Делаем сами сцинтилляционный спектрометр из… радиометра
Весной меня отправили на карантин и появилось немного времени, что бы спаять что-нибудь интересное. Выбор пал на вот это устройство.
Конечно же хотелось расширить возможности радиометра и узнать, какие же конкретно радиоактивные изотопы подстерегают меня в повседневной жизни в г. Киев, который находится уж очень близко к ЧЗО.
В статье расскажу, как собирал прибор и что поменял в схемотехнике и прошивке.
Первым делом нужно заказать платы. В материалах к исходной статье есть гербер файлы, поэтому все просто. Заказ сделал на PCBWay и JLCPCB, чтобы сравнить качество. Первый рекомендовать не могу: доставка заняла 3 месяца, крепежные отверстия на платах оказались меньше, чем нужно. Из 5 системных плат 2 оказались бракованными (о чем они мне сообщили в письме). C JLCPCB все вышло хорошо и придраться не к чему.
Компоненты заказывал на Mouser и наборы конденсаторов и резисторов на Али (лень стало подбирать все по емкости и решил просто заказать набор). В качестве SiPM использовал MicroFC 60035 — это самая дорогая часть устройства. На момент заказа стоила 70 долларов на Mouser. С более мелким и дешевым 30035 решил не связываться, испугавшись, что припаять и собрать его будет сложнее.
Вторым главным компонентом устройства, кроме фотоприемника, является сцинтилляционный кристалл. И здесь большое поле для модификаций. Найти используемый автором CsI(Tl) маленьких размеров дешевле 90 долларов мне не удалось. Поэтому остановился на NaI(Tl) 10×40мм c ебея за 32 доллара с доставкой. Поиск такого кристалла — это само по себе увлекательное занятие, здесь главное не спешить. Все поисковые запросы в гугле вели меня к Евгению с Украины, но прозрачных кристаллов для спектрометрии у него просто нет. Все, что он присылал имело неприятный желтый оттенок урины.
И вот, все детальки и платы пришли, можно начинать паять. Первым делом решил спаять аналоговую плату. Здесь все без приключений, главное не забыть припаять резистор, место под которое не разведено (внимательно читаем советы по сборке к оригинальной статье).
В системную плату пришлось внести следующие изменения: По даташиту LM2733Y, выходное напряжение не зависит от входного, соответственно подстраивать нечего. Берем из того же даташита формулу R1 = R2 X (VOUT/1.23 − 1) и из того, что нашлось, ставим R13 = 1.8K, R12 = 12K, R11 = 300K. На выходе стабильно 28.18В (пробовал подавать 2.5В, 5В — на выходе все стабильно). После подключения дисплея устройство стало выдавать намного большее число импульсов, чем есть на самом деле. Исправить удалось изменением цепи питания дисплея: вход переключателя DA6 подключаем ко входу DA3. На выходе DA6 ставим преобразователь на 5В (у меня под рукой оказался pololu cj7032) и уже от него питаем дисплей. При таком подключении все помехи сразу ушли.
В качестве дисплея взял nx4024t032: он меньше, дешевле, меньше потребляет и главное, был доступен в локальном магазине. Прошивку я все равно планировал менять, об этом ниже.
После пайки отмывал схемы изопропиловым спиртом в УЗ ванне. После спирта стоит отмыть дистиллированной водой в той же ванне и просушить в духовке при температуре около 70-80 градусов.
Теперь пришла пора сделать самое интересное: подключить датчик и посмотреть, что же получится. MicroFC 60035 почти идеально припаивается к куску макетной платы 3×3 отверстия: лудим угловые отверстия и припаиваем датчик феном. С обратной стороны макетки припаиваем провода. Вот так это выглядит.
Вот так выглядит кучка плат и деталек без корпуса.
Внимательный читатель может заметить, что процессор я взял STM32L152CBT6A — чуть больше памяти и доступен локально.
Корпус сделал в Fusion 360 и напечатал на 3D принтере. Вот ссылка на проект.
Вот так все выглядит уже в сборе:
Настало время для самого интересного — изменений в прошивке. Мы же хотим сделать именно сцинтилляционный детектор, а не просто радиометр. Для этого нам понадобится использовать DMA с ADC (ADC в этом процессоре один, но есть переключатель входов). А входов у нас два: SP и вольтаж батареи. DMA нужно для ускорения всего процесса. Так же хочу обратить внимание на количество циклов измерений ADC_SampleTime, при 48 и более у меня ничего не получилось. 4 цикла показали наиболее стабильный результат.
