Разработка зарядочувствительного предусилителя для малогабаритного космического спектрометра гамма излучения

1.

Кафедра №7
“Экспериментальная
ядерная физика и
космофизика”
Разработка
зарядочувствительного
предусилителя для
малогабаритного космического
спектрометра гамма излучения
Научный руководитель: Коротков М. Г.
Со-руководитель: Ольшевский Е. И.
Студент: Макеев А. А. Б22-105
Институт Космофизики
Москва, 2025 г.

2. Цели

Цель и задачи научно-исследовательской работы
Цель: разработать зарядочувствительный усилитель (ЗЧУ) для использования
кремниевого PIN-диода в качестве детектора рентгеновского и гамма
излучения.
Задачи:
- создать зарядочувствительный усилитель;
- исследовать некоторые характеристики спектрометра на основе
кремниевого PIN-диода и разработанного зарядочувствительного усилителя.
2

3. Коэф затухания

PIN-диод
PIN-диод отличается от PN фотодиодов
тем,
что
имеет
дополнительный
нелегированный I-слой полупроводника, в
котором
происходит
эффективное
поглощение
фотонов
и
образование
электронно-дырочных пар.
3

4. Отражающие поверхности

Зарядочувствительный усилитель
На основе данной схемы была выполнена разводка печатной платы. Вырезанная плата
была экранирована после монтировки основных элементов схемы.
4

5. Экспериментальная установка

Спектры ОСГИ
На базе разработанного ЗЧУ была собрана схема для набора гамма-спектров с использованием
кремниевого PIN-диода. Усиленный сигнал с детектора поступал на осциллограф с целью контроля
работы ЗЧУ и на плату анализатора.
5

6. Результаты

Спектры ОСГИ
Цезий-137
Барий-133
Америций-241
Европий-152
6

7. Вывод

Калибровочная прямая "канал-энергия"
На основе спектров была проведена идентификация характерных пиков.
Полученные значения для каждого элемента были использованы для построения
калибровочной зависимости каналов спектрометра от энергии.
7

8.

Анализ зависимости разрешения от энергии
Полученная зависимость соответствует ожидаемой тенденции уменьшения
(улучшения) относительного разрешения с ростом энергии.
8

9.

Отношения эффективности регистрации и толщина слоя кремния
Для соседних пиков каждого из использованных в исследовании радиоактивных
элементов были рассчитаны отношения эффективностей регистрации. Эффективность
регистрации была определена как:
ε = Iэксп/Iтеор
Изотоп
Энергии пиков (кэВ)
Отношение
эффективностей ε2 / ε1
Eu-152
40.1 / 45.4
0.91 ± 0.04
Ba-133
31.0 / 35.0
0.91 ± 0.04
20.8 / 26.3
0.55 ± 0.05
Полученные значения Am-241
позволили использовать
закон ослабления
интенсивности гамма
Cs-137 активного32.2
/ 36.4
0.89 ± 0.05
излучения для расчёта толщины
слоя
кремния PIN-диода:
Iэксп =Iтеорexp(-μρx)
ε2/ε1 = exp(-(μ2-μ1)ρx),
где μ - массовый коэффициент ослабления, ρ - плотность кремния, x - искомая толщина.
Таким образом было рассчитано значение толщины слоя кремния:
D = 1.3 ± 0.5 мм
9

10.

Сравнение с предыдущей версией ЗЧУ
Разрешение спектрометра с предыдущей версией ЗЧУ:
R = (4.95 ± 0.08)% (полная ширина на полувысоте = 1.59 ± 0.03 кэВ)
Разрешение спектрометра с новой версией ЗЧУ:
R = (4.04 ± 0.04)% (полная ширина на полувысоте = 1.29 ± 0.01 кэВ)
10

11.

Заключение
Разработанный зарядочувствительный усилитель позволил улучшить
энергетическое разрешение спектрометрического тракта для линии 32 кэВ
излучения 137Cs на 0.3 кэВ. В результате исследований была построена
калибровочная прямая "канал-кэВ", определена зависимость разрешения от
энергии излучения, а так же рассчитаны отношения эффективностей
регистрации для соседних пиков каждого из элементов, с помощью которых
была найдена толщина активного слоя кремния используемого PIN-диода.
11

12.

Спасибо за внимание