Ультра-Микрон Модуль-А2

Предисловие

Приветствую, дорогие читатели!
С момента публикации первой статьи про устройства серии «Ультра-Микрон» прошло ни много ни мало более двух лет. За это время накопился материал по изменениям в серии, о чём и будет повествовать данная статья.
Тема классических дозиметров-радиометров на счётчиках Гейгера была уже основательно изъедена. Такие проблемы, как габарит конструкций, высокое потребление энергии повышающими преобразователями, и т.п. были успешно решены. Передо мной, как перед разработчиком, образовался вакуум, который я решил заполнить устройствами на сцинтилляционном принципе регистрации Гамма-частиц. 
Статья содержит значительный объём вводных данных, но они важны для людей, которые никогда не имели дело с подобной техникой.

Сцинтилляционный модуль “Ультра-Микрон Модуль-А2”

Задача на разработку стояла так: создать компактный сцинтилляционный счётный блок-приставку для дозиметров Ультра-Микрон 4.08, на классическом каскаде ФЭУ+NaI(Tl). При этом минимизировать потребление, а в качестве средств сопряжения использовать имеющийся в устройстве USB разъем, не внося изменений в плату дозиметра.
В результате получился универсальный сцинт-блок, который можно использовать как для Ультра-Микрона, так и для прочих разработок наподобие приставок к поделкам на Arduino.
Для минимизации пространства под электронные компоненты, была выработана методика гибридной многоплатной компоновки. Все компоненты высоковольтного каскада размещаются на круглых платах диаметром 20 мм, и насаживаются прямо на ножки ФЭУ. А аналоговая часть выполняется в виде сменной прямоугольной платы, для возможности последующей переделки устройства в спектрометр.
Модуль-А2, конструктивно представляет из себя 3 основных блока:
•   “Физический” – состоящий из монокристалла с химией NaI(Tl) и фотоэлектронного умножителя ФЭУ-102-1.
•   “Высоковольтный” – генератор высокого напряжения от минус 1500 до минус 1800 вольт.
•   “Аналоговый” – блок, отвечающий за детектирование сигналов с ФЭУ и обратную связь для стабилизации высокого напряжения.

Вкратце “Физический блок” работает по следующему принципу: 
Когда квант фотона с высокой энергией (в просторечии Гамма-излучение) поглощается материалом сцинтиллятора (кристалла NaI(Tl)), в кристалле возникает вспышка света в ультрафиолетовом спектре, насчитывающая всего несколько тысяч фотонов. Свет доходит до полупрозрачного катода ФЭУ и выбивает из него пучок электронов. Электроны из-за разности потенциалов устремляются к электродам, называемым “диноды”, ударяются о них, выбивая из каждого динода в каскаде все большее и большее количество электронов. Такое переотражение - усиление происходит 12 раз, в результате до анода ФЭУ долетает достаточно большое количество электронов и на нем создается потенциал, достаточный для дальнейшего использования и измерения.
Общая физика процесса упрощённо представлена на картинке:

Тут надо понимать несколько очень важных нюансов:
•   ФЭУ очень чувствителен к свету, и способен всего от нескольких сотен фотонов на входе, получить достаточно ощутимый импульс на выходе. А значит, должен быть очень серьезно защищен от любой фоновой засветки. Даже маленькая трещина величиной в несколько микрон в материале светофильтра, выведет ФЭУ из строя.
•   Так как электроны в ФЭУ проходят довольно длинную и сложную трассу, любое отклонение их от траектории может вызвать перебои в работе ФЭУ. Тут влияют даже слабые магнитные поля, такие как магнитное поле Земли. Значит, ФЭУ должен иметь электромагнитный экран из слоев пермаллоя и алюминия.
•   От чёткого соблюдения разности потенциалов между электродами ФЭУ, зависит траектория пучка электронов, а значит система разности потенциалов должна быть соблюдена так, как предписал производитель.
•   Кристалл NaI(Tl) - это прежде всего оптический прибор, а значит качество самого кристалла и отражающих поверхностей должно быть идеальным. Любое затенение-замутнение губительно сказывается на системе в целом.
•   Между ФЭУ и кристаллом желательно обеспечить оптический контакт. Для этого можно применить силиконовое масло. Хотя обычно рекомендуют специальные свето-прозрачные составы, но их я не нашел.
В данной конструкции применён фотоэлектронный умножитель ФЭУ-102-1 производства ООО “МЭЛЗ ФЭУ” и кристалл NaI(Tl) СДН.17.14.40 производства ОАО “Кристалл”. Они достаточно компактны и хорошо подходят друг к другу. А коэффициенты разности потенциалов на этом ФЭУ достаточно легко повторить.