Меняем код инициализации ADC следующим образом:
Теперь нам нужно попросить контроллер сделать измерения сигнала каждый раз, когда мы видим импульс на входе TRIG:
Здесь мы запускаем измерение, увеличиваем счетчик импульсов и сохраняем полученный результат измерения в массив для дальнейшей обработки и вывода на экран.
Кроме этого, в прошивке поменял назначение кнопок: вверх/вниз изменяет яркость дисплея, кнопка меню показывает спектр, последняя кнопка включает и выключает звук. Экрана у нас только два: основной поисковый экран с графиком интенсивности счетных импульсов и пустой экран для вывода спектрограммы. Спектрограмму выводим сразу в линейном и логарифмическом масштабе, так удобнее смотреть.
Вот такие так выглядят спектрограммы фона и америций-241 из датчика дыма.
На спектре от бананов (первое изображение в статье) можно увидеть еле заметный калиевый бугор, но без свинцового домика измерить его очень проблематично.
Модифицированные прошивка дисплея и микроконтроллера доступны на Google Drive.
При создании устройства мне пригодились следующие материалы:
Источник
Делаем сами сцинтилляционный радиометр. Часть 1, аппаратная
В предыдущей статье я немного показал в работе самодельный сцинтилляционный радиометр. Прибор заинтересовал публику и в связи с этим выходит данная статья, описывающая радиометр изнутри.
Что это и зачем
Подавляющее большинство дозиметров и радиометров «карманного» формата представляют собой приборы на основе счетчика Гейгера. У данного типа детектора есть свои достоинства, главные из которых — простота и дешевизна, но и целый ряд недостатков. В первую очередь это — очень низкая эффективность регистрации гамма-квантов и полное отсутствие информации об их энергии. Счетчик Гейгера фиксирует лишь один гамма-квант из нескольких сотен, тогда как сцинтилляционный детектор на низких энергиях дает почти 100% эффективность. В результате, при естественном фоне при одинаковых габаритах детекторов, когда счетчик Гейгера дает лишь 10-15 импульсов в минуту, сцинтиллятор дает столько же импульсов, но в секунду. Таким образом, чтобы получить хоть какое-то представление о мощности дозы, мы должны потратить на набор импульсов, как минимум, минуту со счетчиком Гейгера, а со сцинтиллятором можем получать информацию о радиационной обстановке ежесекундно. Так что сцинтилляционный детектор нам дает прежде всего быстроту реакции на слабые источники радиоактивности.
Кроме этого, сцинтилляционный детектор обладает свойством пропорциональности. Чем выше энергия частицы, тем больше амплитуда импульса на выходе детектора. Для чего это нужно? Во-первых, так мы получаем информацию о том, что является источником излучения. Каждый радиоактивный изотоп обладает своей характеристической энергией гамма-излучения (или набором энергий). На этом основан метод гамма-спектрометрии. В данном приборе значение средней поглощенной энергии на квант будет выводиться на экран (пока не сделано).
Во-вторых, если мы просто считаем импульсы без учета энергии, мы получаем неприятную вещь под названием «ход с жесткостью». Допустим, мы откалибровали свой радиометр по цезию-137. А потом оказались в месте, зараженном америцием-241. Энергия кванта цезия-137 — 667 кэВ, америция — 59 кэВ, то есть более чем на порядок меньше. А значит, при одинаковом количестве уловленных детектором частиц (а значит, и при одинаковых показаниях прибора) поглощенная доза окажется более чем на порядок меньше. То есть измерения окажутся ошибочными. И чтобы радиометр измерял дозу правильно при разных энергиях (то есть, был дозиметром), нужно учитывать энергию каждого зарегистрированного кванта.
Портативные сцинтилляционные радиометры-дозиметры существуют на рынке давно. Но по большей части это очень дорогостоящие приборы для профессионального использования. Я знаю только об одном приборе, ориентированном на домашнее и любительское применение — это Atom Fast производства КБ «Радар». Остальные — приборы фирмы «Полимастер», ряда зарубежных компаний — стоят очень дорого.
