Zastosowanie fotodiod typu PIN do detekcji ... - Fatcat - AGH

Zastosowanie fotodiod typu PINdo detekcji promieniowaniagamma i XSzymon KulisBartłomiej SzpakStudenckie Koło Naukowe Fizyków „Bozon”Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGHOpiekun naukowy referatu:dr Marek IdzikXLIII Sesja Kół Naukowych Pionu Hutniczego AGH, Kraków 2006

A tak przy okazji to fajnie jestmieć swój własny detektor !

Etapy pracyOpracowanie detektora wraz z elektroniką odczytu wymagałokilku etapów pracy. Musieliśmy wykonać:‣ analizę budowy krzemowych fotodiod typu PIN‣ projekt bardzo czułego przedwzmacniacza ładunkowego -najtrudniejsza część zadania‣ montaż układu kształtującego impulsy pochodzące zprzedwzmacniacza‣ testy poszczególnych układów

Ogólna zasada detekcjiKWANT PROMIENIOWANIAMEDIUM AKTYWNE DETEKTORAZamiana energii cząstkina ładunek elektrycznyELEKTRONIKA ODCZYTUUformowanie impulsuZwiększenie stosunku sygnału do szumuUŻYTKOWNIK

Fotodiody jako detektorEnergia wytworzenia pary elektron-dziura dla krzemu wynosi 3,6 eV. Wyprodukowaneładunki są następnie zbierane przez elektrody.W celu szybszego zbierania ładunków, zwiększenia szerokości strefy absorpcyjnej a takżezmniejszenia pojemności złącza, dioda jest polaryzowana zaporowo napięciem dokilkudziesięciu woltów.Zakres mierzonych energii i wydajność detekcji ograniczona jest szerokością warstwyskompensowanej, która jest medium czynnym detektora.Ilość wyprodukowanych elektronów idziur dla fotonu o energii 10 keV:2800Czas trwania impulsu prądowego:10 nsPłynący w tym czasie prąd:45 nAPonieważ układ nie posiada wzmocnienia wewnętrznego,wymagania stawiane elektronice odczytu są bardzo wysokie.

Terapia szumowaENC≈v2Ti Cτ + +ταA CF2TEkwiwalenty ładunek szumu wyrażony w elektronach

Napotkane problemy‣ brak niskoszumnych i jednocześnie szybkich wzmacniaczy operacyjnych‣ ze względu na bardzo duże wzmocnienie układ stawał się również czuły nazakłócenia pochodzące z :‣ sieci elektrycznej - częstotliwość 50 Hz‣ świetlówek w pracowni - częstotliwość 100 Hz‣ nadajników radiowych - częstotliwości w okolicach 100 MHz‣ odpowiednie (niezależne) doprowadzenie masy do poszczególnychelementów układu, odprzęganie zasilania‣ by zmniejszyć pojemności pasożytnicze stosowaliśmy elementy SMD co zkolei wymagało ciągłego przelutowywania układów i wielokrotnegoprojektowania płytek

Porównanie ENC dla układu samego wzmacniaczaoraz wzmacniacza z diodą

Wpływ napięcia polaryzacji fotodiody na ENC

Porównanie ENC dla różnych fotodiod

Widmo 241 Am

Kalibracja spektrometru

KosztorysElementFotodiodaPrzeciętne wzmacniacze op.PłytkaRezystoryKondensatory SMDKondensatory elektrolityczneSztuk13112106Cena[zł]3,001,002,000,020,050,20SUMA 10,00Skoro nie widać różnicy to po co przepłacać ?

PodziękowaniaPragniemy bardzo serdecznie podziękowaćPanu dr Markowi Idzikowi za ogromny entuzjazm izaangażowanie, za poświęcenie wielu godzin nawet wdni wolne od pracy. Jednocześnie jesteśmy wdzięczni zapozostawienie nam wolnej ręki w wyborze rozwiązań.Dziękujemy również Panom technikom oraz asystentomprowadzącym zajęcia laboratoryjne z elektroniki.Specjalne podziękowania należą się również Panu dr Stęgowskiemu.

LiteraturaK.Korbel, „Układy elektroniki Front-End”, Wydawnictwa AGH, Kraków 2000 r.K.Korbel „Profilaktyka i terapia antyszumowa układów elektroniki Front-End” WydawnictwaAGH, Kraków 1997K.Korbel, W.Dąbrowski „Filtracja sygnału w spektrometrycznym torze pomiarowym”Wydawnictwa AGH, Kraków 1992Z. Bielecki, A.Rogalski „Detekcja sygnałów optycznych”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,Warszawa 2001C.C Bueno et.al. „Response of PIN diodes as room temperature photon detectors” w AppliedRadiation and Isotopes 61 (2004) p. 1343–1347R.A Terini et.al „Measurements of discrete and continuous X-ray spectra with a photodiode atroom temperature” w Applied Radiation and Isotopes 50 (1999) p.343-353C.C Bueno et.al „The performance of low-cost commercial photodiodes for charged particleand X-ray spectrometry” w Nucl.Instr. And Meth. A 371 (1996) p.460-464