पोर्टेबल विकिरण डिटेक्टर: 10 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:22

यह रेडियोधर्मी स्रोतों से आने वाली कम ऊर्जा गामा-किरणों को सटीक रूप से मापने के लिए 5keV-10MeV डिटेक्शन रेंज के लिए उपयुक्त अपने पोर्टेबल सिलिकॉन फोटो-डायोड रेडिएशन डिटेक्टर को डिजाइन, निर्माण और परीक्षण करने के लिए एक ट्यूटोरियल है! ध्यान दें यदि आप रेडियो-सक्रिय ज़ोंबी नहीं बनना चाहते हैं: उच्च-विकिरण के स्रोतों के आसपास होना सुरक्षित नहीं है, और इस उपकरण का उपयोग संभावित हानिकारक विकिरण का पता लगाने के विश्वसनीय तरीके के रूप में नहीं किया जाना चाहिए।

आइए इसके निर्माण पर जाने से पहले डिटेक्टर पर एक छोटे से पृष्ठभूमि विज्ञान के साथ शुरू करें। ऊपर वेरिटासियम का एक अद्भुत वीडियो है जिसमें बताया गया है कि विकिरण क्या है और यह कहाँ से आता है।

चरण 1: सबसे पहले, बहुत सारी भौतिकी

(चित्र किंवदंती: आयनकारी विकिरण आंतरिक क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े बनाता है जिसके परिणामस्वरूप चार्ज पल्स होता है।)

स्पार्क चैंबर्स, गीजर और फोटो-मल्टीप्लायर ट्यूब डिटेक्टर… ये सभी प्रकार के डिटेक्टर या तो बोझिल हैं, महंगे हैं या संचालित करने के लिए उच्च-वोल्टेज का उपयोग करते हैं। कुछ निर्माता-अनुकूल गीजर ट्यूब प्रकार हैं, जैसे https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 & https://www.adafruit.com/product /483। विकिरण का पता लगाने के अन्य तरीके सॉलिड-स्टेट डिटेक्टर (जैसे जर्मेनियम डिटेक्टर) हैं। हालांकि, ये उत्पादन करने के लिए महंगे हैं और विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है (तरल नाइट्रोजन शीतलन के बारे में सोचें!) इसके विपरीत, सॉलिड-स्टेट डिटेक्टर बहुत लागत प्रभावी होते हैं। वे व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं और उच्च-ऊर्जा कण भौतिकी, चिकित्सा भौतिकी और खगोल भौतिकी में एक आवश्यक भूमिका निभाते हैं।

यहां, हम एक पोर्टेबल सॉलिड-स्टेट रेडिएशन डिटेक्टर का निर्माण करते हैं जो रेडियोधर्मी स्रोतों से आने वाली कम ऊर्जा गामा-किरणों को सटीक रूप से मापने और उनका पता लगाने में सक्षम है। डिवाइस में रिवर्स बायस्ड बड़े सतह-क्षेत्र सिलिकॉन पीआईएन डायोड की एक सरणी होती है, जो एक चार्ज प्री-एम्पलीफायर, एक डिफरेंशिएटर एम्पलीफायर, एक डिस्क्रिमिनेटर और एक तुलनित्र को आउटपुट करती है। सभी क्रमिक चरणों के आउटपुट को विश्लेषण के लिए डिजिटल संकेतों में परिवर्तित किया जाता है। हम सिलिकॉन कण डिटेक्टरों, पीआईएन डायोड, रिवर्स बायसिंग और अन्य संबंधित मापदंडों के सिद्धांतों का वर्णन करके शुरू करेंगे। फिर हम आयोजित की गई विभिन्न जांचों और किए गए विकल्पों के बारे में बताएंगे। अंत में, हम अंतिम प्रोटोटाइप और परीक्षण का परिचय देंगे।

सॉलिडस्टेट डिटेक्टर

कई विकिरण पहचान अनुप्रयोगों में, एक ठोस पहचान माध्यम का उपयोग महत्वपूर्ण लाभ का होता है (वैकल्पिक रूप से सेमीकंडक्टर डायोड डिटेक्टर या सॉलिड-स्टेट डिटेक्टर कहा जाता है)। सिलिकॉन डायोड बड़ी संख्या में अनुप्रयोगों के लिए पसंद के डिटेक्टर हैं, खासकर जब भारी चार्ज कण शामिल होते हैं। यदि ऊर्जा के मापन की आवश्यकता नहीं है, तो सिलिकॉन डायोड डिटेक्टरों की उत्कृष्ट समय विशेषताएँ आवेशित कणों की सटीक गिनती और ट्रैकिंग की अनुमति देती हैं।

उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों या गामा-किरणों के मापन के लिए, डिटेक्टर आयामों को विकल्पों की तुलना में बहुत छोटा रखा जा सकता है। विकिरण संसूचकों के रूप में अर्धचालक पदार्थों के उपयोग के परिणामस्वरूप किसी दी गई घटना विकिरण घटना के लिए वाहकों की एक बड़ी संख्या होती है, और इसलिए अन्य संसूचक प्रकारों की तुलना में ऊर्जा संकल्प पर एक कम सांख्यिकीय सीमा संभव है। नतीजतन, आज प्राप्त सर्वोत्तम ऊर्जा संकल्प ऐसे डिटेक्टरों के उपयोग के माध्यम से महसूस किया जाता है।

मौलिक सूचना वाहक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े हैं जो आवेशित कण द्वारा डिटेक्टर के माध्यम से लिए गए पथ के साथ बनाए गए हैं (ऊपर चित्र देखें)। इन इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े को इकट्ठा करके, सेंसर के इलेक्ट्रोड पर चार्ज के रूप में मापा जाता है, डिटेक्शन सिग्नल बनता है, और यह प्रवर्धन और भेदभाव के चरणों में आगे बढ़ता है। सॉलिड-स्टेट डिटेक्टरों की अतिरिक्त वांछनीय विशेषताएं एक कॉम्पैक्ट आकार, अपेक्षाकृत तेज़ समय की विशेषताएं और एक प्रभावी मोटाई (*) हैं। किसी भी डिटेक्टर की तरह, इसमें कमियां हैं, जिनमें छोटे आकार की सीमा और विकिरण-प्रेरित क्षति से इन उपकरणों के प्रदर्शन में गिरावट की अपेक्षाकृत संभावना शामिल है।

(*: पतले सेंसर कई स्कैटरिंग को कम करते हैं, जबकि मोटे सेंसर अधिक चार्ज उत्पन्न करते हैं जब एक कण सब्सट्रेट को पार करता है।)

P−i−N डायोड:

प्रत्येक प्रकार का विकिरण संसूचक विकिरण के साथ अन्योन्यक्रिया के बाद एक विशिष्ट निर्गत उत्पन्न करता है। पदार्थ के साथ कणों की परस्पर क्रिया तीन प्रभावों से भिन्न होती है:

1. फोटो-इलेक्ट्रिक प्रभाव
2. कॉम्पटन स्कैटेरिंग
3. जोड़ी-उत्पादन।

एक प्लेनर सिलिकॉन डिटेक्टर का मूल सिद्धांत एक पीएन जंक्शन का उपयोग होता है जिसमें कण इन तीन घटनाओं के माध्यम से बातचीत करते हैं। सबसे सरल प्लैनर सिलिकॉन सेंसर में एक तरफ पी डोप्ड सब्सट्रेट और एक एन-इम्प्लांट होता है। इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े एक कण प्रक्षेपवक्र के साथ बनाए जाते हैं। पीएन जंक्शन के क्षेत्र में, एक क्षेत्र मुक्त वाहक है, जिसे कमी क्षेत्र कहा जाता है। इस क्षेत्र में बनाए गए इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े आसपास के विद्युत क्षेत्र से अलग होते हैं। इसलिए, चार्ज वाहक को सिलिकॉन सामग्री के एन या पी-साइड पर मापा जा सकता है। पीएन जंक्शन डायोड में रिवर्स-बायस वोल्टेज लगाने से, खाली क्षेत्र बढ़ता है और पूरे सेंसर सब्सट्रेट को कवर कर सकता है। आप इसके बारे में यहाँ और अधिक पढ़ सकते हैं: पिन जंक्शन विकिपीडिया लेख।

