Detector β con Fotodiodo Si-PIN

Un Diodo PIN (diodo tipo-p, intrinseco, tipo-n) è un diodo con una larga regione di materiale semiconduttore intrinseco (non drogato) contenuta tra un semiconduttore di tipo p e un semiconduttore di tipo n.
Il vantaggio di un diodo PIN è che la regione di carica spaziale esiste quasi esclusivamente all’interno della regione intrinseca, che presenta una larghezza costante (o quasi costante) indipendentemente dalla tensione applicata al diodo. La regione instrinseca può essere realizzata larga a piacere, aumentando così il volume in cui le coppie di elettrone – lacuna possono essere generate.
La generazione dei portatori di carica all’interno della regione intrinseca può avvenire grazie alla radiazione lumionsa incidente. Per queste ragioni, molti fotosensori includono almeno un diodo PIN, come i fotodiodi PIN o i fototransistor. Oltre alla radiazione luminosa i portatori di carica possono anche venire generati da radiazione gamma o da radiazione X : per questo motivo un diodo PIN può venire utilizzato anche come rilevatore a stato solido di radiazione.

Nelle prove da noi effettuate è stato utilizzato il fotodiodo S1223 della Hamamatsu: Si tratta di un fotodiodo “general purpose”, sensibile da 320 nm a 1100 nm. Il fotodiodo ha una dark current di 0,1 nA, una capacità di 10 pF ed una tensione di polarizzazione inversa di massimo 30 V.

Naturalmente il fotodiodo è stato posto all’interno di una scatola metallica a tenuta di luce. Sia lo chassis della scatola che il coperchio sono stati collegati alla massa del segnale.

L’immagine sotto mostra la scatola con il fotodiodo :

Interazione con la Radiazione

La particella ionizzante entra nell’area sensibile dalla finestra del fotodiodo e produce, nel suo passaggio svariate centinaia di coppie elettrone/lacuna che vengono raccolte dal catodo / anodo del diodo e producono il segnale che viene successivamente digitalizzato.

Diamo alcuni dati ricavati dalla letteratura sui sensori a stato solido:

Silicio Band Gap = 1,115 eV
Energia per la produzione di una coppia e/h (300°K)  = 3,62 eV
Potere di ionizzazione di un elettrone = 80 e/μm

Come si può vedere dai dati sopra riportati, un elettrone che percorre 100 μm produce circa 8000 portatori di carica e quindi un segnale facilmente rilevabile. Il segnale prodotto dalla interazione dell’elettrone nella zona sensibile del fotodiodo dipende quindi principalmente dalla energia dell’elettrone. Vi è però un valore massimo dell’energia rilasciabile dall’elettrone legato allo spessore della zona attiva, oltre questo valore l’elettrone non può depositare tutta la sua energia perchè esce dalla zona attiva.

Elaborazione del Segnale

Il segnale prodotto dal fotodiodo è di ampiezza molto bassa e quindi necessita di una adeguata amplificazione. Dato il livello molto basso del segnale è necessario utilizzare amplificatori a bassissimo rumore, inoltre la tensione di polarizzazione deve essere priva di ripple, per questo motivo abbiamo adottato una alimentazione basata su batterie. Il preamplificatore del segnale è basato sulla tipologia amplificatore di carica (CSP) : l’impulso di corrente generato dal detector viene convertito in un impulso di tensione mediante la carica di un condensatore.
Nello schema seguente viene presentato lo schema di principio di un preamplificatore di carica :

Risposta di un amplificatore CSP

l’uscita del preamplificatore CSP è l’integrale nel tempo dell’impulso di corrente prodotto dal fotodiodo. Il tempo di salita del segnale di uscita è approssimativamente uguale alla durata dell’impulso di corrente, la velocità del CSP impone comunque un limite inferiore a questo tempo di salita.
Poiché il CSP produce un’uscita pari ad un gradino di tensione proporzionale all’integrale nel tempo della corrente di ingresso e ricordando che

Risulta che l’uscita del CSP è proporzionale alla carica totale (Q) generata dal rivelatore. Per maggiori durate temporali la risposta di un CSP ad un impulso di corrente prodotto da un rilevatore si configura come un decadimento con una “lunga coda”. Questo impulso ha un tempo di salita iniziale veloce seguito da un lungo decadimento esponenziale prima di tornare alla linea di base. Un esempio di impulso è mostrato a lato. La ragione per il decadimento esponenziale sta nella resistenza che viene posta in parallelo alla capacità di feedback. Questo soluzione è necessaria affinchè il CSP possa rispondere ad impulsi successivi.

Formatura di un impulso gaussiano

L’uscita del CSP (con la sua forma di segnale impulsivo) deve essere considerata soltanto come un passo intermedio nella produzione di un uscita misurabile. La  lunga coda rende la digitalizzazione degli impulsi impraticabile, perché gli impulsi spesso si sovrappongono l’uno con l’altro. E’ necessario quindi utilizzare a valle del CSP un amplificatore (shaper) che trasforma l’impulso esponenziale in un impulso gaussiano adatto alla digitalizzazione. Un’altra caratteristica importante dell’amplificatore di shaping è che gran parte del rumore viene filtrato in modo da migliorare considerevolmente il rapporto segnale rumore. I segnali che possono essere “sepolti” nel rumore all’uscita del CSP diventano nettamente distinguibili al di sopra della soglia del rumore dopo la fase di shaping.
Nello schema seguente viene presentato lo schema di principio di un amplificatore di shaping :

Nello schema seguente viene presentato lo schema di principio di una catena di elaborazione segnale, composta da bias, detector, preamplificatore CSP e pulse shaper :

