Разработка спектрометра фотонного излучения на основе pin-фотодиода

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 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.