एक पीआईएन डायोड में पी और एन जंक्शनों के बीच एक आंतरिक i क्षेत्र होता है, जो पी और एन-क्षेत्रों से चार्ज वाहकों से भरा होता है। इस विस्तृत आंतरिक क्षेत्र का अर्थ यह भी है कि रिवर्स बायस्ड होने पर डायोड की धारिता कम होती है। एक पीआईएन डायोड में, आंतरिक क्षेत्र के भीतर कमी क्षेत्र लगभग पूरी तरह से मौजूद है। यह कमी क्षेत्र नियमित पीएन डायोड की तुलना में बहुत बड़ा है। यह उस आयतन को बढ़ाता है जहां एक घटना फोटॉन द्वारा इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े उत्पन्न किए जा सकते हैं। यदि अर्धचालक पदार्थ पर एक विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन और छेद दोनों एक प्रवास से गुजरते हैं। पीआईएन डायोड रिवर्स बायस्ड है ताकि पूरी आई-लेयर मुक्त वाहक से समाप्त हो जाए। यह रिवर्स बायस आई-लेयर के आर-पार एक विद्युत क्षेत्र बनाता है जिससे कि इलेक्ट्रान पी-लेयर और होल्स से एन-लेयर (*4) तक चले जाते हैं।

विकिरण की एक पल्स के जवाब में वाहकों का प्रवाह मापा वर्तमान नाड़ी का गठन करता है। इस धारा को अधिकतम करने के लिए, i-क्षेत्र जितना संभव हो उतना बड़ा होना चाहिए। जंक्शन के गुण इस प्रकार हैं कि विपरीत दिशा में बायस करने पर यह बहुत कम धारा प्रवाहित करता है। जंक्शन का पी-साइड एन-साइड के संबंध में नकारात्मक हो जाता है, और जंक्शन के एक तरफ से दूसरी तरफ प्राकृतिक संभावित अंतर बढ़ जाता है। इन परिस्थितियों में, यह अल्पसंख्यक वाहक हैं जो जंक्शन के पार आकर्षित होते हैं और, क्योंकि उनकी सांद्रता अपेक्षाकृत कम होती है, डायोड में रिवर्स करंट काफी छोटा होता है। जब जंक्शन पर एक रिवर्स बायस लागू किया जाता है, तो लगभग सभी लागू वोल्टेज कमी क्षेत्र में दिखाई देते हैं, क्योंकि इसकी प्रतिरोधकता सामान्य एन या पी-प्रकार की सामग्री की तुलना में बहुत अधिक है। दरअसल, रिवर्स बायस जंक्शन के पार संभावित अंतर को बढ़ाता है। अवक्षय क्षेत्र की मोटाई भी बढ़ जाती है, जिससे उस आयतन का विस्तार होता है जिस पर विकिरण-उत्पादित आवेश वाहक एकत्र किए जाते हैं। एक बार जब विद्युत क्षेत्र पर्याप्त रूप से उच्च हो जाता है, तो चार्ज संग्रह पूर्ण हो जाता है, और डिटेक्टर बायस वोल्टेज में और वृद्धि के साथ पल्स की ऊंचाई अब नहीं बदलती है।

(*1: एक परमाणु की बाध्य अवस्था में इलेक्ट्रॉनों को फोटॉन द्वारा खटखटाया जाता है, जब आपतित कणों की ऊर्जा बाध्यकारी ऊर्जा से अधिक होती है। और कुछ ऊर्जा का इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरण। *3: एक प्राथमिक कण और उसके विरोधी कण का उत्पादन। विद्युत क्षेत्र के रूप में दिशा।)

चरण 2: अन्वेषण

यह "डिटेक्टर" का प्रोटोटाइप संस्करण है जिसे हमने बनाया, डिबग किया और परीक्षण किया। यह एक मैट्रिक्स है जिसमें "सीसीडी" शैली विकिरण सेंसर रखने के लिए कई सेंसर होते हैं। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, सभी सिलिकॉन अर्ध-चालक विकिरण के प्रति संवेदनशील होते हैं। यह कितना सटीक है, और इस्तेमाल किए गए सेंसर के आधार पर कण के ऊर्जा स्तर का एक मोटा विचार भी प्राप्त किया जा सकता है जिससे हिट हुआ।

