পোর্টেবল রেডিয়েশন ডিটেক্টর: 10 টি ধাপ (ছবি সহ)

2024 লেখক: John Day | [email protected]. সর্বশেষ পরিবর্তিত: 2024-01-30 08:02

তেজস্ক্রিয় উৎস থেকে আসা কম শক্তির গামা-রশ্মিকে সঠিকভাবে পরিমাপ করার জন্য 5keV-10MeV সনাক্তকরণের পরিসরের জন্য উপযুক্ত আপনার পোর্টেবল সিলিকন ফটো-ডায়োড রেডিয়েশন ডিটেক্টর ডিজাইন, নির্মাণ এবং পরীক্ষা করার জন্য এটি একটি টিউটোরিয়াল! যদি আপনি রেডিও-অ্যাক্টিভ জম্বি হতে না চান তবে মনোযোগ দিন: উচ্চ-বিকিরণের উত্সগুলির কাছাকাছি থাকা নিরাপদ নয় এবং এই ডিভাইসটি সম্ভাব্য ক্ষতিকারক বিকিরণ সনাক্ত করার একটি নির্ভরযোগ্য উপায় হিসাবে ব্যবহার করা উচিত নয়।

আসুন আমরা এর নির্মাণের দিকে যাওয়ার আগে ডিটেক্টরের উপর একটু ব্যাকগ্রাউন্ড সায়েন্স দিয়ে শুরু করি। উপরে ভেরিটাসিয়াম থেকে একটি বিস্ময়কর ভিডিও ব্যাখ্যা করে যে বিকিরণ কি এবং এটি কোথা থেকে আসে।

ধাপ 1: প্রথমত, প্রচুর পদার্থবিদ্যা

(চিত্র কিংবদন্তি: আয়নাইজিং বিকিরণ অভ্যন্তরীণ অঞ্চলে ইলেক্ট্রন-গর্ত জোড়া গঠন করে যার ফলে চার্জ পালস হয়।)

স্পার্ক চেম্বার, গিগার, এবং ফটো-মাল্টিপ্লায়ার টিউব ডিটেক্টর… এই সব ধরনের ডিটেক্টর হয় কষ্টকর, ব্যয়বহুল অথবা কাজ করতে উচ্চ-ভোল্টেজ ব্যবহার করে। কিছু নির্মাতা-বান্ধব Geiger টিউব প্রকার আছে, যেমন https://www.sparkfun.com/products/retired/11345 এবং https://www.adafruit.com/product/483। বিকিরণ সনাক্তকরণের অন্যান্য পদ্ধতি হল সলিড-স্টেট ডিটেক্টর (যেমন জার্মেনিয়াম ডিটেক্টর)। যাইহোক, এগুলি উত্পাদন ব্যয়বহুল এবং বিশেষ সরঞ্জাম প্রয়োজন (তরল নাইট্রোজেন কুলিং!)। বিপরীতে, সলিড-স্টেট ডিটেক্টরগুলি খুব সাশ্রয়ী। এগুলি ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় এবং উচ্চ-শক্তি কণা পদার্থবিজ্ঞান, চিকিৎসা পদার্থবিজ্ঞান এবং জ্যোতির্বিজ্ঞানে অপরিহার্য ভূমিকা পালন করে।

এখানে, আমরা একটি পোর্টেবল সলিড-স্টেট রেডিয়েশন ডিটেক্টর তৈরি করি যা তেজস্ক্রিয় উৎস থেকে আসা কম শক্তির গামা-রশ্মিকে সঠিকভাবে পরিমাপ করতে এবং সনাক্ত করতে সক্ষম। ডিভাইসটি বিপরীত পক্ষপাতপূর্ণ বৃহৎ পৃষ্ঠ-এলাকা সিলিকন PiN ডায়োডগুলির একটি অ্যারে নিয়ে গঠিত, যা একটি চার্জ প্রি-এম্প্লিফায়ার, একটি ডিফিডেনটর এম্প্লিফায়ার, একটি বৈষম্যমূলক এবং একটি তুলনাকারীর আউটপুট। সমস্ত ধারাবাহিক পর্যায়ের আউটপুট বিশ্লেষণের জন্য ডিজিটাল সিগন্যালে রূপান্তরিত হয়। আমরা সিলিকন পার্টিকেল ডিটেক্টর, পিআইএন ডায়োড, রিভার্স বায়াসিং এবং অন্যান্য সংশ্লিষ্ট পরামিতিগুলির নীতি বর্ণনা করে শুরু করব। তারপরে আমরা পরিচালিত বিভিন্ন তদন্ত, এবং করা পছন্দগুলি ব্যাখ্যা করব। শেষ পর্যন্ত, আমরা চূড়ান্ত প্রোটোটাইপ এবং পরীক্ষার পরিচয় করিয়ে দেব।

