Energi- og kostnadseffektivt gammastrålingsspektrometer

Dette prosjektet presenterer et lavkostnads- og energieffektivt mikrokontrollerbasert spektrometer som kan operere autonomt og utføre isotopidentifikasjon. Systemet er rettet mot målenettverk plassert i omgivelsene som krever bredt distribuerte og batteridrevne noder for tidlig varsling ved radioaktivt utslipp.

Hvordan måler man gammastråling?

Figur 1 viser et forenklet blokkskjema over metoden benyttet for å detektere og måle gammastråling.

På grunn av gammafotoners høye gjennomtrengningsevne kan de ikke detekteres direkte. Innkommende gammafotoner omdannes derfor til lavenergifotoner i form av ultrafiolett eller synlig lys ved hjelp av en scintillator. Når et slikt lysfoton absorberes av en silisium-fotomultiplikator (SiPM), genereres en kort elektrisk strømpuls. Amplituden på strømpulsen er proporsjonal med antallet absorberte lysfotoner. Ved hjelp av spesialisert avlesningselektronikk kan disse strømpulsene forsterkes og integreres for å estimere energien til det innkommende gammafotonet. Spektrometeret oppnår dette ved å benytte en Silicon Photomultiplier Readout ASIC (SIPHRA), en integrert krets konstruert for avlesning av fotondetektorer.

Vårt prosjekt

Dette masterprosjektet ble gjennomført ved Institutt for elektroniske systemer ved NTNU i samarbeid med Integrated Detector Electronics AS (IDEAS)  og omfattet design av elektronikk, programvare og mekanisk innkapsling av scintillatoren. Figur 2 viser en modell av det resulterende produktet.

• Elektronikken består av to egendesignede kretskort, som vist i figur 3. Hovedkortet inneholder en STM32U5 mikrokontroller for kontroll og dataprosessering, en Hamamatsu S14161-6050HS-04 SiPM, en bias generator brukt til å forsyne SiPM-en, en IDE3380 SIPHRA utviklet av IDEAS og en temperatursensor for termisk kompensering. De største reduksjonene av effektforbruk og kostnad kom av å benytte en mikrokontroller i stedet for en FPGA og å designe en bias generator tilpasset for et kompromiss mellom støy og effektforbruk. Datterkortet er ment som et modulært tilleggskort som kan gi ekstra funksjonalitet avhengig av bruksområdet. For dette prosjektet ble det designet et datterkort med batteritilkobling for selvforsynt drift og microSD-kort for lokal lagring av måledata. På grunn av det modulære designet kan man også benytte datterkort med andre funksjoner, for eksempel energihøsting og satellittkommunikasjon.

• Programvaren utnytter en hendelsesdrevet arkitektur for å minimere effektforbruket. Når SIPHRA-en indikerer en gammadeteksjon, våkner mikrokontrolleren og leser ut måledataene. Mellom disse hendelsene går mikrokontrolleren i dvalemodus og skrur av ikke-essensielle komponenter. For overvåkning av stråling i omgivelsene blir dette spesielt relevant, da det under vanlige omstendigheter kun vil detekteres lav bakgrunnsstråling sammenlignet med den potensielt høye strålingen som vil oppstå ved en atomulykke. Videre ble det implementert en algoritme for lokal isotopidentifikasjon på mikrokontrolleren. Dette er tiltenkt varsling ved deteksjon av isotoper som ikke er forventet i normal bakgrunnsstråling. For å kompensere for temperaturavhengigheten til SiPM-en benytter mikrokontrolleren temperaturmålinger til å justere spenningen VBIAS .

• Scintillatorinnkapslingen brukes for å sammenføye scintillatoren med SiPM-en og beskytte scintillatoren mot omgivelseslys, som kan føre til falske deteksjoner. Designet benytter interne reflektorer for å minimere tapet av genererte fotoner.

Resultater

En komplett prototype av det utviklede spektrometeret ble produsert og testet i et laboratorium. Det ble anvendt tre kontrollstrålekilder (Cs-137, Na-22 og Co-60) i tillegg til to scintillatorer (CsI(Tl) og CLLBC).

Figur 4 viser et eksempel på et pulshøydespektrum målt med spektrometeret. For Cs-137 oppnådde prototypen en full bredde ved halvt maksimum (FWHM) på 38.0 keV med CLLBC-scintillatoren og 71.0 keV med CsI(Tl)-scintillatoren, noe som resulterte i oppløsninger på henholdsvis 5.7 % og
10.7 %. Videre demonstrerte algoritmen for isotopidentifikasjon korrekt deteksjon av alle kontrollstrålekildene. I tillegg ble isotopen K-40 detektert som en del av bakgrunnsstrålingen.

Gjennomsnittlig effektforbruk ble målt til 52 mW, en betydelig reduksjon sammenlignet med tilsvarende spektrometre, som ROSSPAD, med et effektforbruk på 3200 mW [1]. Basert på tilgjengelig informasjon fremstår dette som det laveste rapporterte effektforbruket blant sammenlignbare spektrometre. Temperaturkompenseringen reduserte det maksimale temperaturinduserte avviket i 12-bit energimålingen til ±1 Least Significant Bit (LSB) over temperaturområdet 5–45 °C. Dette gjør spektrometeret egnet for bruk i omgivelser med varierende klima. Kombinert med en komponentkostnad på $28 (ekskludert SiPM, SIPHRA og scintillator) oppfylte prototypen målet om et energi- og kostnadseffektivt spektrometer. Ytterligere detaljer om arbeidet finnes i masteroppgaven [2] tilgjengelig i Nasjonalt vitenarkiv.