हमने पहले से ही संवेदन के लिए बिना ढाल वाले डायोड का उपयोग किया है, जो जब रिवर्स बायस्ड (और इसे दृश्य प्रकाश से परिरक्षित करता है), छोटे संकेतों को बढ़ाकर और माइक्रोकंट्रोलर के साथ आउटपुट डेटा को पढ़कर बीटा और गामा विकिरण से हिट दर्ज कर सकता है। हालाँकि, अल्फा विकिरण का शायद ही कभी पता लगाया जा सकता है क्योंकि यह पतले कपड़े या बहुलक परिरक्षण में भी प्रवेश नहीं कर सकता है। संलग्न वेरिटासियम का एक अद्भुत वीडियो है, जो विभिन्न प्रकार के विकिरण (अल्फा, बीटा और गामा) की व्याख्या करता है।

प्रारंभिक डिज़ाइन पुनरावृत्तियों ने एक अलग सेंसर (एक BPW-34 फोटोडायोड; एक प्रसिद्ध सेंसर यदि आप आसपास गूगल करते हैं) का उपयोग किया। यहां तक कि कुछ संबंधित निर्देश हैं जो इसका उपयोग विकिरण का पता लगाने के उद्देश्य से करते हैं जैसे कि यह उत्कृष्ट: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/। हालाँकि, क्योंकि इसमें कुछ बग थे और यह बेहतर तरीके से काम नहीं कर रहा था, हमने मेकर्स द्वारा खामियों से भरे डिटेक्टर के निर्माण से बचने के लिए इस इंस्ट्रक्शंस से इस प्रोटोटाइप के विवरण को हटाने का फैसला किया। हालाँकि, हमने डिज़ाइन फ़ाइलों को संलग्न किया और किसी की रुचि होने पर योजनाबद्ध तरीके से संलग्न किया।

चरण 3: डिजाइन

(छवि किंवदंतियों: (१) डिटेक्टर का ब्लॉक आरेख: सिग्नल निर्माण से डेटा अधिग्रहण तक।, (२) एक्स १००-७ फोटोडायोड के विनिर्देश: १०० मिमी ^ २ सक्रिय क्षेत्र, ०.९ मिमी समाप्त क्षेत्र, प्रकाश अवरुद्ध कोटिंग, कम अंधेरा वर्तमान… जैसा कि अवशोषण संभाव्यता प्लॉट में दिखाया गया है, पीआईएन डायोड आसानी से गामा-किरण ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, (3) निर्माता का एप्लिकेशन नोट जिसने डिजाइन अवधारणा की पुष्टि की और प्रारंभिक घटक मूल्यों को चुनने में मदद की।

हम पहले सेंसर से एक बड़े क्षेत्र सेंसर, अर्थात् X100−7 के लिए बस गए। परीक्षण उद्देश्यों और प्रतिरूपकता के लिए, हमने तीन अलग-अलग भागों को डिज़ाइन किया है, जो एक दूसरे पर स्टैक्ड हैं: सेंसर और एम्प्लीफिकेशन (कम शोर चार्ज एम्पलीफायर + पल्स शेपिंग एम्पलीफायर), डिस्क्रिमिनेटर और तुलनित्र, डीसी / डीसी विनियमन, और डीएक्यू (डेटा अधिग्रहण के लिए Arduino)। प्रत्येक चरण को अलग से इकट्ठा, मान्य और परीक्षण किया गया था जैसा कि आप अगले चरण में देखेंगे।

सेमीकंडक्टर डिटेक्टरों का एक मुख्य लाभ छोटी आयनीकरण ऊर्जा (ई) है, जो ऊर्जा और घटना विकिरण के प्रकार दोनों से स्वतंत्र है। यह सरलीकरण घटना विकिरण ऊर्जा के संदर्भ में कई इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े के लिए खाते की अनुमति देता है, बशर्ते कण डिटेक्टर की सक्रिय मात्रा के भीतर पूरी तरह से बंद हो जाए। 23C (*) पर सिलिकॉन के लिए हमारे पास E~3.6eV है। यह मानते हुए कि सभी ऊर्जा जमा है और आयनीकरण ऊर्जा का उपयोग करके हम किसी दिए गए स्रोत द्वारा उत्पादित इलेक्ट्रॉनों की संख्या की गणना कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक Americium−241 स्रोत से 60keVgamma-किरण के परिणामस्वरूप 0.045 fC/keV का जमा शुल्क होगा। जैसा कि डायोड स्पेक्स के विनिर्देशों में दिखाया गया है, लगभग ~ 15V के बायसिंग वोल्टेज के ऊपर कमी क्षेत्र को स्थिर के रूप में अनुमानित किया जा सकता है। यह हमारे बायसिंग वोल्टेज के लिए लक्ष्य सीमा को 12−15V पर सेट करता है। (*: घटते तापमान के साथ E बढ़ता है।)