সলিড স্টেট ডিটেক্টর

অনেক বিকিরণ শনাক্তকরণ অ্যাপ্লিকেশনে, একটি কঠিন সনাক্তকরণের মাধ্যমের ব্যবহার উল্লেখযোগ্য সুবিধা (বিকল্পভাবে বলা হয় সেমিকন্ডাক্টর ডায়োড ডিটেক্টর বা সলিড-স্টেট ডিটেক্টর)। সিলিকন ডায়োডগুলি প্রচুর সংখ্যক অ্যাপ্লিকেশনের জন্য পছন্দের ডিটেক্টর, বিশেষত যখন ভারী চার্জযুক্ত কণা জড়িত থাকে। যদি শক্তির পরিমাপের প্রয়োজন না হয়, সিলিকন ডায়োড ডিটেক্টরগুলির চমৎকার সময় বৈশিষ্ট্যগুলি চার্জযুক্ত কণার সঠিক গণনা এবং ট্র্যাকিংয়ের অনুমতি দেয়।

উচ্চ-শক্তি ইলেকট্রন বা গামা-রশ্মি পরিমাপের জন্য, আবিষ্কারকের মাত্রা বিকল্পের তুলনায় অনেক ছোট রাখা যেতে পারে। রেডিয়েশন ডিটেক্টর হিসেবে সেমিকন্ডাক্টর উপকরণ ব্যবহারের ফলে প্রদত্ত ঘটনা বিকিরণ ইভেন্টের জন্য অধিক সংখ্যক ক্যারিয়ার হয়, এবং তাই অন্যান্য ডিটেক্টর প্রকারের তুলনায় শক্তির রেজোলিউশনের উপর পরিসংখ্যানের সীমা কম। ফলস্বরূপ, আজকে পাওয়া সেরা শক্তির রেজোলিউশন এই ধরনের ডিটেক্টর ব্যবহারের মাধ্যমে উপলব্ধি করা যায়।

মৌলিক তথ্য বাহক হচ্ছে ইলেক্ট্রন-হোল জোড়া যা চার্জযুক্ত কণা দ্বারা ডিটেক্টরের মাধ্যমে নেওয়া পথে (উপরের চিত্র দেখুন)। এই ইলেকট্রন-হোল জোড়াগুলি সংগ্রহ করে, সেন্সরের ইলেক্ট্রোডে চার্জ হিসাবে পরিমাপ করা হয়, সনাক্তকরণ সংকেত গঠিত হয় এবং এটি সম্প্রসারণ এবং বৈষম্যমূলক পর্যায়ে এগিয়ে যায়। সলিড-স্টেট ডিটেক্টরগুলির অতিরিক্ত আকাঙ্ক্ষিত বৈশিষ্ট্যগুলি হল একটি কমপ্যাক্ট আকার, অপেক্ষাকৃত দ্রুত সময়ের বৈশিষ্ট্য এবং একটি কার্যকর বেধ (*)। যেকোনো ডিটেক্টরের মতো, ছোট ছোট আকারের সীমাবদ্ধতা এবং বিকিরণ-প্ররোচিত ক্ষতি থেকে কর্মক্ষমতা হ্রাসের অপেক্ষাকৃত সম্ভাবনা সহ এই ত্রুটিগুলি রয়েছে।

(*: পাতলা সেন্সর একাধিক ছড়িয়ে ছিটিয়ে দেয়, যখন একটি কণা স্তরকে অতিক্রম করে তখন ঘন সেন্সর বেশি চার্জ উৎপন্ন করে।)

পি -আই -এন ডায়োড:

প্রতিটি ধরণের বিকিরণ আবিষ্কারক বিকিরণের সাথে মিথস্ক্রিয়া করার পরে একটি বৈশিষ্ট্যযুক্ত আউটপুট তৈরি করে। পদার্থের সাথে কণার মিথস্ক্রিয়া তিনটি প্রভাব দ্বারা পৃথক করা হয়:

1. ছবির বৈদ্যুতিক প্রভাব
2. কম্পটন বিক্ষিপ্ত
3. জোড়া-উৎপাদন।

একটি প্ল্যানার সিলিকন ডিটেক্টরের মূল নীতি হল একটি পিএন জংশনের ব্যবহার যেখানে কণা এই তিনটি ঘটনার মাধ্যমে যোগাযোগ করে। সবচেয়ে সহজ প্ল্যানার সিলিকন সেন্সর একটি পি ডোপেড স্তর এবং একপাশে একটি এন-ইমপ্লান্ট নিয়ে গঠিত। ইলেকট্রন-হোল জোড়া একটি কণা গতিপথ বরাবর তৈরি করা হয়। পিএন জংশনের এলাকায়, একটি অঞ্চল বিনা মূল্যের ক্যারিয়ার রয়েছে, যাকে ডিপ্লেশন জোন বলা হয়। এই অঞ্চলে তৈরি ইলেকট্রন-হোল জোড়াগুলি পার্শ্ববর্তী বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র দ্বারা পৃথক করা হয়। অতএব, চার্জ ক্যারিয়ারগুলি সিলিকন উপাদানের N বা P- সাইডে পরিমাপ করা যেতে পারে। পিএন জংশন ডায়োডে একটি বিপরীত-পক্ষপাত ভোল্টেজ প্রয়োগ করে, ক্ষয়প্রাপ্ত অঞ্চল বৃদ্ধি পায় এবং সম্পূর্ণ সেন্সর স্তরকে আবরণ করতে পারে। আপনি এখানে এ সম্পর্কে আরও পড়তে পারেন: পিন জংশন উইকিপিডিয়া নিবন্ধ।

