Альфа-спектрометр та Бета-лічильник

Оскільки мавпи ще досі контролюють ЗАЕС і немає жодної причини чому б їм не хуякнути, виникає потреба у масових детекторах радіації. Маючи досвід Чорнобиля, в Україні є певний резерв дозиметричного обладнання (принаймні всі трубки гейгера на ебеї з України). Очікувано, що ціни на дозиметри при ядерній аварії полетять у космос і більшість людей їх не матиме. Через паніку і нерозуміння що відбувається, люди будуть боятися взагалі до будь чого торкатись. Принаймні так було у Японії після Фукусіми. Аби вирішити цю проблему, з'явився проект Pocket Geiger. Це приставка до телефона, що може вимірювати радіацію. Вона базується на X100-7 PIN фотодіоді і може дійсно вимірювати радіацію. Подібного роду детектор радіації я розглядаю нижче.

Три ремарки щодо цього проекту:

Для більшості людей, приблуда що шипить як Гейгер і має у назві слово "Гейгер" і є лічильником Гейгера. Це не так, але заміряти небезпечний рівень радіації вона може і напевно заспокоїть психіку.
Це не є замінником нормального дозиметра. Це показомір. Далі в деталях я розберу що він може виміряти, а що ні.
Якщо ви вирішили купити це японське чудо, то не робіль цього. Купіть краще дозиметр українського виробництва.
Якщо геть туго з фінансами, то моніторте цю мапу.

Вступ

Отже, зазвичай для вимірювання радіації використовують газорозрядні, сцинтиляційні або напівпровідникові детектори. До перших відносяться різноманітні трубки Гейгера і подібні. Вони потребують високої напруги і найбільш поширені і дешеві. Сцинтиляційні детектори є більш чутливими, можуть міряти дозу або спектр. Вони обов'язково мають сцинтиляційний кристал (NaI(Tl) найпоширеніший) і фоточутливий елемент (фотопомножувач). На цьому сайті є кілька статей про мої потуги зробити сцинтиляційний гамма-спектрометр на SiPM. Напівпровідникові детектори можуть бути примітивними (як от тут) і дешевими, або дуже дорогими, кріоохододжуваними детекторами.

В якості детектора у цьому проекті я буду використовувати PIN (positive-intrinsic-negative) фотодіод, що задуманий для детектування світла. PIN значить, що світлодіод має нелеговану зону, де може задетектуватись фотон, а у нашому випадку альфа чи бета частинку. Фотодіоди були запропоновані у якості детекторів радіації ще у 60-70х роках. У 1983 Dousse i Rhême показали, що за допомогою фотодіода можна робити точну альфа спектроскопію з розширенням у 18 кеВ (FWHM) у вакуумі (типове середовище для альфа спектрометрії) і з крутим ядерним інструметарієм.

В проекті я використовуватиму два типи фотодіодів: BPX61 та BPW34. Це ідентичні по оптичним параметрами фотодіоди, але у різному корпусі. Напевно це один і той самий кристал. Площа кожного світлодіода складає 7 mm². На заміну BPW34 підходить BPW34F. Це такий же фотодіод, але з фільтром у видимому світлі, що спрощує задачу по затемненню (фотодіоди мають праювати у темряві). BPX61 є трохи дорожчим, але він потрібен лише для альфа спектрометра. Його особливістю є те, що можна з легкістю розтрощити вхідне вікно і дістатись голого кристалу. BPW34 має пластиковий вікно-захист і альфа частинки не проходять через нього.

Що можна задетектувати цією п*здулінкою?

Це залежить від товщини нелегованого шару. Товщина залежить від зворотньо прикладеної напруги до світлодіода. Ця товщина оцінюється за формою плоского конденсатора. Для цього треба виміряти ємність світлодіода за робочої напруги. Чим більша напруга, тим менша ємність і тим більша товщина цієї зони. Але зі збільшенням напруги зростає і темний струм, а отже і шум детектора. Детальніше це описано тут. Звідти ж я взяв деякі графіки.

Товщина збідненого шару як функція прикладеної зворотньої напруги

Для нашої схеми, прикладена зворотня напруга є 8 Вольт, а отже збіднений шар є товщиною десь 50 мікрон. Це не густо. Якщо взяти гамма випромінювання, то чутливість як функція енергії гамма кванту наведена на малюнку знизу. Криві подані для різних товщин збідненого шару. При 50 мікронах, маємо майже нульову чутливість.

При товщині збідненого шару в 100 мікрон, детектуєтсья меше 1% фотонів з енергією більше 100 кеВ.

А от заряджені частинки сильно взаємодіють з кремнієм і досягають певної глибини, залежно від енергії. Альфа частинки швидко втрачають свою енергію у 50 мікронах і тому ми можемо детектувати енергії цих частинок до 8 МеВ. А от електронів лише до 200 кеВ (у кращому випадку). Це не означає що електрон в 1 МеВ не буде задетектований. Він буде задетектований, але у цьому малому об'ємі він зможе віддати/втратити не більше 200 кеВ. Тому спектрометрія електронів не можлива, але можна їх рахувати.

Втрачена в тілі детектора енергія іде на утворення електрон-діркових пар, що дрейфуючи до свої електродів створюють струм котрий можна підсилити і перетворити у пульс з напругою пропорційній витраченій енергії.

До діла

Схема проста і складається з двох частин: підсилювач заряду і підсилювач напруги. Подивіться відео або перевірте сторінку проекту, якщо треба деталі.

Імплементація

Я не намагався зробити закінчений прилад. В мене получився щось накшталт лабораторного стенду. У коробочку я встановив батарейку на 9В (три CR3032), вмикач і вихідний сигнал. Модуль бета-лічильника змінюється модулем альфа спектрометра. Для оцифровки використовую 16 бітну зовнішню звукову карту з перепаяним гніздом. Тут і аудіо кабелі і аудіо гнізда підійшли б, але у мене не було під рукою підходящих.

Схему я дотримувався оригінальної окрім інтегруючого конденсатора С1, С2. У схемі бета лічильника моя схема осцилювала, тому я його збільшив до 39 пФ, а у альфа спектрометрі не ставив взагалі (велика паразитна ємність).