[PL] [ENG]
logo
- detektor -

wstep

Fotodiody typu PIN są tanimi, powszechnie wykorzystywanymi w elektronice przyrządami półprzewodnikowymi służącymi do detekcji fotonów o niskiej energii - w zakresie widzialnym i podczerwieni. Analizy ich budowy a także parametrów technologicznych pozwala przypuszczać, że możliwe jest zastosowanie tych elementów do spektrometrii promieniowania rentgenowskiego i gamma w zakresie energii do około 100 keV. Budowa fotodiody, pomimo zupełnie innego przeznaczenia, przypomina stosowane w wysokorozdzielczej spektrometrii promieniowania detektory półprzewodnikowe typu Si(Li) czy Ge(Li). Detektory te jednak, ze względu na ich wysoki koszt a także konieczność ciągłego chłodzenia ciekłym azotem, znajdują zastosowania głównie w laboratoriach.

W porównaniu do nich, zastosowanie fotodiod do detekcji promieniowania w zakresie rentgenowskim, gdy nie zależy nam na bardzo wysokiej zdolności rozdzielczej, posiada szereg zalet. Należy tu wymienić małe prądy upływu nawet w temperaturze pokojowej, niskie napięcia zasilania, małe rozmiary. Jednak zastosowanie powszechnie wykorzystywanych do detekcji światła widzialnego fotodiod wymaga zaprojektowania specjalnej elektroniki odczytu, której stawiać będziemy bardzo wysokie wymagania.

Ponieważ zastosowanie fotodiod do bezpośredniej detekcji promieniowania gamma/X jest niezwykle rzadko omawiane w literaturze, postanowiliśmy osobiście sprawdzić czy wykorzystując wyłącznie dostępne powszechnie elementy elektroniczne możliwa jest budowa taniego spektrometru promieniowania X w oparciu o fotodiody PIN. W artykule prezentujemy zasady detekcji promieniowania, omawiamy działanie detektora a także prezentujemy osiągnięte rezultaty.

odziaływanie promieniowania x i gamma z materią

Podstawową wiedzą, jaką musimy dysponować chcąc zrozumieć zasadę działania każdego detektora, to oddziaływanie mierzonego promieniowania z materią. Naszą uwagę skupimy wyłącznie na fotonach o energii 5-100 keV. Dlaczego wybraliśmy tylko taką część widma okaże się jasne w dalszej części artykułu. Pierwszy (nie pierwsze ?) co musimy podkreślić, to fakt że foton nie jest cząstką bezpośrednio jonizującą materiał ośrodka - wytworzenie w detektorze ładunku elektrycznego będzie możliwe wyłącznie poprzez procesy pośrednie. We wspomnianym zakresie energii fotony będą oddziaływać głównie poprzez absorpcję fotoelektryczną i rozpraszanie camptonowskie. Co najważniejsze, oba te efekty powodują przekazanie części energii fotonu elektronowi, który jest już cząstką bezpośrednio jonizującą. Zjawisko absorpcji elektrycznej polega na całkowitym przekazaniu energii fotonu elektronowi znajdującemu się na jednej z powłok elektronowych atomu, w wyniku czego zostaje on wybity unosząc przy tym energię kinetyczną równą energii padającej cząstki pomniejszonej o energię wiązania na danej powłoce. Następnie ten sam atom wyemituje kwant charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego lub elektron Augera. Rozpraszanie camptonowskie to nieelastyczne rozpraszanie fotonów na quasiswobodnych elektronach znajdujących się na zewnętrznych powłokach atomowych. W wyniku zderzenia część energii fotonu zostaje przekazana elektronowi, który uzyskuje pewną energię kinetyczną. W wyniku wielu rozproszeń czy też absorpcji energia fotonu może zostać całkowicie zdeponowana w liczniku.

budowa i zasada działania fotodiod typu pin


[img]

Rys. 1 Budowa fotodiody typu PIN


Używane przez nas fotodiody typu PIN to trójwarstwowe struktury krzemowe, składające się z cienkich, zewnętrznych warstw domieszkowanych typu p+ oraz n+ i stosunkowo grubej warstwy skompensowanej oznaczanej przez "i". W interesującym nas zakresie energii największe prawdopodobieństwo absorpcji będzie zachodziło w warstwie "i", którą możemy nazwać medium aktywnym fotodiody. Warstwy domieszkowane będą pełniły funkcję elektrod zbierających wygenerowany ładunek. Dostarczając elektronowi energii niezbędnej do wytworzenia pary elekron-dziura (dla krzemu jest to około 3,6 eV) spowodujemy przejście elektronu do pasma przewodnictwa i powstanie w paśmie walencyjnym dziury, którą to również będziemy mogli traktować jak nośnik prądu.

Wytworzony ładunek będzie następnie zbierany przez elektrody - zaobserwujemy impuls prądowy. Wytworzony ładunek będzie proporcjonalny do energii zdeponowanej w detektorze, całkując więc powstały impuls będziemy mogli określić energię padającego fotonu.

W celu zmniejszenia pojemności fotodiody (co korzystnie wpływa na jej charakterystykę szumową) a także zmniejszenia czasu zbierania ładunku i zwiększenia szerokości strefy absorpcyjnej, diodę polaryzuje się w kierunku zaporowym napięciem do kilkudziesięciu woltów. Przykładowy wpływ napięcia polaryzacji fotodiody na ekwiwalenty ładunek szumowy przedstawiony jest na wykresie 1.


p1

Wyk. 1 Zależność ENC od napięcia polaryzacji


elektronika odczytu

Zaprojektowanie odpowiedniej elektroniki odczytu stanowiło największe inżynierskie wyzwanie podczas budowy detektora. Ze względu na bardzo małą wartość wygenerowanego ładunku oraz brak wzmocnienia wewnętrznego a także czas trwania impulsu rzędu nanosekund będzie ona musiała być niezwykle czuła i szybka. Ponieważ zależy nam również na pomiarze energii kwantów promieniowania dodatkowo żądamy by używana elektronika była niskoszumna.


p1

Rys. 2 Schemat elektroniki odczytu


Całą elektronikę odczytu możemy podzielić na dwa bloki funkcjonalne: układ przedwzmacniacza oraz układ wzmacniający i kształtujący impulsy.

Przedwzmacniacz ładunkowy stanowi najczulszy punkt układu - ładunek docierający do wzmacniacza to jedynie kilka tysięcy elektronów. Dodatkowo, jakiekolwiek powstające tutaj zakłócenia będą wzmacniane w module kształtującym. Jest to układ całkujący, który w odpowiedzi na impuls prądowy formuje na wyjściu impuls o amplitudzie proporcjonalnej do niesionego przez impuls prądowy ładunku. Do jego budowy wykorzystaliśmy scalony wzmacniacz operacyjny OPA657 z tranzystorem typu JFET na wejściu, ze względu na bardzo dobre właściwości szumowe. Stosowany układ powinien cechować się dodatkowo możliwie szerokim pasmem przenoszenia, dużym wzmocnieniem i liniowością całkowania. Ponieważ wysokość impulsu otrzymywanego na wyjściu jest odwrotnie proporcjonalna do pojemności zapiętej w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza kondensator powinien mieć dopuszczalnie małą wartość. By nie dochodziło do nasycenia przedwzmacniacza wymagane jest okresowe rozładowywanie pojemności, rolę tę spełnia dołączony równolegle do kondensatora rezystor. Należy jednak pamiętać o tym, że rezystor ten będzie dodatkowym źródłem szumów w układzie. W celu ich minimalizacji zastosowano rezystor o oporności 1G Jednak z użyciem tak dużego rezystora związane jest pewne niebezpieczeństwo - może on prowadzić do "pełzania" poziomu napięcia stałego, co w rezultacie może nasycić układ.