একটি PiN ডায়োডের একটি অন্তর্নিহিত i অঞ্চল রয়েছে, P এবং N জংশনের মধ্যে, P এবং N- অঞ্চলের চার্জ ক্যারিয়ারে প্লাবিত। এই বিস্তৃত অভ্যন্তরীণ অঞ্চলটির অর্থ হল বিপরীত পক্ষপাতদুষ্ট হলে ডায়োডের কম ক্যাপ্যাসিট্যান্স রয়েছে। একটি PiN ডায়োডে, হ্রাস অঞ্চলটি অভ্যন্তরীণ অঞ্চলের মধ্যে প্রায় সম্পূর্ণরূপে বিদ্যমান। এই হ্রাসের অঞ্চলটি একটি নিয়মিত পিএন ডায়োডের তুলনায় অনেক বড়। এটি ভলিউম বৃদ্ধি করে যেখানে ইলেকট্রন-হোল জোড়া একটি ঘটনা ফোটন দ্বারা উৎপন্ন হতে পারে। যদি একটি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র অর্ধপরিবাহী পদার্থে প্রয়োগ করা হয়, ইলেকট্রন এবং গর্ত উভয়ই স্থানান্তরিত হয়। PiN ডায়োড বিপরীত পক্ষপাতদুষ্ট যাতে সমগ্র i- স্তরটি মুক্ত বাহক দ্বারা নিশেষিত হয়। এই বিপরীত পক্ষপাতটি i- স্তর জুড়ে একটি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র তৈরি করে যাতে ইলেকট্রনগুলি P- স্তর এবং গর্তে, N- স্তর (*4) তে ভেসে যায়।

বিকিরণের একটি পালসের প্রতিক্রিয়ায় বাহকদের প্রবাহ পরিমাপিত বর্তমান নাড়ি গঠন করে। এই বর্তমানকে সর্বাধিক করার জন্য, i- অঞ্চলটি যতটা সম্ভব বড় হতে হবে। জংশনের বৈশিষ্ট্যগুলি এমন যে এটি বিপরীত দিকে পক্ষপাতদুষ্ট হলে খুব কম বিদ্যুৎ সঞ্চালন করে। জংশনের পি-সাইড এন-সাইডের ক্ষেত্রে নেতিবাচক হয়ে যায় এবং জংশনের এক পাশ থেকে অন্য দিকে প্রাকৃতিক সম্ভাব্য পার্থক্য বৃদ্ধি পায়। এই পরিস্থিতিতে, এটি সংখ্যালঘু বাহক যা জংশন জুড়ে আকৃষ্ট হয় এবং, কারণ তাদের ঘনত্ব তুলনামূলকভাবে কম, ডায়োড জুড়ে বিপরীত কারেন্ট বেশ ছোট। যখন জংশনে একটি বিপরীত পক্ষপাত প্রয়োগ করা হয়, কার্যত সমস্ত প্রয়োগ করা ভোল্টেজ ক্ষয়প্রাপ্ত অঞ্চল জুড়ে উপস্থিত হয়, কারণ এর প্রতিরোধ ক্ষমতা স্বাভাবিক N বা P- টাইপ উপাদানের তুলনায় অনেক বেশি। প্রকৃতপক্ষে, বিপরীত পক্ষপাত জংশন জুড়ে সম্ভাব্য পার্থক্যকে জোর দেয়। ক্ষয়কারী অঞ্চলের পুরুত্বও বৃদ্ধি পায়, যার আয়তন প্রসারিত করে যার উপর বিকিরণ-উত্পাদিত চার্জ বাহক সংগ্রহ করা হয়। একবার বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র যথেষ্ট উচ্চ হলে, চার্জ সংগ্রহ সম্পূর্ণ হয়ে যায়, এবং নাড়ীর উচ্চতা ডিটেক্টর বায়াস ভোল্টেজের আরও বৃদ্ধির সাথে আর পরিবর্তিত হয় না।

(*1: পরমাণুর আবদ্ধ অবস্থায় ইলেকট্রন ফোটন দ্বারা ছিটকে যায় যখন ঘটনার কণার শক্তি বাঁধাই শক্তির চেয়ে বেশি হয়। এবং ইলেকট্রনে কিছু শক্তির স্থানান্তর। বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র হিসাবে দিক।)

ধাপ 2: অনুসন্ধান

এটি "ডিটেক্টর" এর প্রোটোটাইপ সংস্করণ যা আমরা তৈরি করেছি, ডিবাগ করেছি এবং পরীক্ষা করেছি। এটি একটি সিসিডি স্টাইলের বিকিরণ সেন্সর থাকার জন্য একাধিক সেন্সর নিয়ে গঠিত একটি ম্যাট্রিক্স। পূর্বে উল্লিখিত হিসাবে, সমস্ত সিলিকন সেমি-কন্ডাক্টর বিকিরণের প্রতি সংবেদনশীল। এটি কতটা সুনির্দিষ্ট তার উপর নির্ভর করে, এবং ব্যবহৃত সেন্সরগুলি একটি কণাটির শক্তির স্তর সম্পর্কে মোটামুটি ধারণা পেতে পারে যা আঘাতের কারণ হয়েছিল।