Realizzazione dell’Amplificatore

Abbiamo scelto di utilizzare un CSP commerciale, in particolare il modello CR-110 della Cremat. Si tratta di un preamplificatore CSP ibrido con una capacità di feedback di 1,4 pF ed una resistenza di feedback di 100 MΩ, la costante di tempo dell’amplificatore è di 140 μs. Abbiamo  deciso di adottare un componente commerciale (a costo contenuto) perchè il CSP è un componente critico ed il buon funzionamente del sistema dipende in larga parte dalle buone prestazione del CSP in termini di guadagno e basso rumore. Lo schema sotto mostra i collegamenti del componente :

In particolare la resistenza di bias e di filter sono state scelte da 10 MΩ. Questi valori, tenendo conto di una dark current inferiore a 100nA, garantiscono un buon compromesso tra l’esigenza di limitare la caduta di tensione di bias e quella di avere un segnale di ampiezza adeguata sul condesatore di accoppiamento verso il CSP.

L’amplificatore di shaping invece è stato realizzato in casa, secondo quanto già descritto nel post PMT Pulse Processing. Le immagini sotto mostrano i circuiti finiti posti all’interno di un box metallico che ha la funzione di schermo contro interferenze RF, e l’amplificatore collegato al fotodiodo.

Impulsi

Nelle immagini sotto sono riportati i tracciati dei segnali in uscita dall’amplificatore. Si vede come l’impulso ha una forma gaussiana, con ampiezza di circa 50 mV ed una durata di circa 80 μs. Questi sono gli impulsi prodotti dalle particelle β che colpiscono il fotodiodo.

Analizzatore Multicanale

Dopo la parte hardware arriva il momento del software. Gli impulsi generati dall’amplificatore vengono acquisiti dal software Theremino MCA attraverso una audio card USB. Theremino MCA è il software che abbiamo estensivamente utilizzato negli studi di spettrometria gamma, ampiamente riportati su questo blog. Nel sito web di Theremino c’è una intera sezione relativa a questa applicazione, con un ricco corredo di documentazione.

La versione che abbiamo utilizzato è la 7.2. Questa versione è stata appositamente modificata in modo da permettere l’utilizzo del software anche per la spettrometria alpha / Beta. In particolare è stata ampliata la scala delle energie fino a 10MeV, inoltre è stato ampliato il campo di regolazione dei parametri MinEnergy e EnergyTrimmer.

Spettro β Stronzio 90 (⁹⁰Sr)

Lo Stronzio-90, è un isotopo radioattivo dello stronzio prodotto dalla fissione nucleare dell’uranio, avente un’emivita radioattivadi 28,8 anni. Va incontro a decadimento β⁻trasformandosi in ittrio-90 (⁹⁰Y), con un’energia di decadimento di 0,546 MeV. Lo stronzio-90 ha applicazioni in medicina e nell’industria ed è un isotopo da monitorare nel fallout nucleare prodotto dalle esplosioni nucleari e dagli incidenti nucleari.
Lo stronzio naturale è un metallo alcalino terroso non radioattivo e non tossico, ma ⁹⁰Sr è un radioelemento pericoloso che va incontro a decadimento β⁻ con un’emivita radioattiva di 28,79 anni, e un’energia di decadimento di 0,546 MeV distribuita verso un elettrone, un antineutrino, e l’isotopo dell’ittrio ⁹⁰Y, che a sua volta va incontro a decadimento β⁻ con un’emivita di 64 ore ed energia di decadimento di 2,28 MeV distribuita verso un elettrone, un antineutrino, e l’isotopo ⁹⁰Zr (zirconio), che è stabile. Da segnalare che il ⁹⁰Sr/Y è una sorgente quasi pura di particelle beta; l’emissione di fotoni gamma dal decadimento del ⁹⁰Y è così rara che in genere normalmente può essere ignorata.

Il nostro detector basato sul fotodiodo può essere utilizzato per spettrometria beta, però lo stopping power del fotodiodo è limitato, questo significa che gli elettroni più energetici possono attraversare lo strato sensibile del detector rilasciando solo una parte della loro energia.

Riportiamo sotto lo spettro ottenuto da una sorgente campione da 0,1μCi.

Spettro β+ Sodio 22  (²²Na)

L’isotopo Na-22 decade (nel 99.95% dei casi) con emivita di 2,6 anni, per emissione di positroni o cattura elettronica verso il primo stato eccitato del ²²Ne a 1.274 MeV (il quale successivamente si rilassa per emissione di fotone gamma). Il positrone viene emesso con energia massima di 544KeV. I positroni emessi dalla sorgente si annichilano nel materiale che fa da supporto alla sorgente, producendo 2 gamma di energia 0.511 MeV ciascuno.

Nella immagine a lato si vede lo schema di decadimento del Sodio 22 nel quale viene evidenziata l’energia massima del positrone che corrisponde a circa 544KeV.

Come campione per la misura è stata utilizzata una sorgente campione di sodio 22 da 1uCi.

Conclusioni

L’utilizzo di un fotodiodo Si-PIN, polarizzato inversamente alla massima tensione per aumentare la zona di svuotamento, ed utilizzato con un amplificatore CSP a basso rumore si è dimostrato adeguato a funzionare come rivelatore di particelle beta (elettroni, positroni). Con un MCA è inoltre possibile ricavare informazioni qualitative sullo spettro di energia. Per questo ultimo utilizzo vi sono però delle limitazioni : a basse energie le particelle beta non riescono a penetrare la finestra di protezione (che quindi andrebbe rimossa), mentre ad alte energie le particelle attraversano tutta la zona sensibile senza essere assorbite, vi è quindi un limite superiore alla massima energia rilevabile. Questo limite può essere stimato in circa 1 MeV.

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