डिटेक्टर के विभिन्न मॉड्यूल, उनके घटकों और संबंधित गणनाओं की कार्यक्षमता। डिटेक्टर का मूल्यांकन करते समय, संवेदनशीलता (*1) महत्वपूर्ण थी। एक अत्यंत संवेदनशील चार्ज प्री-एम्पलीफायर की आवश्यकता होती है क्योंकि एक घटना गामा-किरण अर्धचालक कमी क्षेत्र में केवल कुछ हजार इलेक्ट्रॉन उत्पन्न कर सकती है। क्योंकि हम एक छोटे से वर्तमान पल्स को बढ़ाते हैं, विशेष ध्यान घटक चयन, सावधानीपूर्वक परिरक्षण और सर्किट बोर्ड लेआउट पर दिया जाना चाहिए।

(*1: एक विशिष्ट सिग्नल और सिग्नल-टू-शोर अनुपात उत्पन्न करने के लिए डिटेक्टर में जमा की जाने वाली न्यूनतम ऊर्जा।)

घटक मूल्यों को ठीक से चुनने के लिए, मैं पहले आवश्यकताओं, वांछित विनिर्देशों और बाधाओं को संक्षेप में प्रस्तुत करता हूं:

सेंसर:

• बड़ी संभावित पहचान सीमा, 1keV-1MeV
• शोर को कम करने के लिए कम समाई, 20pF-50pF
• रिवर्स बायस के तहत नगण्य लीकेज करंट।

प्रवर्धन और भेदभाव:

• चार्ज संवेदनशील प्री-एम्पलीफायर
• नाड़ी को आकार देने के लिए विभेदक
• सिग्नल पल्स के लिए तुलनित्र सेट थ्रेशोल्ड से ऊपर होने पर
• थ्रेशोल्ड अंतराल के भीतर शोर आउटपुट के लिए तुलनित्र
• चैनल संयोगों के लिए तुलनित्र
• ईवेंट फ़िल्टरिंग के लिए सामान्य सीमा।

डिजिटल और सूक्ष्म नियंत्रक:

• फास्ट एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स
• प्रोसेसिंग और यूजर इंटरफेस के लिए आउटपुट डेटा।

शक्ति और फ़िल्टरिंग:

• सभी चरणों के लिए वोल्टेज नियामक
• पूर्वाग्रह शक्ति उत्पन्न करने के लिए उच्च वोल्टेज की आपूर्ति
• सभी बिजली वितरण का उचित फ़िल्टरिंग।

मैंने निम्नलिखित घटकों को चुना:

• डीसी बूस्ट कन्वर्टर: एलएम २७३३
• चार्ज एम्पलीफायरों: AD743
• अन्य ऑप-एम्प्स: LM393 और LM741
• DAQ/रीडआउट: Arduino नैनो।

अतिरिक्त लगाए गए विनिर्देशों में शामिल हैं:

• ऑपरेटिंग दर:> 250 kHz (84 चैनल), 50 kHz (संयोग)
• संकल्प: 10 बिट एडीसी
• नमूना दर: 5kHz (8 चैनल)
• वोल्टेज: 5V Arduino, 9V op-amps, ~ 12V बायसिंग।

उपरोक्त घटकों की समग्र व्यवस्था और क्रम को ब्लॉक आरेख चित्र में दर्शाया गया है। हमने परीक्षण चरण के दौरान उपयोग किए गए घटक मूल्यों के साथ गणना की (तीसरी छवि देखें)। (*: कुछ घटक मान शुरू में नियोजित के समान नहीं हैं और न ही वर्तमान में मौजूद हैं; फिर भी ये गणना एक मार्गदर्शन फ्रेम प्रदान करते हैं।)