আমরা ইতোমধ্যেই সেন্সিংয়ের উদ্দেশ্যে নির্ধারিত ডায়োড ব্যবহার করেছি, যা যখন উল্টো পক্ষপাতদুষ্ট (এবং দৃশ্যমান আলো থেকে এটি রক্ষা করে), তখন ছোট সংকেতগুলিকে বাড়িয়ে এবং মাইক্রোকন্ট্রোলার দিয়ে আউটপুট ডেটা পড়ে বিটা এবং গামা বিকিরণ থেকে হিট নিবন্ধন করতে পারে। আলফা বিকিরণ, যদিও, খুব কমই সনাক্ত করা যায় কারণ এটি এমনকি পাতলা কাপড় বা পলিমার শিল্ডিং penুকতে পারে না। সংযুক্ত হল ভেরিটাসিয়ামের একটি চমৎকার ভিডিও, যা বিভিন্ন ধরনের বিকিরণ (আলফা, বিটা ও গামা) ব্যাখ্যা করে।

প্রাথমিক নকশা পুনরাবৃত্তি একটি ভিন্ন সেন্সর ব্যবহার করে (একটি BPW-34 photodiode; একটি বিখ্যাত সেন্সর যদি আপনি চারপাশে গুগল করেন)। এমনকি কয়েকটি সম্পর্কিত নির্দেশিকা রয়েছে যা এটি বিকিরণ সনাক্তকরণের জন্য ব্যবহার করে যেমন এই চমৎকারটি: https://www.instructables.com/id/Pocket-Photodiode-Geiger-Counter/। যাইহোক, যেহেতু এটিতে কিছু বাগ ছিল এবং এটি সর্বোত্তমভাবে কাজ করছিল না, তাই আমরা নির্মাতারা ত্রুটিপূর্ণ একটি ডিটেক্টর তৈরি করতে এড়াতে এই নির্দেশাবলী থেকে এই প্রোটোটাইপের বিবরণ বাদ দেওয়ার সিদ্ধান্ত নিয়েছি। যাইহোক, যদি কেউ আগ্রহী হয় তবে আমরা নকশা ফাইল এবং পরিকল্পিত সংযুক্ত করি।

ধাপ 3: নকশা

(চিত্র কিংবদন্তি: (1) ডিটেক্টরের ব্লক ডায়াগ্রাম: সিগন্যাল তৈরি থেকে ডেটা অর্জন পর্যন্ত।, (2) X100-7 ফটোডিওডের স্পেসিফিকেশন: 100mm^2 সক্রিয় এলাকা, 0.9 মিমি ক্ষয়প্রাপ্ত অঞ্চল, হালকা ব্লকিং লেপ, কম অন্ধকার কারেন্ট … শোষণ সম্ভাবনা প্লট হিসাবে দেখানো হয়েছে, PiN ডায়োডগুলি সহজেই গামা-রে শক্তি শোষণ করে, (3) প্রস্তুতকারকের অ্যাপ্লিকেশন নোট যা নকশা ধারণাটি নিশ্চিত করে এবং প্রাথমিক উপাদান মানগুলি বেছে নিতে সহায়তা করে।

আমরা একটি বৃহত্তর এলাকা সেন্সর, অর্থাৎ, প্রথম সেন্সর থেকে X100-7 এর জন্য স্থির হয়েছি। পরীক্ষার উদ্দেশ্যে এবং মডুলারিটি জন্য, আমরা তিনটি ভিন্ন অংশ ডিজাইন করেছি, একে অপরের উপর স্তুপীকৃত: সেন্সর এবং পরিবর্ধন (কম শব্দ চার্জ পরিবর্ধক + পালস আকৃতি পরিবর্ধক), বৈষম্যমূলক এবং তুলনাকারী, ডিসি/ডিসি নিয়ন্ত্রণ, এবং DAQ (ডেটা অর্জনের জন্য Arduino)। প্রতিটি ধাপকে একত্রিত করা হয়েছিল, যাচাই করা হয়েছিল এবং আলাদাভাবে পরীক্ষা করা হয়েছিল যেমন আপনি পরবর্তী ধাপে দেখতে পাবেন।

সেমিকন্ডাক্টর ডিটেক্টরগুলির একটি প্রধান সুবিধা হল ক্ষুদ্র আয়নীকরণ শক্তি (ই), শক্তি এবং ঘটনা বিকিরণ উভয় ধরনের থেকে স্বাধীন। এই সরলীকরণ ঘটনা বিকিরণ শক্তির পরিপ্রেক্ষিতে বেশ কয়েকটি ইলেকট্রন-গর্ত জোড়াকে হিসাব করতে দেয়, যদি কণাটি ডিটেক্টরের সক্রিয় ভলিউমের মধ্যে সম্পূর্ণভাবে বন্ধ হয়ে যায়। 23C (*) এ সিলিকনের জন্য আমাদের E ~ 3.6eV আছে। ধরে নিচ্ছি যে সমস্ত শক্তি জমা হয়েছে এবং আয়নীকরণ শক্তি ব্যবহার করে আমরা একটি প্রদত্ত উত্স দ্বারা উত্পাদিত ইলেকট্রনের সংখ্যা গণনা করতে পারি। উদাহরণস্বরূপ, একটি Americanium − 241 উৎস থেকে একটি 60keVgamma- রে এর ফলে 0.045 fC/keV এর জমা চার্জ হবে। ডায়োড স্পেসের স্পেসিফিকেশনে দেখানো হয়েছে, প্রায় ~ 15V এর বায়াসিং ভোল্টেজের উপরে অবনতি অঞ্চলটি ধ্রুবক হিসাবে অনুমান করা যায়। এটি আমাদের বায়াসিং ভোল্টেজের টার্গেট রেঞ্জ 12-15V তে সেট করে। (*: তাপমাত্রা হ্রাসের সাথে ই বৃদ্ধি পায়।)