В данном приборе я хотел получить следующее:
- Автономную работу без привязки к смартфону или иному устройству с собственным дисплеем (в отличие от Atom Fast);
- Попытаться сделать энергокомпенсацию;
- Автоматическую регистрацию измерений на съемный носитель, в перспективе с картографической привязкой;
- Культурный внешний вид, не особо выдающий самодельное происхождение всяким разным ищейкам и вахтерам.
В итоге получился описанный прибор. Он еще не закончен, работы еще достаточно, особенно с программным обеспечением.
Основные функции
Радиометр работает в одном из двух режимов: поисковом и измерительном. В поисковом режиме показания прибора обновляются каждую секунду, при этом помимо показаний в цифровом виде они выводятся в виде графика. В поисковом режиме не уделяется внимания погрешностям, в этом режиме прибор – прежде всего индикатор. На экран выводятся: текущая мощность дозы, значение скорости счета в импульсах в секунду (CPS), а также мощность дозы, усредненная за последнюю минуту и интегральная доза, накопленная после включения прибора или после сброса. В измерительном режиме, напротив, время измерения задается оператором (нажатием кнопки «Enter» для начала, а затем для окончания измерения), а на экран выводится вместе с измеренной величиной и расчетная погрешность, а в его «подвал» — мини-журнал нескольких последних измерений. Кроме того, в измерительном режиме сделана первая попытка учитывать энергию квантов и компенсировать «ход с жесткостью». Измерительный режим находится в глубоком under construction’е и в приведенной версии прошивки его пока нет.
Независимо от режима продолжается ежесекундный цикл измерений с сохранением результатов в оперативную память. В частности, благодаря этому при переходе в режим поиска на графике отображаются показания, бывшие во время пребывания прибора в режиме измерения, а также во время заходов в меню и т.п. Независимо от режима работает и сигнализация превышения порогов.
В последней есть три порога. Традиционные первый и второй – устанавливаются через меню по желанию оператора и при их срабатывании по результатам очередного секундного цикла счета звучит звуковой сигнал. Кроме них есть еще адаптивный порог. Он автоматически задается по среднему уровню за минуту, устанавливаясь на одну-две-три сигмы (можно выбрать в настройках) от него. Если в очередном цикле произошло срабатывание по этому порогу, для следующего цикла берется значение из предыдущего цикла, благодаря чему при медленном, но уверенном росте радиации достигается устойчивое срабатывание сигнализации. В последующем будет реализован журнал срабатываний сигнализации, но пока его нет.
Пока не реализовано и сохранение результатов измерений на MicroSD-карту, разъем для которой смонтирован на плате радиометра. На ней предусмотрено также подключение модуля GPS, задействование которого – также дело будущего.
Переключение режимов и оперативное изменение некоторых настроек сделано через «горячие клавиши», остальные операции – с помощью меню. Заход в меню, как уже говорилось, не останавливает процесс измерений.
Общий план устройства
Радиометр смонтирован в стандартном корпусе из «Чип-и-Дипа» Gainta G1389G размером 122х77х25 мм. На верхней его панели расположен цветной ЖК дисплей размером 3,5″ и разрешением 480х320 точек. В качестве дисплея использован HMI-модуль Nextion NX4832T035, отличающийся от обычных дисплеев наличием собственного микроконтроллера, который содержит готовую программу для отображения элементов интерфейса, а нам нужно лишь посылать ему команды отобразить их, убрать или изменить — например, поменять те или иные циферки, нарисовать очередную точку на графике или поменять цвет той или иной надписи. Под дисплеем расположена клавиатура из пяти кнопок. Ниже клавиатуры оставлено место для GNSS приемника. На верхнем торце расположен сцинтилляционный детектор.
Красными цифрами обозначено: 1 — дисплейный модуль, 2 — клавиатура, 3 — детектор, 4 — аналоговая плата, 6 — системная плата.
Электронная схема прибора (не считая дисплея и навигационного приемника, а также клавиатуры) собрана на двух печатных платах. На первой собрана аналоговая часть прибора, на второй — все остальное: микроконтроллер с обвязкой, цепи питания и его коммутации, зарядки аккумулятора и источник высокого напряжения для детектора.
