Pomiar promieniowania radioaktywnego poprzez złącze p-n

[RobertG]

Niedawno opisałem na Forbocie mój projekt pomiaru promieniowania radioaktywnego przy użyciu komory jonizacyjnej, w tym wpisie zaprezentuję inną metodę opartą o złącze p-n. Metoda ta ma kilka plusów:

• w porównaniu do licznika GM, nie potrzebne jest wysokie (rzędu 400V DC) napięcie polaryzacyjne, odpada więc konieczność budowy przetwornicy
• w porównaniu do licznika GM, brak jest tuby GM, więc urządzenie może być mniejsze, w dodatku pomiar może być bardziej punktowy, bo sam sensor jest mały w porównaniu do tuby GM
• w porównaniu do komory jonizacyjnej, urządzenie jest prostsze, bo wzmacniane sygnały mają dość dużą amplitudę, nie potrzeba kosmicznych wartości rezystorów 🙂.

Urządzenie opisane tutaj, podobnie, jak licznik GM zlicza impulsy, poziom promieniowania jest tym większy, im więcej impulsów w danym, stałym czasie (przykładowo 60 sekund). Sensorem jest fotodioda BPW34, by zapewnić większą powierzchnię roboczą, trzy fotodiody są połączone równolegle. Poniżej zaprezentowany jest schemat blokowy (wykonany w LaTeXu).

 

STM32 zajmuje się liczeniem impulsów i ich wysyłaniem ich ilości co 60 sekund, prócz tego posiada wyświetlacz, na którym rysowany jest wykres ilości impulsów w funkcji czasu. Po stronie Raspberry znajduje się cale przetwarzanie danych, którego efektem są diagramy wykonane w R. Dopiero później zrozumiałem, że wykresy, które mnie interesują to wykresy pudełkowe, więc tutaj niestety dla każdej próbki mam wykres z ilością impulsów i ich histogramem.

Poniżej znajdują się zdjęcia przed-przedostatniej, przedostatniej i aktualnej wersji.

Tu jako ciekawostkę dodam, że przedostatnia wersja nie miała komparatora, analogowe wyjście podpiąłem do oscyloskopu (Rigol DS1054z), ustawiłem trigger, a wyjście ext-trigger wpiąłem do STM'a. To działało całkiem dobrze, chociaż faktem jest że używanie oscyloskopy jako komparatora to overkill 🙂

Poniżej załączam schemat urządzenia. 

Wzmacniacz U1, to OPA657U, a U2 to OPA656U. Nie chciało mi się rysować dla nich elementów, więc użyłem podobnej kostki o tym samym rozkładzie pinów. Rezystor R4 ma wartość 1G, to dość duża wartość i ciężko było mi znaleźć takie rezystory, ale udało się na Aliexpress.

Ważą kwestią jest ekranowanie, dlatego urządzenie znajduje się w metalowej obudowie, tam, gdzie znajduje się sensor, wywiercona jest w obudowie dziura, która jest zalepiona samoprzylepną folią aluminiową, bo gruba metalowa obudowa tłumiłaby promieniowanie zbyt mocno. Do środka nie może przedostawać się światło, bo zafałszuje to dane z czujnika.

Ponieważ sygnał z komparatora ma logikę 12V, a STM32 oczekuje 3V3, zrobiłem taki konwerter, jak poniżej.

Poniżej znajdują się pomiary dla busoli z farbą radową.

Poniżej znajdują się wyniki dla elektrod z torem.

Poniżej znajduje się pomiar tła.

Projekt znajduje się na GitHubie i dostępny jest pod tym linkiem.

Edytowano Listopad 24, 2019 przez RobertG

[crbjsfso]

Zastanawiałeś się może, czy nie użyć do zasilania ogniw Li-Ion 18650 wraz z na przykład takim modułem?

[RobertG]

@crbjsfso takie ogniwa plus moduł o którym piszesz, do zasilania by się nadały, ale nie myślałem na razie nad przenośną wersją 🙂 Urządzenie jest zasilane z zasilacza laboratoryjnego.