ডিটেক্টরের বিভিন্ন মডিউল, তাদের উপাদান এবং সংশ্লিষ্ট গণনার কার্যকারিতা। ডিটেক্টর মূল্যায়ন করার সময়, সংবেদনশীলতা (*1) গুরুত্বপূর্ণ ছিল। একটি অত্যন্ত সংবেদনশীল চার্জ প্রি-এম্প্লিফায়ার প্রয়োজন কারণ একটি ঘটনা গামা-রে শুধুমাত্র সেমিকন্ডাক্টর হ্রাস অঞ্চলে কয়েক হাজার ইলেকট্রন উৎপন্ন করতে পারে। যেহেতু আমরা একটি ছোট বর্তমান স্পন্দনকে প্রসারিত করি, উপাদান নির্বাচন, সতর্কতা অবলম্বন এবং সার্কিট বোর্ড লেআউটে বিশেষ মনোযোগ দিতে হবে।

(*1: একটি স্বতন্ত্র সংকেত এবং সংকেত-থেকে-শব্দ অনুপাত তৈরি করতে ডিটেক্টরে ন্যূনতম শক্তি জমা করতে হবে।)

সঠিকভাবে নির্বাচিত উপাদান মান, আমি প্রথমে প্রয়োজনীয়তা, পছন্দসই স্পেসিফিকেশন এবং সীমাবদ্ধতার সংক্ষিপ্তসার:

সেন্সর:

• বড় সম্ভাব্য সনাক্তকরণ পরিসীমা, 1keV-1MeV
• কম ক্যাপ্যাসিট্যান্স গোলমাল, 20pF-50pF
• বিপরীত পক্ষপাতের অধীনে নগণ্য ফুটো বর্তমান।

বর্ধিতকরণ এবং বৈষম্য:

• সংবেদনশীল প্রাক-পরিবর্ধক চার্জ করুন
• পালস আকৃতির জন্য ডিফারেন্টিএটর
• সেট থ্রেশহোল্ডের উপরে যখন সিগন্যাল পালসের জন্য তুলনাকারী
• থ্রেশহোল্ড ব্যবধানে যখন শব্দ আউটপুট জন্য তুলনাকারী
• চ্যানেল কাকতালীয়তার জন্য তুলনাকারী
• ইভেন্ট ফিল্টারিংয়ের জন্য সাধারণ থ্রেশহোল্ড।

ডিজিটাল এবং মাইক্রো-কন্ট্রোলার:

• দ্রুত এনালগ-টু-ডিজিটাল রূপান্তরকারী
• প্রক্রিয়াকরণ এবং ইউজার ইন্টারফেসের জন্য আউটপুট ডেটা।

শক্তি এবং ফিল্টারিং:

• সকল পর্যায়ের জন্য ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রক
• বায়াস পাওয়ার উৎপন্ন করতে উচ্চ-ভোল্টেজ সরবরাহ
• সমস্ত বিদ্যুৎ বিতরণের সঠিক ফিল্টারিং।

আমি নিম্নলিখিত উপাদানগুলি বেছে নিয়েছি:

• ডিসি বুস্ট কনভার্টার: এলএম 2733
• চার্জ পরিবর্ধক: AD743
• অন্যান্য Op-Amps: LM393 এবং LM741
• DAQ/Readout: Arduino Nano।

অতিরিক্ত আরোপিত বৈশিষ্ট্যের মধ্যে রয়েছে:

• অপারেটিং রেট:> 250 kHz (84 চ্যানেল), 50 kHz (কাকতালীয়)
• রেজোলিউশন: 10 বিট এডিসি
• নমুনা হার: 5kHz (8 চ্যানেল)
• ভোল্টেজ: 5V Arduino, 9V op-amps, ~ 12V বায়াসিং।

উপরের উপাদানগুলির সামগ্রিক বিন্যাস এবং ক্রমটি ব্লক ডায়াগ্রাম চিত্রে উপস্থাপন করা হয়েছে। আমরা পরীক্ষার পর্যায়ে ব্যবহৃত উপাদানগুলির মানগুলির সাথে গণনা করেছি (তৃতীয় চিত্রটি দেখুন)। (*: কিছু কম্পোনেন্টের মান প্রাথমিকভাবে পরিকল্পিত নয় এবং বর্তমানে বিদ্যমান স্থানে একই নয়; তবুও এই গণনাগুলি একটি নির্দেশিকা ফ্রেম প্রদান করে।)