Высоковольтный блок

Коэффициенты типового делителя напряжения указаны в паспорте на ФЭУ:

Но, по моему мнению, применение резистивных делителей неоправданно, т.к. вызывает значительный ток по высоковольтной части, и при этом 99% энергии расходуется только на бесполезный нагрев резисторов и потери высоковольтного преобразователя.

Поэтому я применяю для питания ФЭУ умножитель по схеме Кокрофта-Уолтона, со звеньев которого снимаю нужные напряжения для питания динодов. Такой метод хорошо подходит только для ФЭУ, где в типовой схеме все электроды запитываются с равными смещениями. Но в ФЭУ-102-1 это не так. Динод 12 должен быть смещен на коэффициент 0,3 относительно земли Анода. А Катод и Динод 1 должны быть смещены на коэффициент 0.7 относительно всей остальной динодной системы. Решение проблемы найдено следующее: создав нужный дисбаланс амплитуды полупериодов прямого и обратного выхлопа на FlyBack трансформаторе, на диноде 12 был получен коэффициент, приближенный к 0.3-0.4. Смещение 0.7 фотокатода и динода 1 было получено путем добавления в схему двух стабилитронов и разбалансировки накопительной ёмкости на двух последних звеньях умножителя.

В результате, вся накопленная в конденсаторах энергия расходуется только на работу ФЭУ и естественные утечки по керамике, текстолиту и воздуху. Э позволило добиться экстремально низкого тока потребления в районе 2-8 мА.
Накопительные ёмкости на динодах 11 и 12 увеличены, для обеспечения достаточных характеристик выходного импульса.

Схемотехника:

Накопительные конденсаторы C1-C46 и умножитель Кокрофта-Уолтона распределены по четырем платам, надетым на контакты ФЭУ.
В качестве конденсаторов применены высококачественные керамические конденсаторы 47 нФ 450В (TDK CGA4J4X7T2W473M), 100 нФ 450В (TDK CGA5L4X7T2W104K). Так как конденсаторы соединяются последовательно, фактическое напряжение на каждом из них не превышает 200В. В качестве диодов умножителя применены Panasonic DA2JF8100L. На компонентах высоковольтного каскада я делаю особый акцент потому, что данные детали очень хорошо себя показали за всю мою многолетнюю практику работы с ними. Их менять на аналоги я не советую.
Трансформатор T1 намотан на комплекте от Ferroxcube: Каркас CPVS-ER11-1S-10P, Ш-образный сердечник ER11-3F3-S, Скоба CLM-ER11. Высоковольтная обмотка мотается проводом ПЭВ-2 0.063, 200 витков. Низковольтная ПЭВ-2 0.15, 11 витков. Начала обмоток помечены звездочками на схеме и должны быть строго соблюдены. Немагнитный зазор 0.2мм (2 листа бумаги 80гр.) 
При необходимости получить напряжение свыше 1800 вольт, трансформатор придётся заменить на что-то погабаритней. Текущий указанный тут устроил меня своей миниатюрностью, и на практике для работы моего экземпляра ФЭУ достаточно даже 1500В. Если для нормальной работы вам требуется свыше 1800 вольт, то ваша ФЭУ скорее всего уже давно выработала свой ресурс.

