Design and development of an FPGA controlled silicon PIN photodiode detector array for neutron detection

Abstract

Silikon PIN fotodiyotlar uzun yıllardır iyonize radyasyonun deteksiyonu için kullanılmaktadır ve özellikle son yıllarda çevresel radyasyon ölçümlerinden, X-ışını görüntülemeye kadar pek çok farklı uygulamada kullanılmış ve kullanılmaya devam etmektedir. Bu detektörler aynı zamanda hızlandırıcı tesislerinde ışın demeti kaybı ve güvenlik amaçlı olarak da kullanılabilmektedir. Silikon PIN fotodiyotlar, özel bir dönüştürücü malzeme ile birlikte kullandıklarında nötron deteksiyonu için de kullanılabilir. 10B ve 6LiF, termal nötron deteksiyonunda en sık kullanılan nötron-yüklü parçacık dönüştürücü malzemelerdir. Bu malzemeler termal nötronun absorbe edilmesinin ardından alfa ve triton ışımaları yaparlar. Bu parçacıklar ise Silikon PIN fotodiyotlarda kolayca detekte edilebilirler. Hızlı nötronların söz konusu olduğu durumda ise, polietilen yüksek hidrojen içeriği dolayısıyla en sık kullanılan dönüştürücü malzemedir. Hızlı nötronlar, polietilen içerisindeki hidrojenin tek protonunu, elastik çarpışma ile, polietilen molekülünden söküp dışarı atabilirler. Serbest hale geçen bu protonlar, daha sonra detektöre ulaştıklarında, silikon içerisinde bıraktıkları enerji dolayısıyla deteksiyonları gerçekleşmiş olur. Literatürdeki çalışmalara bakıldığında, farklı malzemelerde dahi, ikincil parçacık üretim ve absorbe olma oranları belli bir dönüştürücü kalınlığının üzerinde genellikle sabit kalmaktadır. Optimum kalınlık değerinin, birkaç yüz mikron olduğu görülmektedir. Silikon PIN fotodiyot kullanılarak tasarlanan detektör sistemlerinin çoğunda, küçük yüzeyli ve tek bir fotodiyot kullanıldığı görülmektedir. Bu detektörlerin sinyal elektroniği ve kontrol birimleri de çoğunlukla ticari ve oldukça pahalı cihazlardan oluşmaktadır. Bu tez çalışmasında mevcut nötron deteksiyon sistemlerine alternatif, tüm elektronik ve kontrol birimlerini barındıran bir sistem geliştirilmiştir. Düşük maliyetli ve dokuz adet First Sensor firmasına ait PS100-CER-PIN2 model penceresiz Silikon PIN fotodiyot kullanılarak geliştirilen detektör, çeşitli hidrojen zengin dönüştürücü malzemelerle test edilmiştir. Geliştirilen yeni nötron detektöründe herbir sensör elemanının kendine ait, bağımsız, bir sinyal okuma elektroniği bulunmaktadır. Bunlar son derece düşük gürültülü JFET temelli bir yük hassas ön yükseltici ve işlemsel yükseltici (Op-Amp) temelli bir şekillendirici yükselticiden oluşmaktadır. Ön yükseltici, doğrudan sensöre bağlı olan ilk yükseltme katmanıdır ve düşük gürültülü olması düşük enerjili protonların detekte edilebilmesi açısından oldukça önemlidir. Her sensör kanalından gelen sinyaller, bağımsız olarak işlenmektedir ve belli bir eşik değerinin üzerine çıkan sinyaller, yine her kanal bağımsız olmak üzere tek bitlik bir analog dijital çevirici devre elemanı yardımıyla dijitalize edilmektedir. Son olarak dijital sinyaller bir FPGA işlemcisi yardımıyla, kullanıcı tarafından belirlenen süreler boyunca, birbirinden bağımsız olarak sayılmaktadır. Dijital sinyallerin sayım işlemleri 100 MHz' lik saat sinyali ile çalıştırılan FPGA işlemcisi içerisinde tasarlanmış sistem ile gerçekleştirilmektedir. VHDL dilinde tasarlanan sistem 10 ns gibi oldukça kısa zaman aralıklarında ve yüksek doğrulukta işlem yapabilme kapasitesine sahiptir. Okuma sistemi beş alt birimden oluşmaktadır. Bunlardan en önemlisi her sensör (fotodiyot) kanalını birbirinden bağımsız okuyan ve sayım işlemini gerçekleştiren sayıcı birimidir. Altında dokuz ayrı sayıcı modül bulunan bu ana birim, bir çeşit arayüz görevi görmektedir ve alt modüllere giden kontrol bilgilerinin tek elden alınması ve tüm alt modüllere dağıtılması görevini gerçekleştirmektedir. Ayrıca sayım işlemi sona erdiğinde verilerin tek elde toplanması ve ilgili diğer bir birime aktarılması süreci de yine burada kontrol edilmektedir. En alt katmanda bulunan ve asıl sayım işlemini gerçekleştiren sayıcı modüller farklı sebeplerden kaynaklanabilecek hatalı sinyalleri saymamak için, özel olarak tasarlanmıştır. Bu amaçla her bir