Разработка спектрометра фотонного излучения на основе pin-фотодиода

Тимошенко, Евгений Аркадьевич Отделение ядерно-топливного цикла (ОЯТЦ)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

В ходе выполнения работы был изготовлен прототип спектрометра, на котором произведены измерения спектров фотонного ионизирующего излучения радионуклидов Am-241, Eu-152, Ba-133, Cd-109 и Co-57. На основе полученных данных была проведена энергетическая градуировка шкалы, определены эффективность регистрации и энергетическое разрешение спектрометра. В результате исследования была подтверждена возможность применения pin-фотодиодов – приемников оптического излучения для детектирования рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучений.

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 13
1 Детектор излучения…………………………………………………………………………………… 15
1.1 Полупроводниковые детекторы …………………………………………………………… 15
1.1.1 Свойства полупроводников……………………………………………………………. 15
1.1.2 Ионизация и собирание заряда ………………………………………………………. 18
1.1.3 Основные типы полупроводниковых детекторов ……………………………. 20
1.1.4 Pin-фотодиод …………………………………………………………………………………. 21
2 Предусилитель ………………………………………………………………………………………….. 22
3 Усилитель …………………………………………………………………………………………………. 23
3.1 Фильтрация шумов ……………………………………………………………………………… 24
3.2 Усилители с формированием квазигауссного сигнала ………………………….. 25
4 Нарушения в работе спектрометра…………………………………………………………….. 27
5 Спектр гамма-излучения …………………………………………………………………………… 27
6 Определение положений и площадей пиков ………………………………………………. 29
7 Распределение амплитуд выходных импульсов детектора …………………………. 32
8 Экспериментальная часть ………………………………………………………………………….. 33
8.1 Расчет принципиальной схемы спектрометра ………………………………………. 35
8.2 Измерения спектров ……………………………………………………………………………. 37
8.3 Градуировка спектрометра ………………………………………………………………….. 42
8.3.1 Энергетическая градуировка шкалы ………………………………………………. 42
8.3.2 Эффективность регистрации ………………………………………………………….. 43
8.3.3 Энергетическое разрешение …………………………………………………………… 50
9 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 52
9.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………………… 53
9.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………… 53
9.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения …………………………………………. 53
9.1.3 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………… 55
9.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации …………………………… 56
9.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования …………………………………………………………………………………………. 58
9.2 Инициация проекта ……………………………………………………………………………… 59
9.3 Планирование научно-исследовательской работы ……………………………….. 62
9.3.1 Определение трудоемкости выполнения НИОКР …………………………… 62
9.3.2 Разработка графика проведения научного исследования ………………… 63
9.3.3 Календарный план-график в виде диаграммы Гантта……………………… 65
9.4 Бюджет научно-технического исследования ………………………………………… 66
9.4.1 Расчет материальных затрат НТИ ………………………………………………….. 67
9.4.2 Затраты на спецоборудование………………………………………………………… 68
9.4.3 Основная заработная плата исполнителей темы ……………………………… 68
9.4.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы …………………… 70
9.4.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ………. 71
9.4.6 Затраты на научные и производственные командировки ………………… 72
9.4.7 Контрагентные расходы ………………………………………………………………… 72
9.4.8 Накладные расходы……………………………………………………………………….. 73
9.4.9 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 74
9.5 Реестр рисков проекта …………………………………………………………………………. 75
9.6 Оценка сравнительной эффективности исследования…………………………… 75
10 Социальная ответственность …………………………………………………………………… 79
10.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов ……………………. 80
10.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней опасного
и вредного воздействия и устранению их влияния на персонал …………………. 82
10.2.1 Организационные мероприятия ……………………………………………………. 82
10.2.2 Организация рабочего места оператора ПК ………………………………….. 82
10.2.3 Условия безопасной работы …………………………………………………………. 85
10.2.4 Правила безопасности при работе с паяльником…………………………… 87
10.3 Радиационная безопасность ……………………………………………………………….. 88
10.4 Электробезопасность …………………………………………………………………………. 92
10.5 Пожарная и взрывная безопасность……………………………………………………. 95
Заключение …………………………………………………………………………………………………. 98
Список используемых источников ……………………………………………………………… 100
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 102
Приложение Б ……………………………………………………………………………………………. 116