चरण 4: सर्किट

(चित्र किंवदंतियाँ: (१) एकल चैनल के चरण १-३ का समग्र योजनाबद्ध, जिसमें डायोड बेसिंग और वोल्टेज डिवाइडर शामिल हैं जो प्रत्येक चरण, सर्किट उप-वर्गों के संदर्भ प्रदान करते हैं।)

आइए अब इसके निर्माण से लेकर डिजिटल अधिग्रहण तक चार चैनलों में से एक के डिटेक्शन सिग्नल के "फ्लो" की व्याख्या करें।

चरण 1

रुचि का एकमात्र संकेत फोटोडायोड्स से उत्पन्न होता है। ये सेंसर रिवर्स बायस्ड हैं। बायसिंग आपूर्ति एक स्थिर 12 वी है जो 1 हर्ट्ज से बड़े किसी भी अवांछित शोर को खत्म करने के लिए कम पास फिल्टर के माध्यम से चलाया जाता है। अवक्षय क्षेत्र के आयनीकरण पर, डायोड के पिनों पर एक चार्ज पल्स बनाया जाता है। यह संकेत हमारे पहले प्रवर्धन चरण द्वारा उठाया गया है: चार्ज एम्पलीफायर। एक चार्ज एम्पलीफायर किसी भी परिचालन एम्पलीफायर के साथ बनाया जा सकता है, लेकिन कम शोर विनिर्देश बहुत महत्वपूर्ण है।

चरण 2

इस चरण का उद्देश्य इनवर्टिंग इनपुट पर पाए गए चार्ज पल्स को ऑप-एम्प के आउटपुट पर डीसी वोल्टेज में बदलना है। गैर-इनवर्टिंग इनपुट को फ़िल्टर किया जाता है और एक ज्ञात और चुने हुए स्तर पर वोल्टेज विभक्त पर सेट किया जाता है। इस पहले चरण को ट्यून करना मुश्किल है, लेकिन कई परीक्षणों के बाद हमने 2[pF] के फीडबैक कैपेसिटर और 44[MOhm] के फीडबैक कैपेसिटर के लिए समझौता किया, जिसके परिणामस्वरूप 2[pF] × 44[MOhm] की पल्स हुई। = 88 [μs]। एक इनवर्टिंग सक्रिय बैंडपास फिल्टर एम्पलीफायर, जो एक विभेदक की तरह कार्य करता है, चार्ज एम्पलीफायर का अनुसरण करता है। यह चरण 100 के लाभ के साथ पिछले चरण से निकलने वाले डीसी स्तर को परिवर्तित करता है और परिवर्तित करता है। इस चरण के आउटपुट पर कच्चे डिटेक्टर सिग्नल की जांच की जाती है।

चरण 3

अगली पंक्ति में सिग्नल और शोर चैनल हैं। ये दो आउटपुट सीधे DAQ के साथ-साथ दूसरे एनालॉग PCB पर जाते हैं। दोनों op-amps तुलनित्र के रूप में कार्य करते हैं। दोनों के बीच एकमात्र अंतर यह है कि शोर चैनल में सिग्नल चैनल की तुलना में गैर-इनवर्टिंग इनपुट पर कम वोल्टेज होता है, और दूसरे एम्पलीफाइंग चरण से अपेक्षित आउटपुट पल्स के ऊपर आवृत्तियों को हटाने के लिए सिग्नल चैनल को भी फ़िल्टर किया जाता है। एक LM741 op-amp सिग्नल चैनल में भेदभाव करने के लिए एक चर थ्रेशोल्ड के खिलाफ एक तुलनित्र के रूप में कार्य करता है, जिससे डिटेक्टर केवल ADC/MCU को चुनिंदा ईवेंट भेजने में सक्षम होता है। गैर-इनवर्टिंग इनपुट पर एक चर रोकनेवाला ट्रिगर स्तर सेट करता है। इस चरण (संयोग काउंटर) में, प्रत्येक चैनल से संकेतों को एक ऑप-एम्प को एक योग सर्किट के रूप में कार्य करने के लिए खिलाया जाता है। एक निश्चित थ्रेशोल्ड दो सक्रिय चैनलों के साथ मेल खाता है। यदि दो, या अधिक, फोटोडायोड एक साथ हिट दर्ज करते हैं, तो op-amp उच्च आउटपुट देता है।