ধাপ 4: সার্কিট

(চিত্র কিংবদন্তি: (1) একক চ্যানেলের 1-3 পর্যায়গুলির সামগ্রিক পরিকল্পিত, ডায়োড বেসিং এবং ভোল্টেজ ডিভাইডার যা প্রতিটি পর্যায়ে রেফারেন্স প্রদান করে, সার্কিট উপ-বিভাগ।)

আসুন এখন চারটি চ্যানেলের মধ্যে একটির সনাক্তকরণ সংকেতের "প্রবাহ" এর ব্যাখ্যা থেকে এর সৃষ্টি থেকে ডিজিটাল অধিগ্রহণ পর্যন্ত ব্যাখ্যা করি।

ধাপ 1

আগ্রহের একমাত্র সংকেত ফোটোডিওড থেকে উদ্ভূত হয়। এই সেন্সরগুলি বিপরীত পক্ষপাতদুষ্ট। বায়াসিং সাপ্লাই হল একটি স্থিতিশীল 12V যা 1Hz এর চেয়ে বড় কোন অবাঞ্ছিত শব্দ দূর করতে লো পাস ফিল্টারের মাধ্যমে চালানো হয়। ক্ষয়কারী অঞ্চলের আয়নীকরণের পরে, ডায়োডের পিনগুলিতে একটি চার্জ পালস তৈরি হয়। এই সংকেতটি আমাদের প্রথম পরিবর্ধন পর্যায় দ্বারা তুলে নেওয়া হয়: চার্জ পরিবর্ধক। চার্জ এম্প্লিফায়ার যে কোন অপারেশনাল এম্প্লিফায়ার দিয়ে তৈরি করা যায়, কিন্তু কম নয়েজ স্পেসিফিকেশন খুবই গুরুত্বপূর্ণ।

ধাপ ২

এই পর্যায়ের উদ্দেশ্য হল ইনভার্টিং ইনপুটে সনাক্ত হওয়া চার্জ পালসকে অপ-এম্পের আউটপুটে ডিসি ভোল্টেজে রূপান্তর করা। নন-ইনভার্টিং ইনপুট ফিল্টার করা হয় এবং একটি পরিচিত এবং নির্বাচিত স্তরে একটি ভোল্টেজ ডিভাইডারে সেট করা হয়। এই প্রথম ধাপ টিউন করা কঠিন, কিন্তু অসংখ্য পরীক্ষার পর আমরা 2 [pF] এর একটি ফিডব্যাক ক্যাপাসিটর, এবং 44 [MOhm] এর একটি ফিড-ব্যাক রিসিস্টর এর জন্য স্থির হলাম, যার ফলে 2 [pF] × 44 [MOhm] = 88 [μs]। একটি বিপরীত সক্রিয় ব্যান্ডপাস ফিল্টার পরিবর্ধক, যা একটি বিভাজকের মত কাজ করে, চার্জ পরিবর্ধক অনুসরণ করে। এই পর্যায়টি ফিল্টার করে এবং রূপান্তর করে ডিসি লেভেল, যা পূর্ববর্তী পর্যায় থেকে 100 ডলারের লাভের সাথে একটি পালসে পরিণত হয়।

পর্যায় 3

এর পরেই রয়েছে সংকেত এবং শব্দ চ্যানেল। এই দুটি আউটপুট সরাসরি DAQ এবং দ্বিতীয় এনালগ PCB- তে যায়। উভয়ই অপ-এএমপিএস তুলনাকারী হিসাবে কাজ করে। উভয়ের মধ্যে পার্থক্য শুধু এই যে, নয়েজ চ্যানেলের সিগন্যাল চ্যানেলের তুলনায় এর ইন-ইনভার্টিং ইনপুটে কম ভোল্টেজ থাকে, এবং সিগন্যাল চ্যানেলটি দ্বিতীয় পরিবর্ধন পর্যায় থেকে প্রত্যাশিত আউটপুট পালসের উপরে ফ্রিকোয়েন্সি অপসারণের জন্যও ফিল্টার করা হয়। একটি LM741 op-amp সিগন্যাল চ্যানেলকে বৈষম্যমূলক করার জন্য একটি পরিবর্তনশীল থ্রেশহোল্ডের বিরুদ্ধে তুলনাকারী হিসেবে কাজ করে, যা ডিটেক্টরকে শুধুমাত্র ADC/MCU- এর কাছে নির্বাচিত ইভেন্ট পাঠাতে সক্ষম করে। নন-ইনভার্টিং ইনপুটের একটি ভেরিয়েবল রেসিস্টর ট্রিগার লেভেল সেট করে। এই পর্যায়ে (কাকতালীয় পাল্টা), প্রতিটি চ্যানেল থেকে সংকেত একটি সার-সার্কিট হিসেবে কাজ করে একটি op-amp কে খাওয়ানো হয়। একটি নির্দিষ্ট থ্রেশহোল্ড দুটি সক্রিয় চ্যানেলের সাথে মিলিত হয়। দুটি বা তার বেশি হলে ফোটোডিওড একই সাথে একটি হিট রেজিস্টার করে।