В настоящее время применение радиационных технологий в различных
областях науки, промышленности и медицины ставит задачу исследования
ионизирующих излучений, создаваемых естественными и искусственными
источниками. Одним из таких исследований является оценка вклада излучений
от различных радионуклидов в радиационный фон. Основное внимание обычно
уделяется рентгеновскому и гамма-излучениям, обладающим высокой
проникающей способностью. Значения энергий испускаемых квантов таких
излучений являются характеристикой радиоактивного изотопа.
Для проведения анализа радионуклидного состава исследуемого
объекта, необходимо применение детекторов излучения, работающих в
спектрометрическом режиме. Чаще всего для этих целей используются
сцинтилляционные детекторы, представляющие собой сложную систему,
состоящую из сцинтиллятора – поглотителя энергии фотонов и
фотоэлектронного умножителя – первичного преобразователя энергии от
сцинтиллятора в поток электронов. Альтернативой им являются
полупроводниковые детекторы, не требующие для работы прецизионного
высоковольтного источника питания. Кроме того они характеризуются более
высоким энергетическим разрешением, нечувствительностью к магнитным
полям, а также имеют меньшие размеры, как самого кристалла, так и
усилительной системы устройства. В данном исследовании в качестве
детекторов излучения используется кремниевые pin-фотодиоды. Помимо
вышеперечисленных преимуществ полупроводниковых детекторов, они имеют
низкую стоимость.
Целью настоящей работы является разработка портативного,
бюджетного спектрометра фотонного ионизирующего излучения на основе
кремниевого pin-фотодиода.
Для реализации цели были решены следующие задачи:
1. Выбор и расчет принципиальной схемы спектрометра.
2. Изготовление печатной платы и сборка спектрометра.
3. Измерение и обработка спектров рентгеновского и гамма-
излучений радионуклидов Am241, Eu152, Ba133, Cd109, Co57.
4. Определение эффективности регистрации фотонов.
5. Оценка энергетического разрешения спектрометра.
1 Детектор излучения

В ходе выполнения работы был изготовлен прототип спектрометра, на
котором произведены измерения спектров фотонного ионизирующего
излучения радионуклидов Am241, Eu152, Ba133, Cd109 и Co57. На основе
полученных данных была проведена энергетическая градуировка шкалы,
определены эффективность регистрации и энергетическое разрешение
спектрометра.
В результате исследования была подтверждена возможность
применения pin-фотодиодов – приемников оптического излучения для
детектирования рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучений.
Толщина чувствительной области pin-фотодиода 210 мкм оказалась
достаточной для поглощения фотонов с энергией 122 кэВ. Измерение
рентгеновского излучения с энергией до 20 кэВ оказалось невозможным из-за
высокого уровня низкоамплитудного шума спектрометра, образованного
помехами за счет источников питания и другого электронного оборудования, в
связи с чем, на аналого-цифровом преобразователе был выставлен высокий
порог чувствительности входных импульсов.
Эффективность регистрации гамма-квантов была определена для
энергий 59,54 кэВ и 80,997 кэВ, составила 4,7∙10-4 (примерно в 8 раз меньше
теоретического значения 3,9∙10-3 для энергии 60 кэВ) и 1,1∙10-4 (примерно в 25
раз меньше теоретического значения 2,8∙10-3 для энергии 80 кэВ)
соответственно. Причиной таких различий могут служить ошибки в расчете
площади пиков, в связи с отклонением их формы от гауссиана и частичного
перекрытия соседним пиком на спектре америция.
Полная ширина пика с энергией 59,54 кэВ на половине высоты
составила около 11,11 кэВ, что примерно в 32 раза больше ширины
распределения выходных импульсов детектора на половине высоты (0,35 кэВ).
Для пика с энергией 80,997 кэВ ПШПВ составила 10,9 кэВ, что примерно в 27
раз больше теоретического значения (0,41 кэВ). Такое уширение может быть
обусловлено, шумами полевого транзистора и операционных усилителей,
темновым током фотодиода, а также перегрузкой спектрометра по скорости
счета импульсов.

