Fotodiodo Si-PIN con CSA-SA Micod

Introduzione

In questo post descriviamo l’applicazione di un diodo PIN come sensore di radiazioni. Questa applicazione è ben nota ed abbiamo già trattato questo argomento in post precedenti (Spettroscopia Raggi X con Fotodiodo PIN ,Detector β con Fotodiodo Si-PIN). Ritorniamo sull’argomento allo scopo di testare un apparato costruito dalla Micod, una azienda russa, che ringraziamo.

Nella immagine sotto possiamo vedere il “kit” composto da uno scintillatore CsI(Tl) e da una scheda PCB con un CSA (charge sensitive amplifier) ed un SA (shaping amplifier).

Un fotodiodo può essere utilizzato come rilevatore di radiazioni in due modi: direttamente o accoppiato con un cristallo scintillatore. Quando viene utilizzato direttamente, è efficiente soprattutto nella parte a bassa energia dello spettro gamma, fino a 50-60 KeV. In questo range ha una risoluzione energetica potenzialmente elevata. Con uno scintillatore può invece coprire l’intero spettro fino alle energie gamma più elevate. In questo post descriviamo i test che abbiamo fatto con un fotodiodo senza utilizzo dello scintillatore.

Un fotodiodo Si-PIN convenzionale è schematizzato nella figura sotto (da sito Amptek). Ci sono due contatti planari, l’anodo e il catodo, con un campo elettrico uniforme tra di loro. Una radiazione interagisce in alcuni punti, ionizzando gli atomi di Si e producendo coppie di elettroni-lacune. Il campo elettrico spinge i portatori verso i loro rispettivi contatti, provocando un impulso transitorio di corrente I(t) attraverso il diodo. Il catodo è collegato a un preamplificatore di carica con una elettronica di elaborazione degli impulsi, che rileva l’impulso e ne misura l’ampiezza. Le tracce in basso illustrano le forme d’impulso nelle varie fasi di elaborazione del segnale.

I rivelatori a diodi PIN devono essere polarizzati con una tensione inversa sufficientemente alta al fine di espandere al massimo la zona di svuotamento e quindi ottenere la migliore efficienza di rilevamento.

L’efficienza di rilevamento intrinseca è di circa il 100% per i fotoni di alcuni keV e diminuisce fino al 2% circa a 60 keV per un diodo PIN di 300 μm di spessore. L’efficienza è di circa il 100% per le particelle cariche di energia moderata.
Le caratteristiche elettriche maggiormente correlate alle prestazioni dei diodi PIN come rivelatori di radiazioni sono la corrente di dispersione (leakage current) e la capacità dei diodi. Grazie alla buona qualità del silicio, la corrente di dispersione può essere inferiore a 100 pA alla tensione di polarizzazione e la capacità inferiore a 2 pF per i diodi più piccoli, pertanto i diodi PIN possono essere utilizzati, anche a temperatura ambiente, con buone prestazioni per la spettroscopia a raggi X, ma richiedono comunque una bassa capacità di ingresso e un preamplificatore a basso rumore come circuito di Front-End. A causa del segnale molto piccolo generato nel rivelatore, il rumore del sistema di misurazione deve essere considerato con estrema cura.

Il Fotodiodo

Il fotodiodo che abbiamo utilizzato è il modello X100-7 prodotto dalla First Sensor AG. Questo fotodiodo è pensato principalmente per applicazioni di radiation detection (non per spettroscopia) quindi il nostro scopo è di testarlo, insieme al CSA-SA, principalmente come sensore di radiazioni. Il componente è caratterizzata da una area attiva di 100 mm² in un package ceramico, mentre la parte sensibile è coperta da uno strato opaco di resina epossidica nera. La massima tensione inversa di polarizzazione vale Vmax = 50 V, a questa tensione di polarizzazione la capacità vale Cd = 40 pF e la corrente di dispersione Id = 5 nA. Con queste caratteristiche il diodo ha una buona efficienza di rilevazione, grazie alla estesa area attiva, ma non è adatto per spettrometria, a causa della capacità e della corrente di dispersione relativamente alte.
Nella immagine sotto possiamo vedere la scheda PCB degli amplificatori con installato il fotodiodo X100-t.

La Catena di Amplificazione

Per misurare l’impulso di corrente prodotto dal fotodiodo è necessario avere una “catena di amplificazione” composta da un charge sensitive amplifier (CSA) seguito da uno shaping amplifier (SA).
L’abbinamento tra il rivelatore e il preamplificatore definisce il livello di rumore del sistema di spettroscopia, pertanto per queste applicazioni è richiesta la migliore prestazione di rumore del preamplificatore associato.
Generalmente, un transistor ad effetto di campo, FET, viene utilizzato come dispositivo di input. Il preamplificatore di carica utilizza un condensatore di retroazione Cf e, in questo caso, anche un resistore di retroazione Rf. Il condensatore di retroazione viene caricato dall’impulso iniettato dal rilevatore e scaricato immediatamente attraverso il resistore di retroazione. Un inconveniente del resistore di retroazione è che è un’ulteriore fonte di rumore.
Quando la radiazione ionizzante o una particella colpisce l’area attiva del fotodiodo PIN del silicio, l’amplificatore di carica (CSA) riceve una carica Q in ingresso, la converte in un impulso di tensione e quindi la amplifica. Il segnale in uscita dal CSA ha un fronte di salita rapido ed un decadimento esponenziale. Il fattore di amplificazione del circuito è:

V = Q/Cf

mentre la costante del decadimento esponenziale vale: τ = RfxCf

Il CSA Micod ha i seguenti valori :
Cf = 0.1 pF
Rf = 1 GΩ

Dopo il CSA è necessario inviare il segnale ad uno shaper amplifier (SA) il quale processa l’impulso amplificandolo e rendendolo simile ad un impulso gaussiano. Lo shaper amplifier migliora notevolmente il rapporto segnale – rumore e rende il segnale adatto ad essere inviato ad un apparato di conteggio, ratemeter, oppure ad un convertitore anlogico-digitale con lo scopo di acquisire lo spettro gamma. Il SA Micod ha uno “shaping time” di circa 10 μs.

Misure di Test

Le immagini sottostanti mostrano alcune sorgenti radioattive campione che abbiamo utilizzato per testare il fotodiodo e l’amplificatore. Nella prima immagine c’è la sorgente Am241 mentre nella seconda c’è la sorgente Cs137. Come si può vedere le sorgenti vengono posizionate a contatto con il fotodiodo per massimizzare i risultati del conteggio.

Nella immagine sotto riportata si vedono le tracce di alcuni impulsi generati dal fotodiodo e successivamente amplificati dal CSA (charge sensitive amplifier) e dal SA (shaping amplifier). La durata dell’impulso è di circa 10 μs, mentre l’ampiezza varia (a seconda dell’energia della radiazione) dai 200 mv ad oltre 1000 mv. Sovrapposta al segnale vi è un ripple di fondo (dovuto al rumore del fotodiodo, amplificato dalla catena) avente ampiezza di circa 50 mV.

Con il setup sopra descritto abbiamo fatto delle prove di misurazione di alcune sorgenti campione (Am241, Na22, Cs137). Abbiamo collocato la sorgente direttamente sul fotodiodo ed abbiamo collegato l’uscita dello shaper al nostro pulse counter (descritto nel post Pulse Counter basato su PSoC). La soglia di conteggio è stata configurata a 70 – 80 mV, in modo da escludere gli impulsi dovuti al rumore.
Le immagini sotto riportate mostrano l’apparato collegato al counter, ed il risultato del conteggio con la sorgente da 1μCi di Am241

 

Con il fotodiodo abbiamo fatto le misurazioni della attività delle tre sorgenti campione ed abbiamo confrontato i dati con quelli ottenuti, in condizioni simili, con un sensore a scintillazione NaI(Tl) 63×63 mm. I risultati sono mostrati nella tabella sotto riportata.

Source	NaI(Tl) Scint.	Photodiode
Background	54 CPS	0 CPS
1μCi – Am241	580 CPS	524 CPS
0.5μCi – Na22	503 CPS	590 CPS
0.25μCi – Cs137	346 CPS	203 CPS

Nel leggere questi dati dobbiamo tenere conto che il fotodiodo è molto sensibile (efficienza al 100%) anche alle particelle β, mentre il sensore a scintillazione è rivestito da uno strato di alluminio che le ferma. Sia la sorgente di Cesio 137 che quella di Sodio 22 emettono, con intensità diverse, particelle β (elettroni il Cesio e positroni il sodio), il conteggio del fotodiodo comprende quindi anche una quota di radiazione β che è invece praticamente assente nelle misure fatte con lo scintillatore.
Anche tenendo presente il contributo della radiazione β, si vede come la performance del fotodiodo come rivelatore, compresa della catena di amplificazione con il pulse counter, sia di tutto rispetto e assolutamente paragonabile a quella che si ottiene con un classico sensore a scintillazione.

Prove di Spettrometria

Con gli impulsi prodotti dallo shaping amplifier abbiamo provato ad acquisire gli spettri gamma di due sorgenti gamma/X mediante il Theremino MCA (Spettrometria Gamma DIY). L’impulso prodotto dallo shaping ha una durata di circa 15μs, piuttosto breve per l’ADC della scheda audio che lavora meglio con durate di circa 100μs.
Nei paragrafi seguenti sono riportati i risultati ottenuti che sono comunque apprezzabili.

Americio 241

La prova con l’Americio 241 ha prodotto lo spettro gamma presentato nel grafico seguente. Sono ben visibili il picco principale a 59KeV della emissione dell’Am241 ed il picco secondario attorno a 15KeV dovuto alle emissioni X. Si noti come il picco a 59KeV è molto più basso a causa della ridotta sensibilità del fotodiodo ad energie maggiori di 20KeV.

Trizio

La prova con il Trizio ha prodotto lo spettro X presentato nel grafico seguente. Il trizio è presente in piccola quantità in alcune luci di emergenza. Una capsula contenente trizio emette una piccola quantità di radiazione X a bassa energia derivante dall’effetto di frenamento degli elettroni emessi per decadimento beta e per effetto della eccitazione XRF dello zinco presente nel rivestimento fluorescente.

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