Повышающий трансформатор и его обвязка, 5-гигаомный высоковольтный резистор обратной связи, и PLS-панелька сопряжения распределены по двум платам, надетым на контакты ФЭУ.

Аналоговый блок выполнен в виде прямоугольной платы и состоит из двух ОУ, отвечающих за детектирование импульса(U4) с ФЭУ и обратную связь по высокому напряжению(U2), служащую для стабилизации напряжения.
На элементах U2, U3 и их обвязке собран генератор импульсов накачки трансформатора, с регулируемой обратной связью по напряжению(R1) и регулируемым коэффициентом заполнения(R3). Частота генерации фиксирована на уровне 21 кГц, но может быть изменена заменой компонентов R6, R7, R9.

На элементе U4 собран компаратор, с настраиваемым порогом срабатывания (R8). Он нужен для отсечения шумов накачки высоковольтной части от полезного сигнала ФЭУ.

Для работы с Модулем-А2 достаточно подсчитать количество импульсов на единицу времени, выход у модуля логический. Поэтому он может быть легко интегрирован в любой проект.
Чувствительность к гамма-излучению у этого модуля более чем в 100 раз выше, чем у излюбленного всеми счетчика Гейгера СБМ-20.

Настройка:
1. Выставить напряжение на катоде ФЭУ на 1500 вольт подстроечником R1. Контроль напряжения надо производить электростатическим вольтметром, или вольтметром с сопротивлением входа свыше 3-х гигаом.
2. Выставить коэффициент заполнения подстроечником R3, таким образом, чтобы ток, потребляемый устройством, был не выше 2-5 мА, и чтобы не создавалась просадка по напряжению катода ФЭУ.
3. Выставить чувствительность компаратора так, чтобы в выходном сигнале отсутствовал паразитный высокочастотный шум накачки. Но при этом уверенно фиксировался гамма-фон от изотопа Am-241 (Применяется в датчиках дыма HIS-07). Если на Am-241 нет реакции, попробовать увеличить напряжение фотокатода подстроечником R1.

Вот несколько типичных осцилограм режимов чувствительности компаратора по Am-241:

Малая чувствительность (недостаток напряжения ФЭУ или неверная настройка)

В выходном сигнале шумы накачки:

Нормальная работа:

Запитка блока осуществляется подачей напряжения +3.3 вольта на контакты 2 и 3 Микро-USB разъёма, с контакта 4 снимается выходной сигнал. Земля подключается либо к корпусу разъёма, либо к контакту 5. Типовой потребляемый ток устройством 2-5 мА (8 мА при очень высоких напряжениях катода), в момент старта подачи питания возможны всплески тока до 50-100 мА.

Сборка:
Сборку следует начинать с физического блока. Оптические поверхности ФЭУ и кристалла следует качественно протереть так, чтобы не осталось даже разводов на стеклах.
Контакты ФЭУ следует аккуратно выпрямить, после чего залить чёрным термоклеем Rexant место входа контактов в стекло. Заливать надо так, чтобы не оставалось пузырей, и чтобы герметизирующий конец колбы полностью скрылся в термоклее. После чего между ФЭУ и кристаллом размещается капля светопроводящего состава, надевается черная термоусадка Rexant 20мм и усаживается так, чтобы кристалл был полностью в ней, с маленьким бортиком 2-3мм, а нижний конец термоусадки полностью закрыл термоклей. В момент усаживания, надо обратить внимание, что греть в месте контактов не следует, до момента впайки первой платы.

Платы с целым индексом изготавливаются на текстолите 1.6мм толщиной, а изоляторные платы с дробным индексом .5 изготавливаются на текстолите 0.8 мм толщиной.

Как уже стало классикой для моих мало-потребляющих конструкций, пайку я рекомендую осуществлять с флюсом EFD 6-412-A Flux Plus, т.к. он имеет объемное сопротивление близкое к бесконечности. А отмывку плат лучше делать в УЗ ванне с сильным моющим средством, к примеру Elma Tec Clean A4.