1.В. В. Кашковский. Специальный физический практикум: учебное
пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. – 404 с.
2.Дж. Дирнли, Д. Нортроп. Полупроводниковые счетчики ядерных
излучений. – М.: Мир, 1966. – 359 с.
3.В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. Электроника: учебное пособие для вузов.
– 2-e изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с.
4.C. М. Рывкин, О. А. Матвеев, Н. Б. Строкан. Полупроводниковые
счетчики ядерных частиц. – Л.: Об-во «Знание», 1964. – 40 с.
5.Е. А. Тимошенко, М. С. Черепнев, А. Н. Алейник. Разработка
спектрометра фотонного ионизирующего излучения на основе pin-фотодиода //
Трудыпятнадцатойвсероссийскойконференциистуденческихнаучно-
исследовательских инкубаторов. – Томск, 17-19 мая 2018 г. / под. ред. В.В.
Демина. – Томск: Изд-во НТЛ, 2018. – C. 205-208.
6.B. Kainka. Measure Gamma Rays with a Photodiode. Radiation detector
using a BPW34 // Elektor Magazine, 2011, № 6, pp. 22-26.
7.Д.Райли,Н.Энслин,Х.Смит, С.Крайнер.Пассивный
неразрушающий анализ ядерных материалов – М.: Бином, 2000. – 720 с.
8.П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – Изд.
6-е – М.: Мир, 2003. – 704 с.
9.Э. И. Кэбин. Ядерная электроника для пользователей [Электронный
ресурс] – Режим доступа: http://nuclphys.sinp.msu.ru/electronics/index.html.
10. BPW34, BPW34S Silicon PIN Photodiode – Vishay [Электронный
ресурс] – Режим доступа: https://www.vishay.com/docs/81521/bpw34.pdf.
11. M. A. Khazhmuradov, N. A. Kochnev, D. V. Fedorchenko. PIN
Photodiodes For Gamma Radiation Measurements // RadioElectronics & Informatics,
2012, № 4, pp. 74-77.
12. Lund/LBNL Nuclear Data Search [Электронный ресурс] – Режим
доступа: http://nucleardata.nuclear.lu.se/toi/.
13. Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Э. И. Кэбин. Частицы и ядра.
Эксперимент. – М.: Изд-во МАКС Пресс, 2013. – 252 с.
14. В. И. Беспалов. Лекции по радиационной защите: учебное пособие;
Томский политехнический университет. – 5-е изд., расшир. – Томск: Изд-во
ТПУ, 2017. – 695 с.
15. В.И.Арбузов.Основырадиационногооптического
материаловедения. – СПб.: СПбГУИТМО, 2008. – 284 с.
16. Н. А. Гаврикова, Л. Р. Тухватулина, И. Г. Видяев, Г. Н. Серикова.
Финансовыйменеджмент,ресурсоэффективностьиресурсосбережение:
учебно-методическое пособие; Томский политехнический университет. –
Томск: Изд-во ТПУ, 2014. – 73 с.
17. «Трудовой кодекс Российской Федерации» от 30.12.2001 № 197-ФЗ
(ред. от 01.04.2019).
18. СанПин2.2.2/2.4.1340-03«Гигиеническиетребованияк
персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы».
19. ГОСТ12.1.038-82ССБТ.Электробезопасность.Предельно
допустимые значения напряжений прикосновения и токов.
20. ТИ Р М-075-2003 межотраслевая типовая инструкция по охране
труда для работников, занятых пайкой и лужением изделий паяльником.
21. СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности НРБ-
99/2009».
22. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ
от 26.04.2010 N 40 (ред. от 16.09.2013) «Об утверждении СП 2.6.1.2612-10
«Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности
(ОСПОРБ-99/2010)»
23. Постановление Правительства РФ от 25.04.2012 № 390 «О
противопожарном режиме» (ред. от 07.03.2019).
24. ГОСТ12.1.004-91ССБТ.Пожарнаябезопасность.Общие
требования.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Ольга Б. кандидат наук, доцент
    4.8 (373 отзыва)
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских... Читать все
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских диссертаций, дипломных и курсовых работ. Слежу за новинками в медицине.
    #Кандидатские #Магистерские
    566 Выполненных работ
    Евгений А. доктор, профессор
    5 (154 отзыва)
    Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - ... Читать все
    Более 40 лет занимаюсь преподавательской деятельностью. Специалист в области философии, логики и социальной работы. Кандидатская диссертация - по логике, докторская - по социальной работе.
    #Кандидатские #Магистерские
    260 Выполненных работ
    Анна К. ТГПУ им.ЛН.Толстого 2010, ФИСиГН, выпускник
    4.6 (30 отзывов)
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помог... Читать все
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помогала студентам, вышедшим на меня по рекомендации.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Шагали Е. УрГЭУ 2007, Экономика, преподаватель
    4.4 (59 отзывов)
    Серьезно отношусь к тренировке собственного интеллекта, поэтому постоянно учусь сама и с удовольствием пишу для других. За 15 лет работы выполнила более 600 дипломов и... Читать все
    Серьезно отношусь к тренировке собственного интеллекта, поэтому постоянно учусь сама и с удовольствием пишу для других. За 15 лет работы выполнила более 600 дипломов и диссертаций, Есть любимые темы - они дешевле обойдутся, ибо в радость)
    #Кандидатские #Магистерские
    76 Выполненных работ
    Рима С.
    5 (18 отзывов)
    Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный универси... Читать все
    Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный университет, являюсь бакалавром, магистром юриспруденции (с отличием)
    #Кандидатские #Магистерские
    38 Выполненных работ
    Кормчий В.
    4.3 (248 отзывов)
    Специализация: диссертации; дипломные и курсовые работы; научные статьи.
    Специализация: диссертации; дипломные и курсовые работы; научные статьи.
    #Кандидатские #Магистерские
    335 Выполненных работ
    Глеб С. преподаватель, кандидат наук, доцент
    5 (158 отзывов)
    Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной с... Читать все
    Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной специальности 12.00.14 административное право, административный процесс.
    #Кандидатские #Магистерские
    216 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету