Полупроводниковый детектор гамма-радиации на PIN-диоде

Для сотового телефона «HardCode» со встроенным полупроводниковым датчиком гамма-радиации нам, разумеется, понадобится полупроводниковый датчик гамма-радиации. Разумеется, несколько круче было бы построить прибор на основе трубки Гейгера-Мюллера, но учитывая разумный компромисс между энергопотреблением, габаритами и питающим напряжением (не каждому захочется носить в кармане штанов самолепный девайс с напряжением питания 400 В), остановимся все же на полупроводниковом сенсоре радиации.

К счастью, компания Maxim в свое время озаботилась созданием подобной схемы (Application note 2236, Gamma-Photon Radiation Detector), так что нам нужно только чуть-чуть переосмыслить творение инженеров Maxim Integrated с учетом интеграции сенсора радиации в схему на микроконтроллере, да прикинуть возможную замену комплектующих.

Итак, для работы детектора нам понадобятся:

  • PIN-фотодиод, желательно с большой площадью кристалла;
  • четыре операционных усилителя (ОУ) с низким уровнем собственных шумов;
  • быстрый компаратор;
  • и два напряжения питания — 3.3 (в отличие от пятивольтового оригинала) и 12 В (для питания фотодиода).

PIN-фотодиод, рекомендуемый Maxim — QSE773. Имея неплохие динамические характеристики (емкость 25 пФ и 50 нс фронты), он обладает, однако, довольно небольшой площадью кристалла, всего 2.7 мм².

Поясню, что PIN-фотодиод может продетектировать только те гамма-фотоны, которые пролетят через сечение его кристалла. В случае, если присутствует возможность надолго оставить сенсор в месте измерения (например, в случае неподвижного прибора, замеряющего уровень радиации в одной конкретной точке в течении длительного времени), то мы за счет чистой статистики можем-таки получить цифры, адекватно отражающие реальный уровень радиации. Но если источник радиации и сенсор находятся в контакте непродолжительное время (например, если вы прошли мимо радиоактивного мусорного бака), то в случае использования сенсора с малой площадью кристалла вы можете не успеть «наловить» должное количество гамма-фотонов и ваша небезопасная встреча с радиоактивным мусором может пройти незамеченной для прибора.

Разумеется, ключевой элемент схемы не стоит менять без комплексной проверки работоспособности, так что, думаю, стоит заложить универсальное посадочное место, так, чтобы в это же место печатной платы можно было вместо QSE773 впаять другой PIN-фотодиод. В качестве альтернативы мне приглянулись BPW34S (емкость 40 пФ, 100 нс фронты, но зато площадь кристалла 7.5 мм²) и TEMD5080X01 (40 пФ, 40 нс и 7.7 мм² соответственно). Думаю, возможность заменить один PIN-фотодиод на другой без колдовства с навесным монтажом будет несомненным плюсом для DIY-конструкции.

В оригинальной конструкции используется ОУ MAX4477. Найти более оптимальный вариант мне так и не удалось. На рынке довольно много операционных усилителей с уровнем шумов менее 4.5 нВ/√Гц, но, к сожалению, и с соответствующим ценником. Была, на первый взгляд, пара интересных вариантов, вроде малошумящих и недорогих TL972 и MC33078, но в результате оба не подошли. TL972, который позиционируется Texas Instruments аж как «ОУ ну с очень низким уровнем шума», по факту имеет нормированный шум 4 нВ/√Гц на частоте 100 кГц, тогда как обычно шум нормируется на частоте 1 кГц (например, MAX4477 имеет 4.5 нВ/√Гц на 1 кГц и 3.5 нВ/√Гц на 30 кГц). У MC33078 минимальное напряжение питания 5 В (а усилитель сигнала фотодиода хотелось бы запитать от 3.3 В, как и микроконтроллер, чтобы не городить дополнительное напряжение питания), кроме того, разные производители указываю несколько разные данные по питанию: Texas Instruments упоминает о возможности однополярного питания, документация от STMicroelectronics и ON Semiconductor настаивает на двухполярном питании.

Как ни странно, даже счетверенный MAX4478 стоит дороже, чем два сдвоенных MAX4477, но это уже, как мне кажется, чистый маркетинг. Итого, остановимся на MAX4477ASA+ в корпусе SOIC-8.

Что же касается компаратора, то исходному MAX987 удалось достаточно быстро подобрать несколько более дешевую и несколько более быструю (40 нс против 120) альтернативу в лице TLV3201AIDBV в корпусе SOT-23.

Осталось определиться с питанием. Если присмотреться к исходной схеме, то видно, что по цепи питания 12 В стоят здоровенные мегаомные резисторы, причем в описании схемы прямо сказано, что можно поставить и побольше («шум резистора обратно пропорционален корню из сопротивления, а ток утечки MAX4477 всего-то 150 пА, так что не стесняйтесь, ставьте резисторы с номиналом повыше»).