Детектор
В качестве детектора в радиометре используется сцинтилляционный кристалл йодида цезия, активированный таллием. Данный кристалл обладает свойством радиолюминесценции – заряженные частицы и фотоны высокой энергии (рентгеновского и гамма-диапазона) возбуждают в нем свечение, причем свет испускается в виде короткой, около микросекунды, вспышки света – сцинтилляции. Эта вспышка слишком слаба, чтобы ее можно было увидеть глазом или обнаружить обычным способом. Фотоэлементы, фотодиоды и фоторезисторы слишком малочувствительны для этого. Чтобы оценить масштаб бедствия, приведу следующие цифры.
Гамма-квант с энергией 1 МэВ, полностью поглотившись в кристалле CsI(Tl), порождает примерно 40 000 фотонов зеленого света. Пусть мы попытаемся этот свет уловить фотодиодом. Допустим, все они попадут на фотодиод (на самом деле, это нереально и хорошо если на него попадет лишь половина от них). И еще допустим, что фотодиод у нас идеальный, с квантовым выходом 100%. Это значит, что каждый из фотонов создаст в структуре фотодиода одну электронно-дырочную пару. И за импульс мы получим 40 000 фотоэлектронов. А длится этот импульс, как мы в курсе, 1 мкс. Значит, в секунду у нас будет 4∙10 10 фотоэлектронов. Заряд электрона – 1,6∙10 -19 Кл, а заряд 4∙10 10 фотоэлектронов – 6,4 ∙10 -9 Кл, то есть сила тока, которую вспышка сцинтилляции вызовет в нашем фотодиоде – всего лишь несколько наноампер! А если вспомнить о том, что и фотоны не все попадают на фотодиод, и квантовый выход у него не 100%… Да к тому же мегаэлектронвольт – это энергия достаточно жесткого гамма-излучения, а нам неплохо было бы видеть и значительно более низкие энергии. В общем, фотодиоды нам здесь практически не годятся. Вернее, годятся — но с очень большим трудом.
Обычно для улавливания таких слабых импульсов света применяли (и сейчас применяют) фотоэлектронные умножители. В них каждый фотоэлектрон, выбитый из фотокатода, размножается на системе динодов, давая усиление в миллионы раз, и импульс тока на его аноде составляет уже не нано-, а миллиамперы, и зарегистрировать такой импульс уже не составляет труда. Но ФЭУ – это солидных габаритов хрупкий стеклянный баллон, это киловольты питания, требующие вдобавок высокой стабильности. В общем, он плохо представим в приборе карманных размеров.
К счастью, сейчас появились полупроводниковые фотоприемники, способные соперничать по чувствительности с ФЭУ. Кто сказал – лавинные фотодиоды? Да, это почти что они. Только лавинные диоды, хоть и обладают внутренним усилением фототока за счет лавинного размножения носителей, имеют ряд технологических проблем, не позволяющих сделать чувствительную площадку диаметром хотя бы в несколько миллиметров. К тому же у классического лавинного диода коэффициент лавинного усиления без сложных ухищрений всего 10-200, что по сравнению с характерным для ФЭУ миллионократным усилением – мизер. Все эти недостатки лавинного фотодиода устранены в недавно появившихся на рынке Si-ФЭУ или SiPM. Они по сути представляют собой матрицу из множества лавинных фотодиодов, работающих в предпробойном режиме, в котором единственный фотон способен спровоцировать развитие лавинного пробоя. Этот режим подобен работе счетчика Гейгера. Каждая из ячеек имеет свою схему гашения, за счет которой лавинный пробой немедленно прекращается и ячейка становится вновь готова к регистрации нового фотона. Все ячейки (со своими схемами гашения) соединены на кристалле Si-ФЭУ параллельно, и протекающие через них импульсы тока суммируются, так что средний ток оказывается пропорционален освещенности кристалла. И использовать такой кремниевый ФЭУ очень просто – достаточно подать на него обратное смещение – около 28-29 В через резистор сопротивлением в несколько килоом, с которого и снимать сигнал. Больше ничего не нужно – ни киловольтного источника питания, ни делителя для динодов. И сам Si-ФЭУ – это маленький квадратик кремния размером 3х3 или 6х6 мм. Кстати, если снять с него обратное смещение или снизить его до нескольких вольт, он работает, как обыкновенный фотодиод.
