus 2x 50R rezystor. Napięcie jest generowane przez jedną z trzech do wyboru przetwornic- zrobiłem to z chęci zbadania różnych rozwiązań, jednak najbardziej pasuje mi tutaj MAX5025. Mamy jeszcze do dyspozycji LT3571 lub MP3216DJ.
Napięcie Bias następnie wchodzi na wysokonapięciowy op-amp (tak wiem, mogłem to zrobić inaczej) by uzyskać niezależną regulację napięcia- w tym przypadku w celu kompensacji temperaturowej. Jednak nie przemyślałem tego do końca, chciałem posłać płytkę PCB do produkcji w miarę szybko. Później okazało się, żeby kompensacja ta naprawdę zadziałała musiałem dokonać przeróbek- został dostawiony układ LM335 (a właściwie wklejony na klej termoprzewodzący). Niestety wymagało to przecięcia kilku połączeń, dodania kynaru- ale finalnie działa. W zakresie od 20 do 40*C rozjazd na pomiarze końcowym to 8 KeV
Sygnał z SiPM trafia na wzmacniacz OPA656. Projekt przewiduje różne konfiguracje- albo wzmacniacz działa jako transimpedancyjny, albo jako zwykły wzmacniacz. Z moich doświadczeń wynika, że najlepsza rozdzielczość wypada przy zastosowaniu R77 jako 50OHm i podaniu napięcia- właściwie spadku napięcia na tym rezystorze na wejście wzmacniacza. Następnym elementem jest układ CR obcinający zboczę bardzo krótkich sygnałów z SiPM. mówimy tutaj czasem o zboczach rzędu kilkudziesięciu nS- w zależności od użytego scyntylatora. Kolejnym etapem jest formowanie sygnału na czterech filtrach RC mających za zadanie nadać zboczom sygnału kształt najbardziej zbliżony do krzywej Gaussa i jednocześnie rozciągnąć ten sygnał do rzędu 100-200uS tak by możliwa była akwizycja danych przez kartę dźwiękową komputera.
Na oscylogramie powyżej- żółty sygnał to sygnał z pierwszego stopnia RC, każdy pozostały- to każdy kolejny stopień RC kształtujący sygnał.
Na oscylogramie widać przejściowy sygnał w postaci negatywnego napięcia- jest to skutek przejścia przez pierwszy stopień CR. Ten efekt jest likwidowany przez dodanie składowej stałej i puszczenie tego sygnału przez zwykłą diodę- obcinamy w ten sposób spód sygnału. Można tego dokonać jeszcze w dwa inne sposoby- opisane fragmenty jako "Video Style Pole Zero" czy "Basline Restore by AMPTEK" ale to na ten moment nie było jeszcze przedmiotem moich badań.
Kolejnym elementem jest PulsePile-up restorer czyli ukłąd który z regulowanym opóźnieniem brakuje kolejne zliczenia impulsów przez SiPM.
Zasada jest prosta- po wykryciu impulsu, z odpowiednim, regulowanym opóźnieniem generowany jest za pomocą NE555 sygnał mono-stabilny o określonym czasie trwania, tak aby w tym czasie zablokować SiPM. Jest to o tyle przydatne, żeby odrzucić pomiary kiedy w czasie trwania poprzedniego impulsu przekazywanego na kartę dźwiękową nie doszedł kolejny- powodując zaburzony odczyt.
Kilka zdjęć z uruchomienia.
Najważniejsze- jak to działa, wyniki.
Do porównania miałem w dyspozycji detektor na PMT oraz Radiacode. Opracowanie danych z płytki dokonywałem w BecqMoni. Układ jeszcze wymaga doszlifowania- rozdzielczość dla Cs-137 wyszła całkiem spora, w innych pomiarach uzyskiwałem 5,8% dla CsJ:TI.
Pierwszy obrazek to jest pomiar scyntylatora LYSO- który sam w sobie jest źródłem promieniowania. Trochę przesunięta kalibracja energii.
Kolejny- Cs-137 którego źródłem jest lampa TG-77
Ostatnim obrazkiem jest ruda uranu zakupiona na targach minerałów, zabezpieczona taśmą, by nie powodować zaśmiecenia.
Z przyjemnością zapoznam się z Waszym feedbackiem, odpowiem na pytania, podeślę dodatkowe zdjęcia.
Pozdrawiam, Robert
Fajne? Ranking DIY