Расходовать на питание с таким чисто символическим потребляемым током отдельный DC/DC, наверное, не стоит. На первый взгляд, с учетом наличия в общей схеме микроконтроллера можно редуцировать питание 12 В до небольшого умножителя напряжения. Простейшая диодно-конденсаторная схема плюс выход ШИМ микроконтроллера позволят получить напряжение примерно 12 В. Чтобы превратить 3.3 В в 12, нам, разумеется, понадобится умножитель на 4. Чтобы вы понимали, о чем идет речь, справа я привел пример схемы умножителя на 2, а ниже — графики напряжений на его входе и выходе (изображения кликабельны). VS1 — напряжение питания 3.3 В, VG1 — вывод микроконтроллера, VM1 — вольтметр, измеряющий напряжение на выходе схемы. На графике изменения выходного напряжения хорошо видно, что импульсы на выводе микроконтроллера довольно быстро «накачивают» выходной конденсатор до удвоенного напряжения питания. То, что выходное напряжение не равно в точности 3.3 * 2 = 6.6 В, связано с падением напряжения на диодах. Если будете где-то использовать подобную схему, то берите диоды Шоттки, вроде PMEG4010 или подобных, с меньшим падением напряжения.

 

Но — схему умножения напряжения на 4 для получения 12 В мы использовать не будем. Во первых, она слишком не универсальна. Подал прямоугольные импульсы, получил выходное напряжение; изменить что-то совершенно невозможно. А ведь мы разрабатываем DIY-конструкцию, к тому же на основе микроконтроллера, предназначение которой в числе прочего и в том, чтобы дать пользователю платформу для расширения его познаний об электронике и для дальнейших образовательных экспериментов; так что нам стоит задуматься о более гибкой схеме умножителя, которая бы предоставляла больше возможностей для дальнейших программно-аппаратных экспериментов.

Давайте-ка лучше сделаем простенький импульсный повышающий стабилизатор. Как мы говорили ранее, у нас есть микроконтроллер с ШИМ выходом; дополнительно воспользуемся набортным АЦП для поддержания обратной связи. Из деталей нам понадобятся полевой MOSFET транзистор в качестве ключа, дроссель для накопления энергии и диод (в точности, как на первой иллюстрации в википедийной статье про Boost SMPS). Список деталей довольно небольшой, так что увеличение стоимости по сравнению с простым умножителем будет не очень чувствительным. Справа приведен пример схемы простейшего повышающего преобразователя напряжения, а ниже — график выходного напряжения. Как и на схеме удвоителя выше, VS1 — напряжение питания 3.3 В, VG1 — вывод микроконтроллера, VM1 — вольтметр, измеряющий напряжение на выходе схемы. На графике видно, как выходное напряжение за время около 100 мс нарастает до почти 16 В.

 

Для снижения уровня шумов планируемой импульсной схемы стоит добавить на выходе линейный стабилизатор (для простого умножителя напряжения его тоже стоило бы использовать). Для большей гибкости возьмем микросхему не с фиксированным выходом на 12 В, а регулируемую версию. По соотношению уровня шумов, тока и входного напряжения мне приглянулась MIC5205YM5 от Micrel (ну или от Microchip, учитывая то, что Microchip поглотил Micrel).

Ниже показан черновик получившейся схемы (изображение кликабельно).

 

По схемным решениям, назначение которых, может быть, не совсем очевидно даже с учетом сказанного выше, можно пояснить следующее:

  • Резистор R1 сопротивлением ориентировочно 15 Ом. Введен на случай нештатной работы ключа на полевом транзисторе; все-таки плата с открытой архитектурой, возможно любое вмешательство как в схему устройства, так и в программный код, например подача на затвор транзистора постоянного отпирающего напряжения. Последовательный резистор позволит элементам схемы не выпустить мгновенно весь синий дым, на котором, как известно, вся электроника и работает, а просто немножко перегреться, отпаяться и грустно отползти в сторону.
  • Сдвоенный диод Шоттки BAV70LT1G. Просто сдвоенный диод по цене одинарного.
  • Резистивный делитель R5-R6. Позволяет подать выходное напряжение нашего мини-SMPS на контроллер в целях осуществления обратной связи.
  • Резистор R2. Позволяет иметь определенный уровень (близкий к нулю) на затворе полевого транзистора в случае, если подключенный сюда же вывод микроконтроллера перейдет в высокоимпедансное состояние (а это будет случаться сплошь и рядом при включении питания, перезагрузке и экспериментах с ПО). В случае, если затвор не притянуть к земле, можно получить вполне себе неплохой детектор электрического поля, который будет управляться не программой микроконтроллера, а ближайшей силовой проводкой.

Добавить комментарий