Spettroscopia Raggi X con Fotodiodo 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 luminosa 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.

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.

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 CSP

Lo schema del preamplificatore di carica e del circuito di bias del fotodiodo è rappresentato nello schema seguente. Come operazionale è stato scelto il componente OPA656, caratterizzato da stadio di ingresso a JFET con basso rumore, bassa corrente di bias e larga banda. Questo operazionale è particolarmente adatto per la realizzazione di stadi integratori ad alta velocità e basso rumore. Il fotodiodo viene polarizzato inversamente attraverso una resistenza di bias da 100MΩ, in modo da ridurre il rumore Johnson. Per ridurre la capacità della giunzione del fotodiodo viene utilizzata la massima tensione inversa di 30V. Questo permette di ridurre la capacità complessiva e ridurre il rumore.

Per la realizzazione del preamplificatore di carica (CSP) a basso rumore abbiamo utilizzato una “demo board” SMD per amplificatore operazionali : DEM-OPA-SO-1A.  Il PCB, mostrato nella figura a lato permette la realizzazione dei classici circuiti con OP AMP utilizzando componenti SMD.
Lo schema elettrico del PCB, con l’indicazione dei componenti è mostrato nella immagine sotto.
Naturalmente non vanno utilizzati tutti i componenti, alcuni saranno sostituiti da dei ponticelli, altri invece semplicemente non vengono montati e quindi saranno un circuito aperto.
I componenti SMD che abbiamo utilizzato sono i seguenti :

L1 = L2 = EMI-Suppression Ferrite Chip 600R 0,5Ω
C1 = C2 = Tantalum Chip Capacitor, SMD EIA Size 3528, 20V, 2,2 μF
C4 = C5 = Multilayer Ceramic Chip Capacitor, SMD 1206, 50V, 0,1 μF
R6 = parallelo Rf (100 MΩ) e Cf (0,5 pF) anello feedback CSP
R4 = condensatore Cc di accoppiamento, 0,1 μF
R7 = ponticello
R3 = ponticello

L’immagine seguente riporta lo schema generale della demo board.

Realizzazione dell’Amplificatore Shaper

Come spiegato nel paragrafo precedente sulla elaborazione del segnale, a valle del charge sensitive preamplifier è necessario utilizzare un amplificatore shaper che ha lo scopo di amplificare il segnale prodotto dal CSP e di renderlo simile ad un impulso gaussiano di durata prestabilita. Lo shaper inoltre migliora notevolmente il rapporto S/N.
Lo shaper è composto da un primo stadio differenziatore seguito da un integratore, come nello schema seguente.

Il segnale dallo stadio integratore viene successivamente amplificato con uno stadio a guadagno regolabile e bufferizzato prima di essere inviato all’uscita, come nello schema seguente :

Per realizzare lo shaper abbiamo utilizzato una demo board per amplificatore operazionali : PDIP-EVM della Texas Instruments :

L’immagine seguente riporta lo schema generale della demo board. Naturalmente non vanno utilizzati tutti i componenti, alcuni saranno sostituiti da dei ponticelli, altri invece semplicemente non vengono montati e quindi saranno un circuito aperto.

Impulsi

Riportiamo, di seguito, alcuni esempi di impulsi che si ottengono in uscita dallo shaper con la massima amplificazione. Le prime due immagini mostrano gli impulsi prodotti da una sorgente di Am-241, come si vede l’ampiezza è di circa 100 mV per l’energia di 60 KeV.
La terza immagine mostra gli impulsi che si ottengono con una sorgente di Sr-90, con amplificazione media, come si vede l’ampiezza degli impulsi è notevolmente maggiore.

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.

Spettro γ Americio 241 (²⁴¹Am)

L‘americio è l’elemento chimico di numero atomico 95. Il suo simbolo è Am. L’americio è un elemento metallico sintetico della famiglia degli attinidi, ottenuto bombardando il plutonio con neutroni. L’emissione alfa dell’Am-241 è circa il triplo di quella del radio. Pochi grammi di Am-241 emettono radiazione gamma intensa che crea seri problemi di esposizione a chi deve maneggiare l’elemento. L’americio può essere prodotto in quantità dell’ordine dei chilogrammi, principalmente sotto forma dell’isotopo Am-241.
Trova applicazioni domestiche in alcuni modelli di rivelatori di fumo, dove viene usato in qualità di sorgente di radiazioni ionizzanti. L’americio è usato per costruire alcuni tipi di parafulmine, grazie proprio a questa capacità di ionizzare l’aria circostante favorendo così il passaggio di corrente. Am-241 è stato anche usato come sorgente portatile di raggi gamma per l’uso in radiografia.

L’americio decade seconda la catena 4n + 1 del Np-237 viene comunemente chiamata “serie nettunio” o “cascata nettunio”. In questa serie, solo due degli isotopi coinvolti si trovano naturalmente, vale a dire gli ultimi due: bismuto-209 e tallio-205. Un rilevatore di fumo contenente americio-241 nella camera di ionizzazione accumula una quantità significativa di nettunio-237 come decadimento dell’americio. I seguenti elementi sono anche presenti, almeno transitoriamente, come prodotti di decadimento del nettunio: attinio, astato, bismuto, francio, piombo, polonio, protoattinio, radio, tallio, torio e uranio. Dato che questa serie è stata studiata solo recentemente, i suoi nuclidi non hanno nomi storici. Una caratteristica unica di questa catena di decadimento è che non include il gas nobile radon, e quindi non vi è la migrazione attraverso la roccia come nelle altre tre catene di disintegrazione. L’energia totale rilasciata dal californio-249 al tallio-205, compresa l’energia persa per neutrini, è 66,8 MeV.

Nel grafico sotto viene riportato lo spettro gamma dell’americio 241 acquisito mediante il fotodiodo con l’apparato descritto sopra. Risulta evidente il picco principale a 60 KeV ed il picco secondario attorno ai 20 – 25 KeV composto dalla emissione a 26 KeV dell’americio e dalle righe X del nettunio comprese tra i 15 ed i 25 KeV.

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 e raggi gamma. Con un MCA è inoltre possibile ricavare informazioni qualitative sullo spettro di energia. Naturalmente la risoluzione è piuttosto grossolana, però può essere migliorata agendo principalmente sul front-end elettronico allo scopo di diminuire il rumore ed aumentare quindi il rapporto segnale / rumore degli impulsi.

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