দ্রষ্টব্য: আমরা চার্জ সংবেদনশীল অপ-অ্যাম্পস-এর কাছাকাছি বায়াসিং পাওয়ারের ডিসি/ডিসি স্টেপ-আপ কনভার্টারকে এমপ্লিফিকেশন পিসিবিতে রেখে একটি গুরুত্বপূর্ণ ভুল করেছি। সম্ভবত আমরা এটি পরবর্তী সংস্করণে ঠিক করব।

ধাপ 5: সমাবেশ

সোল্ডারিং, প্রচুর সোল্ডারিং … কারণ চূড়ান্ত ডিটেক্টরের জন্য নির্বাচিত সেন্সরটি কেবল একটি এসএমটি পদচিহ্ন উপাদান হিসাবে বিদ্যমান যা আমাদের পিসিবি (2 স্তর) ডিজাইন করতে হয়েছিল। অতএব, সমস্ত সংশ্লিষ্ট সার্কিট্রিও ব্রেডবোর্ডের পরিবর্তে পিসিবি বোর্ডে স্থানান্তরিত হয়েছিল। সমস্ত এনালগ উপাদান দুটি পৃথক PCBs, এবং ডিজিটাল কম্পোনেন্ট অন্যটিতে স্থাপন করা হয়েছে যাতে শব্দ হস্তক্ষেপ এড়ানো যায়। এগুলিই ছিল আমাদের তৈরি করা প্রথম পিসিবি তাই আমাদের agগলে লেআউটের জন্য কিছু সাহায্য পেতে হয়েছিল। সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ PCB হল সেন্সর এবং পরিবর্ধন। একটি অসিলোস্কোপের সাহায্যে পরীক্ষা-পয়েন্টে আউটপুটগুলি পর্যবেক্ষণ করে ডিটেক্টর কেবল এই বোর্ড (DAQ বাইপাস) দিয়ে কাজ করতে পারে। আমি আমার ত্রুটি খুঁজে পেয়েছি এবং সংশোধন করেছি; এর মধ্যে ভুল কম্পোনেন্ট পায়ের ছাপ অন্তর্ভুক্ত ছিল, যার ফলে আমাদের কম আওয়াজ অপ-অ্যাম্পগুলি ওয়্যার-ট্যাপ করা হয়েছিল, এবং বিকল্পের সাথে অদলবদল করা জীবনের শেষ উপাদানগুলি। অতিরিক্তভাবে, রিং দোলন দমন করার জন্য ডিজাইনে দুটি ফিল্টার যুক্ত করা হয়েছিল।

ধাপ 6: ঘের

থ্রিডি প্রিন্টেড কেসিং, লিড শীট এবং ফোমের লক্ষ্য হল: মাউন্ট করার উদ্দেশ্যে, থার্মাল আইসোলেশন, নয়েজ ieldাল প্রদান এবং পরিবেষ্টিত আলোকে ব্লক করা এবং স্পষ্টত ইলেকট্রনিক্স রক্ষা করা। 3D প্রিন্টিং STL ফাইল সংযুক্ত করা হয়।

ধাপ 7: আরডুইনো রিড-আউট

ডিটেক্টরের রিড-আউট (ADC/DAQ) অংশটি একটি Arduino মিনি (কোড সংযুক্ত) নিয়ে গঠিত। এই মাইক্রোকন্ট্রোলার চারটি ডিটেক্টরের আউটপুট এবং পরবর্তীতে পাওয়ার ট্র্যাক (পাওয়ার পাওয়ার কোয়ালিটি) পর্যবেক্ষণ করে, তারপর আরও বিশ্লেষণ বা রেকর্ডিংয়ের জন্য সিরিয়াল আউটপুট (ইউএসবি) এর সমস্ত ডেটা আউটপুট করে।

সমস্ত ইনকামিং ডেটা চক্রান্ত করার জন্য একটি প্রসেসিং ডেস্কটপ অ্যাপ্লিকেশন তৈরি করা হয়েছিল (সংযুক্ত)।

ধাপ 8: পরীক্ষা

(চিত্র কিংবদন্তি: (1) একটি 60Co উৎসের স্পন্দন (t ~ 760ms) সংকেত-থেকে-শব্দ অনুপাত ~ 3: 1। 3) 60Co উৎস (~ 1.2 MeV) দ্বারা জমা চার্জের সমতুল্য ইনজেকশন।