Итак, в нашем детекторе используется Si-ФЭУ и кристалл CsI(Tl), между которыми нанесен слой оптической смазки для устранения воздушной прослойки между кристаллом и окном фотоприемника. А сверху кристалл и Si-ФЭУ покрыты множеством слоев тонкой фторопластовой пленки, известной, как ФУМ-лента. Такое покрытие обладает очень высоким коэффициентом диффузного отражения. Сверху детектор покрыт алюминиевым скотчем, обеспечивающим защиту от внешнего света и герметизацию – кристалл йодида цезия чрезвычайно легко растворяется в воде и попадание в детектор малейших следов влаги привело бы к его разрушению. К счастью, в отличие от своего «родственника» — йодида натрия, CsI практически не обладает свойством гигроскопичности – то есть он не притягивает влагу из воздуха. Кристаллы йодида натрия приходится обрабатывать только в среде абсолютно сухого инертного газа и помещать их в столь высокогерметичные контейнеры, как будто в них нужно было бы создавать сверхвысокий вакуум, а на обычном воздухе они просто расплываются на глазах. И наоборот, йодид цезия в виде монокристаллов можно спокойно обрабатывать на воздухе (например, пилить обыкновенной ножовкой по металлу и шлифовать шкуркой), избегая лишь попадания следов жидкой воды и помня, что в состав кристалла входит крайне токсичный таллий. Впрочем, из-за малости его количества острая (но не хроническая!) токсичность будет определяться йодом, а не таллием.
Я не буду давать советов по самостоятельному изготовлению детектора, так как не занимался им (готовый детектор мне любезно предоставил их разработчик и производитель KBRadar в обмен на некоторые ценные для электронщиков артефакты), приведу лишь его параметры. Они такие: размеры кристалла 8х8х50 мм, в качестве фотоприемника – Si-ФЭУ MicroFC 30035 ирландской фирмы SensL (теперь это подразделение On Semi). А разнообразные советы по изготовлению можно найти в сети. С некоторым увеличением габаритов, можно взять стандартный кристалл CsI(Tl) или NaI(Tl) в «родной» упаковке небольших размеров (10×40, 18×30 мм, и т.п.). Правда, чем больше размер выходного окна, тем хуже будет работать фотоприемник с размером 3х3 мм, так что настоятельно рекомендую взять при диаметре выходного окна больше 10 мм более крупный (и значительно более дорогой) MicroFC 60035. Кстати, аналоги этих фотоприемников фирмы Broadcom настоятельно не рекомендуется использовать. Помимо совершенно неудобоваримого для домашней пайки корпуса (WLCSP-16) у них еще и почти на порядок больший уровень шума.
Кристаллы CsI (Tl) обрабатывались следующим образом. У всех образцов боковая поверхность матировалась. Шлифовка торцов производилась сначала на тонкой наждачной бумаге, а затем на шелковой материи. Для лучшей шлифовки использовалась окись церия, разведенная в этиловом спирте. При шлифовке достигалась прозрачность стекла. Если необходимо было сокращать кристалл на большие толщины, то он просто распиливался нитью, смоченной в воде. Затем производилась обработка в той же последовательности.
(Горбунов В.И., Кулешов В.К. К вопросу о выборе оптимальных размеров сцинтилляторов для дефектоскопии изделий // Изв. Томского политехнического института. 1965. Т.138. С.42-48.)
Аналоговая часть
Схема ее приведена на рисунке выше. Она состоит из следующих основных узлов:
- Входная цепь;
- Компаратор;
- Пиковый детектор.
Детектор подключается к входному разъему XP1. Катод Si-ФЭУ – к контакту 3 (HV), анод – к контакту 1 (DET), а к контакту 2 (GND) подключается металлический металлический экран детектора – его обертка из алюминиевого скотча.
Входная цепь состоит из нагрузочного сопротивления детектора R2 и токоограничительного сопротивления R1, которое попытается защитить детектор в случае неприятностей вроде случайной подачи слишком высокого напряжения обратного смещения или ошибочной подачи вместо него напряжения обратной полярности, наконец – при неправильном подключении самого детектора. Вместе с емкостью кремниевого ФЭУ (примерно 900 пФ), они формируют импульсы напряжения с длительностью нарастания около 1 мкс и длительностью спада около 15 мкс. Перед подачей на вход компаратора сигнал пропускается через конденсатор емкостью 470 пФ, развязывающий цепи по постоянному току и вместе с входным сопротивлением делителя R3R5R6 укорачивающий импульс до 2-3 мкс.
В качестве компаратора применена микросхема LMV7239, сочетающая малое потребление с достаточно высоким быстродействием ( Поделиться ссылкой:
Источник