Индикатор радиации на PIN-фотодиоде

[ArtDen]

Планирую поиграться с PIN-фотодиодами в качестве прямых датчиков радиации (без сцинтилляторов). Когда приедут микры, соберу вот такую схему:

Детектор частиц.GIF

(20.2 КБ) 3540 скачиваний

Когда бета- или гамма-частица реагирует с фотодиодом, на выходе схемы возникает короткий всплеск, величина которого зависит от типа и энергии частицы.

Схема частично перерисована с девайса с сайта http://www.opengeiger.de, за исключением того, что второй каскад усиления сделан прямым, а не инвертирующим + уменьшено количество конденсаторов в цепи обратной связи.

Какие косяки могут быть с этой схемой? Что в ней надо подправить?

PS: пока что буду смотреть результат на осциллографе, но в будущем планируется подцепить всё это к МК, чтобы регистрировать энергию частиц по величине всплеска и рисовать спектр энергии зарегистрированных частиц.

[crocodil]

Самый первый и очевидный косяк - это большая суммарная емкость четырех параллельно подключенных BPW34, а, соответственно, и тупизна подобного детектора к малоэнергетическим частицам.
Второй косяк - большое сопротивление в цепи обратной связи ОР1. Детектор не будет работать на больших уровнях.
Третий косяк - большая термонестабильность схемы - при изменении температуры на 20 градусов от той, при которой она была настроена, она не будет работать.
Четвертый косяк - общую среднюю точку для 2-ух ОУ можно было-бы сделать общей.
Устал писать, пока хватит?

[ArtDen]

Самый первый и очевидный косяк - это большая суммарная емкость четырех параллельно подключенных BPW34, а, соответственно, и тупизна подобного детектора к малоэнергетическим частицам.
Второй косяк - большое сопротивление в цепи обратной связи ОР1. Детектор не будет работать на больших уровнях.

Те ты заранее рассчитал отношение сигнал/шум и значения напряжений для разных частиц моей схемы, чтобы это утверждать?

Третий косяк - большая термонестабильность схемы - при изменении температуры на 20 градусов от той, при которой она была настроена, она не будет работать.

Вот это не понял. Можно поподробнее? Какое изменение температуры должно быть и почему она перестанет работать?

Четвертый косяк - общую среднюю точку для 2-ух ОУ можно было-бы сделать общей.
Устал писать, пока хватит?

Не стоит. Посмотри, у них разные уровни напряжений. Сравни отношения R1/R2 и R4/R6.

[bolek]

Планирую поиграться с PIN-фотодиодами в качестве прямых датчиков радиации
...
PS: пока что буду смотреть результат на осциллографе, но в будущем планируется подцепить всё это к МК, чтобы регистрировать энергию частиц по величине всплеска и рисовать спектр энергии зарегистрированных частиц.

А что будешь использовать в качестве источников беты и гаммы для проверки работы? В домашнем хозяйстве эти штуки как-то не прижились

[ArtDen]

Радий буду использовать из СПД. А вообще для калибровки надо иметь набор с разными источниками.

[crocodil]

1. Слабый сигнал с одного фотодиода будет шунтироваться емкостью 3-х остальных.
Надо делать сумматор для сигнала с каждого фотодиода.
2. Постоянная времени RС цепочки (R3 и емкости 4-х фотодиодов) определит невысокую и нестабильную максимальную частоту счета.
3. Фотодиод непосредственно соединен со входом ОУ. Обратный ток фотодиода имеет большую зависимость от температуры, напряжение на выходе первого ОУ (определяемое делителем напряжения из R3 и обратного тока фотодиодов) будет сильно зависить от температуры.
См. Fig. 1 http://www.vishay.com/docs/81521/bpw34.pdf
4. Отличные уровни напряжения ничего не дадут в этой схеме, т.к. на выходе первого ОУ оно будет все-равно сильно плыть.

[ArtDen]

1. Я в курсе. Просто бОльшее количество диодом вставиться для того, чтобы можно было поймать большее количество частиц.
3. Это специально сделано, чтобы выход ОУ и резистор R3 создавали смещение на входе фотодиода равное примерно 3/4 напряжения питания.

ЗЫ: Схему собрал! Точнее только первую половину Экспериментирую с одним фотодиодом + выкинул C2. В общем, с выхода первого каскада частицы на осциллографе видны отлично. Отношение сигнал/шум на глаз - 20-30 раз. Сейчас допаяю детали второго каскада.