Amplituda sygnału otrzymywanego na wyjściu wynosiła zaledwie kilka miliwoltów, wymagała więc dalszego wzmocnienia a także odfiltrowania szumów. Każdy sygnał posiada swoje naturalne widmo w dziedzinie częstotliwości na które nałożone jest widmo szumu. Stosując odpowiednie filtry jesteśmy w stanie znacznie zredukować zakłócenia co powoduje zwiększenie stosunku sygnału do szumu. W naszym rozwiązaniu zdecydowaliśmy się na filtr typu (CR)-(RC)3, o równych stałych czasowych dla każdego kolejnego filtra. Wkład do całkowitego szumu pochodzi od składowej prądowej jak i napięciowej, co ilościowo możemy wyrazić przy pomocy wzoru:

Wnioskujemy stąd, że odpowiednio dobierając stałe czasowe filtrów jesteśmy w stanie osiągnąć minimalizację szumów. Minimum to jest wyraźnie widoczne na wykresie 1. Optymalizacja ze względu na stałe czasowe filtrów jest tylko jedną z wielu możliwości optymalizacji, jednak w tym przypadku stosowanych przez nas rozwiązań okazuje się ona być metodą najprostszą i jednocześnie najbardziej skuteczną. Istnieje jednak możliwość dalszej optymalizacji układu.

osiągniete rezultaty


p1

Wyk. 2 Wartość ENC dla różnych fotodiod


Celem odpowiedniego doboru niskoszumnej fotodiody wykonano pomiary ekwiwalentnego ładunku szumowego (ENC) dla wielu różnych fotodiod, w zależności od napięcia ich polaryzacji oraz stałej czasowej układu wzmacniającego. Rezultaty widoczne są na wykresie 2. Na podstawie tych pomiarów do zastosowania w detektorze wybraliśmy fotodiodę SFH206K, której parametry szumowe okazały się być najlepsze.


p1

Wyk. 3 Widmo różniczkowe dla izotopu ameryku


Na wykresie 3 przedstawiamy zarejestrowane przez detektor widmo promieniowania pochodzące ze źródła 241Am. Widoczna jest wyraźnie linia promieniowania gamma o energii 59,5 keV, a także promieniowanie charakterystyczne Neptunu (linie 13-20 keV). Dodatkowo, w celu lepszego wyznaczenia krzywej kalibracji geometrię pomiaru wybrano tak, by obserwować fluorescencję rentgenowską pochodzącą od miedzi. Osiągnięta szerokość połówkowa (FWHM) dla linii o energii 59,5 keV wynosi 3,5 keV, co należy uznać za wynik niezwykle obiecujący jak na pierwsze osiągnięte rezultaty i prostotę zastosowanych rozwiązań. Krzywą kalibracji spektrometru pozwalającą na wyznaczenie energii kwantu promieniowania na podstawie amplitudy impulsu, a także potwierdzającą liniowość układu, przedstawiono na rysunku X.


p1

Wyk. 4 Prosta cechowania spektrometru


podsumowanie

Przeprowadzone próby zastosowania fotodiod typu PIN do detekcji promieniowania gamma i X pokazują że jest to rozwiązanie bardzo obiecujące, którego rozwijaniu warto poświęcić wiele uwagi. Ze względu na bardzo niski koszt budowy spektrometru, układ może być przykładowo wykorzystywany w pracowniach studenckich w ćwiczeniach gdzie nie jest wymagana wysoka zdolność rozdzielcza. Ze względu na małe rozmiary może też znaleźć zastosowanie w różnego rodzaju fantomach wykorzystywanych w medycynie. Dalsze prace nad układem będą miały na celu przede wszystkim zwiększenie zdolności rozdzielczej układu a także poprawę jego stabilności.


fotki


foto foto foto foto foto foto foto
autorzy

Autorami projektu są Bartłomiej Szpak oraz Szymon Kulis.


Copyright © 2004 - 2008 , wykonał: Szymon Kulis