نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 آزمایشگاه طراحی مدارهای مجتمع، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی شاهرود، صندوق پستی: 316، شاهرود - ایران

2 دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی شاهرود، صندوق پستی: 316، شاهرود - ایران

چکیده

تحقیقات اخیر نشان داده است که دیودهای نوری PIN در حوزه آشکارسازی پرتوهای یون‌ساز، به خصوص در پزشکی کاربردهایی دارند. در این تحقیق سه نمونه مدار آشکارساز اشعه ایکس مبتنی بر دیود نوری، در حالت پالسی تحلیل، شبیه‌سازی و ساخته شده است. پیش‌تقویت‌کننده در این مدارها، ساختار کاملاً متمایزی دارد و تعداد طبقه‌های تغییرشکل‌دهنده پالس و نحوه بایاس دیود نوری، در هر مدار متفاوت است. مدار اول به دلیل ساختار ساده، هزینه ساخت کم‌تری دارد. مدار دوم دارای پیش‌تقویت‌کننده با امپدانس بازخورد بوده که پالس‌هایی با دامنه بزرگ ایجاد می‌کند. مدار سوم به دلیل داشتن ساختار پیش‌تقویت‌کننده ترانزیستوری با خازن بازخورد کوچک، نویز بهتری نسبت به مدار دوم داشته و بهره آن از مدار اول بزرگ‌تر می‌شود. برای انجام آزمایش‌های عملی از حس‌گر 01-1223S شرکت Hamamatsu به عنوان آشکارساز استفاده شده که با استفاده از چشمه Th232 تهییج می‌شود. با مقایسه بهره، توان اتلافی و دوره پالس مدارها می‌توان گفت، مدار دوم با بهره تبدیلی  dB75/66، بزرگ‌ترین دامنه را در اختیار دارد؛ هم‌چنین مدار اول با توان نویز 2nV15/1 و توان اتلافی  mW6/36، کم‌ترین نویز و مصرف انرژی را در میان سایرین به ثبت رسانده است. مدار سوم با دوره زمانی  μs2/8، کم‌ترین عرض پالس و زمان مرده را دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The investigation and comparison of three photodiode-based candidate structures for detecting the X-ray

نویسندگان [English]

  • A.R. Mousazadeh Moghaddam 1
  • M.R. Ashraf 1
  • M. Kafaee 2

1 Integrated Circuits Design Laboratory, Faculty of Electrical Engineering, Shahrood University of Technology, P.O.Box: 316, Shahrood - Iran

2 Faculty of Electrical Engineering, Shahrood University of Technology, P.O.Box: 316, Shahrood - Iran

چکیده [English]

Recently, research has shown that PIN photodiodes can be used in ionization radiation detection, especially in medical applications. In this research, three photodiode-based X-ray detectors have been implemented. The preamplifiers in these circuits have completely different structures; the number of pulse shaper stages and the bias of photodiodes are different. The first circuit benefits lower manufacturing costs due to its simple structure. The second circuit has a preamplifier with feedback impedance that generates pulses with a large amplitude. The third circuit has better noise than the second circuit due to the transistor preamplifier structure with a small feedback capacitor, and its gain is larger than the first circuit. The S1223-01 photodiode from Hamamatsu Corporation has been utilized in the experiments, which is excited using the 232Th. Comparing the conversion gain, dissipation power, and pulse period of these circuits, the second circuit with a gain of 66.75-dB can be claimed to have the largest amplitude. Also, the first circuit with a noise power of 1.215-nV2 and a dissipation power of 36.6-mW, has recorded the lowest noise and energy consumption among others. The third circuit with a time period of 8.2-μs has the lowest pulse duration and dead time.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ionization radiation detection
  • X Ray
  • Photodiode
  • Pulse Mode
1. B. Kainka, Measure gamma rays with a photodiode, Radiation Detector Using a BPW34, Elektor, 419, 22 (2011).
 
2. F. Baniyaghoobi, et al., Radiation accidents and how to deal with it, MCS, 1(1), 43 (2014) (In Persian).
 
3. S. Zhao, G. Lioliou, A.M. Barnett, X-ray spectrometer with a low-cost SiC photodiode, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., 887, 168 (2018).
 
4. P. Mitra, et al., Optimum Energy Compensation for Current Mode Application of Silicon PIN Diode in Gamma Radiation Detection, IEEE Transactions on Nuclear Science, 63(6), 2777 (2016).
 
5. B. Kainka, Improved Radiation meter, counter for alpha, beta and gamma radiation, Elektor, 99, 20 (2011).
 
6. B. Kainka, Radiation Meter Reloaded, Simple modifications open up new possibilities, Elektor, 102, 54 (2012).
 
7. T. Beckers, Radiation meter, Elektor, 102, 44 (2012).
 
8. J. Rodriguez, M.S. thesis, Texas Tech University, (2014).
 
9. E. Emirhan, et al., A low cost X-ray imaging device based on BPW-34 Si-PIN photodiode, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., 819, 1 (2016).
 
10. G.F. Knoll, Radiation detection and measurement, 4th ed. (Wiley, Ann Arbor, 2010).
 
11. M. Nakhostin, Signal Processing for Radiation Detectors, 1st  ed. (Wiley, Hoboken, 2018).
 
12. B. Razavi, Fundamentals of microelectronics, 2nd ed. (Wiley, Hoboken, 2006).
 
13. H. Spieler, Semiconductor detector systems, 2nd ed. (Oxford University Press, New York, 2005).
 
14. A. Mousazadeh, M. Kafaee, M. Ashraf, Ranking of commercial photodiodes in radiation detection using multiple-attribute decision making approach, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, 987, 164839 (2021).