Widoczne na zdjęciu baterie na schemacie są oznaczone jako "photodiode bias", służą one tylko do polaryzacji fotodiod, więc nie pobierany jest praktycznie żądny prąd, czyli baterie wytrzymają tak długo, aż rozładują się same. Zastosowałem baterie, a nie zasilacz, bo zasilacz wprowadzałby tętnienia, a to pierwszy stopień, wzmacniacza, gdzie wzmocnienie jest bardzo duże, więc i te tętnienia byłyby niepożądane.

 

Edytowano Listopad 26, 2019 przez RobertG

[marek1707]

3 godziny temu, RobertG napisał:

Zastosowałem baterie, a nie zasilacz, bo zasilacz wprowadzałby tętnienia

Ale ponieważ to napięcie służy tylko do polaryzcji wstecznej diodek (bo prądu generowanego przez kwanty można nie liczyć rzecz jasna) to łatwo możesz zrobić dowolnie dobry filtr i o problemie "tętnień" zapomnieć. Piszę w cudzysłowie, bo w praktyce tętnieniami nazywa się raczej pozostałości 50 lub 100Hz z sieci AC. Przetwornice generują raczej szerokopasmowe zakłócenia sporo wyżej, co jeszcze bardziej ułatwia zrobienie filtra. O ile pamiętam mój czujnik dostał w tym miejscu jakąś malutką przetwornicę w topologii "inverter" robiącą z +5V (tylko) -7V i dwuczłonowy filtr RC typu 1k/1u+100n/10k/100n+100p czy coś koło tego. Działa rewelacyjnie i nie widzę istotnego wzrostu poziomu szumów gdy bias jest lub go nie ma. Nawiasem mówiąc procesy chemiczne w bateriach też szumią i to nieźle więc te 100nF to jakoś tak maławo wydaje się. Ponieważ impedancja źródła (baterii) jest mała to to 100n niewiele może zdziałać. Dałbym tam jeszcze z 10uF a wcześniej szeregowo z baterią jakiś opornik szeregowy rzędu 1k. Mierzyłeś szumy przy różnych sposobach polaryzacji diod?

O ile te pierwsze wykresy jeszcze rozumiem, to jak rozumieć drugie z każdej pary? Co znaczy "counts" na osi poziomej? Czy rozumieć to jako "counts per sec" np?

Dlaczego robisz tak prostą dyskryminację amplitudy przez zwykły komparator?  Czy próbowałeś oglądać amplitudę sygnałów na wyjściu filtra? Czy nie kusiło CIę zrobienie detektora szczytowego (analogowego lub już po stronie cyfrowej) i pomiar wysokości/energii? U mnie to działa 🙂

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[RobertG]

21 godzin temu, marek1707 napisał:

O ile te pierwsze wykresy jeszcze rozumiem, to jak rozumieć drugie z każdej pary? Co znaczy "counts" na osi poziomej? Czy rozumieć to jako "counts per sec" np?

Na dolnym wykresie znajduje się histogram tego, co jest na górnym wykresie. Ten histogram jest bardzo sensowny.

21 godzin temu, marek1707 napisał:

Dlaczego robisz tak prostą dyskryminację amplitudy przez zwykły komparator?  Czy próbowałeś oglądać amplitudę sygnałów na wyjściu filtra? Czy nie kusiło CIę zrobienie detektora szczytowego (analogowego lub już po stronie cyfrowej) i pomiar wysokości/energii? U mnie to działa 🙂

Tak, myślałem o tym, ale po zbudowaniu i uruchomieniu, projekt mi się znudził i zająłem się kolejnym - opisaną na Forbocie komorą jonizacyjną 🙂

[marek1707]

1 godzinę temu, RobertG napisał:

Ten histogram jest bardzo sensowny

Tak, histogramy sa jak najbardziej sensowne. Dla łatwiejszego zrozumienia oś pozioma powinna być w takim razie opisana jako "counts per minute" bo samo "counts" wprowadza w błąd. A tak w ogóle to fajny projekt 🙂