Добавлено:
Второй каскад собрал - работает. Попытался померить естественный фон одним фотодиодом. Итог - 1 частица за 5 минут. Теперь жду вторую частичку
В общем, надо как минимум штук 20 таких диодов, чтобы за приемлемое время можно было фон померить

Вот как каждая частица выглядит на экране осциллографа:

[Borodach]

А чем хуже вот эта схема?

[ArtDen]

Тем что как минимум 3 микросхемы нужно и куча деталей. У меня всего одна микра стоит.

Добавлено:
Переделал подключение PIN-фотодиода как в схеме от Borodach (+2 резистора + 2 кондёра). Работает также, хотя есть ощущение что уровень шумов стал больше (добавился тепловой шум ещё одного резистора). В связи с новым подключением выровнял напругу на "+"-входе первого каскада усиления.

Добавлено:
Добавил ещё 2 PIN-диода. Очень странно, но уровень пика от одной частицы не стал меньше, как я ожидал. Видимо при включении фотодиода со смещением суммарная ёмкость (которая сейчас у меня уже достигает 3*3 = ~9 пФ) влияет, но не линейно. Ещё оказалось, что схема не возбуждается даже если отсутствует конденсатор C2 при большом количестве фотодиодов.

Добавлено:
Вот как испытательный стенд выглядит сейчас:




Всё это аккуратно заматывается изолентой (кроме фотодиодов) и оборачивается фольгой, которая подсоединяется к общему проводу.

А вот это схема после доработок по замечаниям:

Детектор частиц.GIF

(23.01 КБ) 1621 скачивание

Видео как проходят эксперименты:

[ArtDen]

Продолжаю эксперименты. Схему простил, выбросив кучу деталей из второго каскада усилителя:

Детектор частиц.GIF

(20.05 КБ) 1691 скачивание

Кроме того, посмотрел как он "ловит" гамма- и бета- излучения. Оказалось, что различить типы частиц по импульсу от частицы практически нереально. Но зато, если регистрировать только гамма-излучение (заэкранировав источник от фотодиода свинцом), то отчётливо вырисовывается спектр энергий частиц по величине всплеска на экране осциллографа.

Пока непонятно как подключить порядка 30 фотодиодов так, чтобы на выходе получить один общий сигнал, при этом не потеряв в отношении сигнал/шум. У меня есть подозрение, что это вообще невозможно.

PS: как проходят опыты домашней гамма-спектроскопии:

[ArtDen]

В общем, подключил всё это дело к МК с АЦП и экраном 320х240 точек, чтобы построить спектр. Спектр строится. Но есть одно но. Чтобы построить нормальный спектр, нужно оставлять всё это дело на несколько часов. Если не ждать несколько часов, то спектр получается слишком "игольчатый". Поэтому возник вопрос. А есть ли алгоритмы, которые бы построили более-менее правдоподобный спектр по небольшому количеству данных чтобы не надо было ждать несколько часов?

[_AHTOXA_]

Может, просто сгладить?

[ArtDen]

Не уверен, что обычное сглаживание будет хорошо работать. Думаю можно попробовать какой-нибудь алгоритм кластеризации. Хотя смутно представляю как тут его можно применить...

[_AHTOXA_]

Можешь показать картинки, которые получаются при долгом сборе данных и при коротком?

[ArtDen]

Вот результат сбора в течении нескольких минут:

Чтобы получить вторую картинку, придётся подождать

Поясню по картинке: по оси X идёт амплитуда, а по Y - количество импульсов, которые были зарегистрированы с этой амплитудой.

Прошло 25 минут:

[_AHTOXA_]

Ага, теперь понятнее.
Тут никакое сглаживание не поможет - в первом случае банально мало данных.
Хотя, это смотря что надо получить в итоге. Если определить преобладающее значение, то и первой картинки хватит. Найти максимум, нарисовать в этом месте холмик:)
Или построить "огибающие" этих двух гистограмм, по идее они будут в какой-то мере похожи.

[ArtDen]

Тут максимум или огибающая не подходят. Сейчас объясню почему. Проблема в том два значения на графике (точнее на гистограмме) рядом равные 1 или одно равное 2 примерно равноценны. Но в случае с огибающей или максимумом будет выбрано значение 2, что не верно

[_AHTOXA_]

А какой вообще нужен результат?

[ArtDen]

Надо быстро найти несколько мест, в которых концентрируются энергии частиц и показать это красиво на гистограмме Ну и потом можно эти данные для чего-то использовать

[_AHTOXA_]

Тогда всё же сначала сгладить, потом найти локальные максимумы.