नोट: हमने एम्पलीफिकेशन पीसीबी पर चार्ज सेंसिटिव ऑप-एम्प्स के पास बायसिंग पावर के डीसी/डीसी स्टेप-अप कन्वर्टर को लगाकर एक महत्वपूर्ण गलती की। शायद हम इसे बाद के संस्करण में ठीक कर देंगे।

चरण 5: विधानसभा

सोल्डरिंग, बहुत सारे सोल्डरिंग … क्योंकि अंतिम डिटेक्टर के लिए चयनित सेंसर केवल एक एसएमटी पदचिह्न घटक के रूप में मौजूद है, हमें पीसीबी (2 परतों) को डिजाइन करना था। इसलिए, सभी संबद्ध सर्किटरी को ब्रेडबोर्ड के बजाय पीसीबी बोर्ड पर भी माइग्रेट किया गया था। सभी एनालॉग घटकों को दो अलग-अलग पीसीबी पर रखा गया था, और डिजिटल घटकों को शोर हस्तक्षेप से बचने के लिए दूसरे पर रखा गया था। ये हमारे द्वारा बनाए गए पहले पीसीबी थे इसलिए हमें ईगल में लेआउट के लिए कुछ मदद लेनी पड़ी। सबसे महत्वपूर्ण पीसीबी सेंसर और एम्पलीफिकेशन का है। एक ऑसिलोस्कोप के साथ परीक्षण-बिंदुओं पर आउटपुट की निगरानी के साथ डिटेक्टर पूरी तरह से इस बोर्ड (डीएक्यू बाईपास) के साथ काम कर सकता है। मैंने अपनी त्रुटियों को पाया और ठीक किया; इनमें गलत घटक पैरों के निशान शामिल थे, जिसके परिणामस्वरूप हमारे कम शोर वाले ऑप-एम्प्स को वायर-टैप किया गया था, और जीवन के अंत के घटकों को विकल्पों के साथ बदल दिया गया था। इसके अतिरिक्त, रिंगिंग दोलनों को दबाने के लिए डिज़ाइन में दो फ़िल्टर जोड़े गए थे।

चरण 6: संलग्नक

3डी प्रिंटेड केसिंग, लीड शीट और फोम का लक्ष्य है: बढ़ते उद्देश्य, थर्मल आइसोलेशन, शोर शील्ड प्रदान करना, और परिवेश प्रकाश को अवरुद्ध करना, और जाहिर तौर पर इलेक्ट्रॉनिक्स की रक्षा करना। 3डी प्रिंटिंग एसटीएल फाइलें संलग्न हैं।

चरण 7: Arduino रीड-आउट

डिटेक्टर के रीड-आउट (ADC/DAQ) भाग में एक Arduino Mini (कोड संलग्न) होता है। यह माइक्रोकंट्रोलर चार डिटेक्टरों के आउटपुट और बाद में आपूर्ति शक्ति (ट्रैक पावर गुणवत्ता) की निगरानी करता है, फिर आगे के विश्लेषण या रिकॉर्डिंग के लिए सीरियल आउटपुट (यूएसबी) पर सभी डेटा आउटपुट करता है।

आने वाले सभी डेटा को प्लॉट करने के लिए एक प्रोसेसिंग डेस्कटॉप एप्लिकेशन विकसित (संलग्न) किया गया था।

चरण 8: परीक्षण

(चित्र किंवदंतियाँ: (१) ६०Co स्रोत (t ~ ७६०ms) सिग्नल-टू-शोर अनुपात के परिणामी पल्स ~ ३:१।, (२) ऊर्जा के स्रोत द्वारा जमा किए गए चार्ज के बराबर इंजेक्शन ~ २ MeV।, (3) एक 60Co स्रोत (~ 1.2 MeV) द्वारा जमा किए गए शुल्क के बराबर इंजेक्शन)।