সেন্সর প্যাডে একটি ক্যাপাসিটরের (1pF) সাথে সংযুক্ত একটি পালস জেনারেটর দিয়ে চার্জ ইনজেকশন করা হয়েছিল এবং 50Ohm রোধকের মাধ্যমে মাটিতে শেষ করা হয়েছিল। এই পদ্ধতিগুলি আমাকে আমার সার্কিটগুলি পরীক্ষা করতে, কম্পোনেন্টের মানগুলিকে সূক্ষ্মভাবে সুর করতে এবং একটি সক্রিয় উত্সের সংস্পর্শে এলে ফটোডিওডের প্রতিক্রিয়াগুলি অনুকরণ করতে সক্ষম করে। আমরা দুটি সক্রিয় ফটো-ডায়োডের সামনে একটি আমেরিকান − 241 (60 কেভি) এবং একটি আয়রন -55 (5.9 কেভি) উৎস স্থাপন করেছি এবং কোন চ্যানেলই একটি স্বতন্ত্র সংকেত দেখেনি। আমরা নাড়ি ইনজেকশনের মাধ্যমে যাচাই করেছিলাম এবং উপসংহারে এসেছিলাম যে এই উৎস থেকে ডালগুলি শব্দ মাত্রার কারণে পর্যবেক্ষণযোগ্য সীমার নিচে ছিল। যাইহোক, আমরা এখনও 60Co (1.33 MeV) উৎস থেকে হিট দেখতে সক্ষম ছিলাম। পরীক্ষার সময় প্রধান সীমিত ফ্যাক্টর ছিল উল্লেখযোগ্য শব্দ।গোলমালের অনেক উত্স এবং এগুলি কী তৈরি করছে সে সম্পর্কে কয়েকটি ব্যাখ্যা ছিল। আমরা দেখতে পেয়েছি যে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ এবং ক্ষতিকারক উৎসগুলির মধ্যে একটি হল প্রথম পরিবর্ধন পর্যায়ের আগে গোলমালের উপস্থিতি। বিশাল লাভের কারণে এই গোলমালটি প্রায় একশ গুণ বৃদ্ধি পেয়েছিল! হয়তো অনুপযুক্ত পাওয়ার ফিল্টারিং এবং জনসন নয়েজ এম্প্লিফায়ার স্টেজের ফিডব্যাক লুপগুলিতে পুনরায় ইনজেকশন দেওয়া হয়েছে (এটি কম সংকেত থেকে শব্দ অনুপাতকে ব্যাখ্যা করবে)। আমরা পক্ষপাতদুষ্ট করে শব্দটির নির্ভরতা তদন্ত করি নি, কিন্তু আমরা ভবিষ্যতে এটি আরও দেখতে পারি।

ধাপ 9: বড় ছবি

ভেরিটাসিয়াম থেকে পৃথিবীর সবচেয়ে তেজস্ক্রিয় স্থান সম্পর্কে ভিডিও দেখুন!

যদি আপনি এটিকে এতদূর নিয়ে যান এবং পদক্ষেপগুলি অনুসরণ করেন, তাহলে অভিনন্দন! আপনি এলএইচসির মতো বাস্তব-বিশ্বের অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য একটি যন্ত্র তৈরি করেছেন! সম্ভবত আপনার একটি ক্যারিয়ার পরিবর্তন বিবেচনা করা উচিত এবং পারমাণবিক পদার্থবিজ্ঞানের ক্ষেত্রে যেতে হবে:) আরো প্রযুক্তিগত ভাষায়, আপনি একটি সলিড-স্টেট রেডিয়েশন ডিটেক্টর তৈরি করেছেন যার মধ্যে রয়েছে ফটো-ডায়োডের ম্যাট্রিক্স এবং সংশ্লিষ্ট সার্কিট্রি ইভেন্টগুলি স্থানীয়করণ এবং বৈষম্যমূলক। ডিটেক্টর একাধিক পরিবর্ধন পর্যায় নিয়ে গঠিত যা ছোট চার্জ ডালগুলিকে পর্যবেক্ষণযোগ্য ভোল্টেজে রূপান্তর করে তারপর তাদের সাথে বৈষম্য করে এবং তুলনা করে। একটি তুলনাকারী, চ্যানেলের মধ্যে, সনাক্তকৃত ইভেন্টগুলির স্থানিক বন্টন সম্পর্কিত তথ্য প্রদান করে। আপনি ডেটা সংগ্রহ এবং বিশ্লেষণের জন্য একটি Arduino মাইক্রো-কন্ট্রোলার এবং অপরিহার্য সফটওয়্যারের ব্যবহারও অন্তর্ভুক্ত করেছেন।

ধাপ 10: রেফারেন্স

সংযুক্ত বিস্ময়কর পিডিএফগুলি ছাড়াও, এখানে কিছু সম্পর্কিত তথ্যপূর্ণ সম্পদ রয়েছে:

- এফ এ স্মিথ, ফলিত বিকিরণ পদার্থবিজ্ঞানে একটি প্রাইমার, বিশ্ব বৈজ্ঞানিক, রিভার এজ, এনজে, 2000।

- প্রথম সেন্সর, প্রথম সেন্সর পিন পিডি ডাটা শীট অংশ বর্ণনা X100-7 SMD, ওয়েব। mouser.com/catalog/specsheets/x100-7-smd-501401-prelim.pdf

- হরোভিটজ, পল অ্যান্ড হিল, উইনফিল্ড, দ্য আর্ট অফ ইলেক্ট্রনিক্স। কেমব্রিজ ইউনিভার্সিটি প্রেস, 1989।

- সি থিয়েল, সেমিকন্ডাক্টর বিকিরণ ডিটেক্টর, ওয়েবের একটি ভূমিকা। physics.montana.edu/students/thiel/docs/detector.pdf

- লিন্ডন ইভান্স, দ্য লার্জ হ্যাড্রন কলাইডার: প্রযুক্তির একটি মার্ভেল, এড। ইপিএফএল প্রেস, ২০০।।