Стоит особо отметить, что при пайке конденсаторов 47н 450В на конденсаторные платы "Part 1", между фото-катодом и динодом 1, их надо устанавливать ровно в 2 раза меньше, чем между другими динодами. В точности как на приведенной выше схеме. Т.е. на одной из двух плат "Part 1" эти конденсаторы должны быть запаяны, а на другой нет. Я не стал из за такой мелочи делать еще один вариант платы, и решил что "дешевле" учесть этот нюанс при пайке.

Затем на контакты ФЭУ последовательно одеваются и пропаиваются уже готовые и промытые платы в последовательности:
Part 0, Part 0.5, Part 1, Part 0.5, Part 1, Part 0.5, Part 2, Part 2.5, Part 3, Part 3.5, Part 4, Part 4.5, Part 5.
По мере напайки плат неиспользуемые контакты ФЭУ откусываются, а перемычки между платами добавляются в соответствующие отверстия. При откусывании контактов надо обратить внимание: структура плат рассчитана на то, что откусываться контакт будет “под корешок” сразу при выходе из платы 1.6мм. То есть торчать вверх он не должен, иначе следующая плата не встанет ровно на свое место.

После этого подготавливается лист пермаллоя марки 78 НМ толщиной 0.1 мм. Длина его должна быть на ~10% больше ФЭУ, а ширина такой, чтобы при сгибе он образовал плотное кольцо. Пермаллой не очень податливый материал, и плохо принимает округлые формы, поэтому сгибать его в трубку надо в несколько повторяющихся этапов, начиная от малых радиусов скругления, до нужного, с отжигом до покраснения в пламени газовой горелки. Отжиг так же важен тем, что пермаллой при деформации теряет свои магнитные свойства. После окончательного отжига строго запрещается деформировать пермаллой или оказывать на него сильные сдавливающие воздействия. Поэтому гнуть его надо аккуратно в габарит. Если после надевания экрана на ФЭУ он где-то немного топорщится, хотя бы на 0.5 мм, можно аккуратно, без сильных усилий сделать бандаж тонким полиамидным термостойким скотчем.

Затем на кристалл надевается еще слой термоусадки D=20мм, чтобы сравнять диаметр конструкции.
Потом берётся чёрная термоусадка Rexant 25мм, и усаживается на конструкцию в целом.

Получившаяся “слоёнка” - это готовый блок “физики”, который должен плотно входить в алюминиевую трубу диаметром 25мм с толщиной стенки 1мм.

К аналоговой плате припаивается выточенный из текстолита кружок-заглушка, для этого на торце платы предусмотрены 4 точки пайки.
Один торец трубы зачищается.

А со стороны кристалла снимается 2 слоя термоусадки на глубину 3 мм, чтобы образовалось небольшая ложбинка.

Потом в ложбинку заливается термоклей, а с другой стороны стык алюминий-заглушка пропаивается. Трубу надо предварительно залудить спец. флюсом и припоем.

По желанию, после сборки сверху может быть на трубу посажена термоусадка, чтобы скрыть обработку торцов, да и вообще, чтобы хорошо лежал в руке.

Результат, диаметр=25.8мм, длинна=223мм, вес=161гр.

В комплекте с дозиметром Ультра-Микрон 4.08

Файлы плат содержат схемотехнику, порезанную на отдельные платы, для простоты понимания, что с чем стыкуется. Сами файлы в Альтиуме. Симуляция высоковольтного каскада в Протеусе, там больше ступеней, но в целом дает проверить принцип работы.

Готовые герберы уже загружены на OSHPark и могут быть там заказаны по ссылкам:
Part 0
Part 1
Part 2
Part 3
Part 4
Part 5

Part 0.5
Part 2.5
Part 3.5
Part 4.5

Аналоговая плата

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Altium Designer
• Proteus