चार्ज इंजेक्शन सेंसर पैड पर एक संधारित्र (1pF) के साथ युग्मित पल्स जनरेटर के साथ किया गया था और 50Ohm रोकनेवाला के माध्यम से जमीन पर समाप्त किया गया था। इन प्रक्रियाओं ने मुझे अपने सर्किट का परीक्षण करने, घटक मूल्यों को ठीक करने और एक सक्रिय स्रोत के संपर्क में आने पर फोटोडायोड की प्रतिक्रियाओं का अनुकरण करने में सक्षम बनाया। हमने दो सक्रिय फोटो-डायोड के सामने एक अमरीकियम−241 (60 केवी) और एक आयरन−55 (5.9 केवी) स्रोत दोनों सेट किए, और न ही चैनलों ने एक विशिष्ट संकेत देखा। हमने पल्स इंजेक्शन के माध्यम से सत्यापित किया, और निष्कर्ष निकाला कि इन स्रोतों से दालें शोर के स्तर के कारण देखने योग्य सीमा से नीचे थीं। हालाँकि, हम अभी भी 60Co (1.33 MeV) स्रोत से हिट देखने में सक्षम थे। परीक्षणों के दौरान प्रमुख सीमित कारक महत्वपूर्ण शोर था।शोर के कई स्रोत थे और कुछ स्पष्टीकरण थे कि ये क्या पैदा कर रहे थे। हमने पाया कि सबसे महत्वपूर्ण और हानिकारक स्रोत पहले प्रवर्धन चरण से पहले शोर की उपस्थिति थी। भारी लाभ के कारण यह शोर लगभग सौ गुना बढ़ गया था! हो सकता है कि अनुचित पावर फ़िल्टरिंग और जॉनसन शोर को एम्पलीफायर चरणों के फीडबैक लूप में फिर से इंजेक्ट किया गया हो (यह शोर अनुपात के लिए कम सिग्नल की व्याख्या करेगा)। हमने पूर्वाग्रह के साथ शोर की निर्भरता की जांच नहीं की, लेकिन हम भविष्य में इस पर और गौर कर सकते हैं।

चरण 9: बड़ी तस्वीर

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यदि आपने इसे इतना आगे बढ़ाया है और चरणों का पालन किया है, तो बधाई हो! आपने एलएचसी जैसे वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए एक उपकरण बनाया है! शायद आपको करियर में बदलाव पर विचार करना चाहिए और परमाणु भौतिकी के क्षेत्र में जाना चाहिए:) अधिक तकनीकी शब्दों में, आपने एक सॉलिड-स्टेट रेडिएशन डिटेक्टर बनाया है जिसमें फोटो-डायोड के मैट्रिक्स और संबंधित सर्किटरी शामिल हैं जो घटनाओं को स्थानीय बनाने और भेदभाव करने के लिए हैं। डिटेक्टर में कई प्रवर्धन चरण होते हैं जो छोटे चार्ज दालों को देखने योग्य वोल्टेज में परिवर्तित करते हैं और फिर भेदभाव करते हैं और उनकी तुलना करते हैं। चैनलों के बीच एक तुलनित्र, ज्ञात घटनाओं के स्थानिक वितरण के बारे में भी जानकारी प्रदान करता है। आपने डेटा संग्रह और विश्लेषण के लिए Arduino माइक्रो-कंट्रोलर और आवश्यक सॉफ़्टवेयर के उपयोग को भी शामिल किया है।

चरण 10: संदर्भ

संलग्न अद्भुत PDF के अलावा, यहां कुछ संबंधित सूचनात्मक संसाधन दिए गए हैं:

- एफ.ए. स्मिथ, ए प्राइमर इन एप्लाइड रेडिएशन फिजिक्स, वर्ल्ड साइंटिफिक, रिवर एज, एनजे, 2000।

- पहला सेंसर, पहला सेंसर पिन पीडी डेटा शीट भाग विवरण X100-7 SMD, वेब। mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- होरोविट्ज़, पॉल और हिल, विनफील्ड, द आर्ट ऑफ़ इलेक्ट्रॉनिक्स। कैम्ब्रिज यूनिवर्सिटी प्रेस, 1989।

- सी. थिएल, सेमीकंडक्टर रेडिएशन डिटेक्टरों का एक परिचय, वेब। Physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- लिंडन इवांस, द लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर: ए मार्वल ऑफ टेक्नोलॉजी, एड। ईपीएफएल प्रेस, 2009।