modülün giriş kısmına bir kenar "detektörü" yerleştirilmiştir. Bu tür bir detektör, her saat vuruşu (clock cycle) için sinyal hattından örnekleme yapar ve okuduğu bu değeri bir önceki okuduğu değerle karşılaştırarak, gerçek sinyali hatalı sinyallerden ayırır. Bunu yaparken, gerçek sinyalleri, takip eden iki saat periyodunda, birbirinden farklı voltaj değerlerinde olması prensibinden yararlanmaktadır. Kenar detektörü bu farklılığı tespit ettiği anda bir kenar yakalamış ve gerçek sinyali belirlemiştir. Çünkü gerçek sinyallerin bir saat vuruşundan daha uzun olduğu bilgisi sensör hattından elde edilen dijital sinyaller kontrol edilerek belirlenmiştir. Hatalı sinyaller ise çoğunlukla, oldukça kısa süreli veya diğer bir tabirle yüksek frekanslı olmaktadır. Sinyal jeneratörüyle yapılan kontrollerde, sisteme verilen detektör çıkışına benzer bir sinyalin frekans değeriyle, elde edilen sayım sonucunun tutarlı olduğu açıkça gözlenmiştir. Sayıcılar 24-bit (16x106) sayım kapasiteli olarak tasarlanmışlardır. Yapılan testlerde 24-bit rezolüsyonun yeterli olduğu gözlenmiştir. Tüm sistem, diğer bir ana modül olan ve ölçüm süresini kontrol eden zamanlayıcı birimin kontrolü altında sayım işlemlerini gerçekleştirmektedir. Bu modülde belirtilen süre boyunca sayım işlemleri devam etmekte ve süre dolduğunda buradan gelen bir sinyalle, sayım işlemi sonlandırılmaktadır. Ardından, her bir sayıcı alt biriminden elde edilen sayım verisi bir sonraki modüle, Raspberry Pi' ye aktarılıncaya kadar bekletileceği, veri düzenleme modülüne gönderilmektedir. Veri düzenleme modülü, FPGA işlemcisi içerisinde tanımlanmış bir RAM bloğudur. Bu modül bağımsız sayıcılardan gelen 24-bit' lik sayım verilerininin sırasıyla analiz ortamına gönderilme sürecini yönetmektedir. Bu uygulamada görece standart bir iletişim protokolü olan seri hat kullanılmıştır. Bu hat üzerinde iletilebilecek maksimum veri büyüklüğü 8-bit ile sınırlı olduğundan, dokuz adet 24-bit' lik sayım verisinin herbiri 8' er bit' lik parçalara bölünerek Raspberry Pi' ye gönderilmesi gerekmektedir. Bu işlem de yine veri düzenleme modülü içerisinde gerçekleştirilmektedir. Ardından, veriler 8-bit' lik parçalar halinde iletişim sürecini yöneten UART modülüne sırasıyla aktarılarak, iletim işlemi gerçekleştirilmektedir. Raspberry Pi ile FPGA arasındaki iletişimi yöneten UART modülü, 115200 bit/s' lik hızla çalışmak üzere tasarlanmıştır. Bu hız aynı zamanda UART hattıyla, FPGA' dan bağımsız olarak, ulaşılabilecek en yüksek iletim hızıdır. UART modülü sadece verilerin Raspberry Pi' ye iletilmesini değil aynı zamanda Raspberry Pi' den gelen komut bilgilerinin FPGA' ya aktarılmasını da sağlamaktadır. Alınan bilgi daha sonra cihaz kontrol modülüne aktarılarak, ilgili komutlar işlenmekte ve yerine getirilmektedir. Sistemin mevcut halinde üç tip komut tanımlanmıştır. Herbir komut bir ascii karakteri ile eşleştirilmiş, böylece 8-bit' lik bir iletişim yöntemi sağlanmıştır. Buna göre "A" karakterine karşılık gelen "01000001" baytı ölçüm başlatma, "B" karakterine karşılık gelen "01000010" baytı ölçümü durdurma ve "C" karakterine karşılık gelen "01000011" baytı da sistemin resetleme işlemi ile ilgili tanımlanmış komutlardır. Bahsedilen komutların FPGA' ya gönderilmesi ya da FPGA' dan gelen ölçüm verilerinin anlamlı bilgilere dönüştürülmesi süreci, tamamıyla Raspberry Pi üzerinde gerçekleştirilmektedir. Bu süreç Python dilinde hazırlanmış grafik arayüzü bulunan bir programla yönetilmektedir. Buna göre belli butonlara basmak suretiyle, ilgili komutlar kolaylıkla FPGA' ya gönderilebilmekte ve sistemin işleyişi kontrol edilebilmektedir. Raspberry Pi tarafında, FPGA' dan gelen ölçüm sonuçlarının alınması ve düzenlenmesi sırasında, program sürekli iletişim hattını dinleme durumunda beklemektedir. Veri alışveriş sürecinde iletişim hattının iki tarafı, tanımlanan özel bir bayt ile göreceli olarak senkronize edilmiştir. Buna göre program, gelen ilk baytın program içerisinde tanımlanan başlangıç baytı olup olmadığını kontrol eder. Ondalık olarak 127, binary olarak "01111111" şeklinde tanımlanan bu haberci bayt, ardından gelecek 27 baytlık sayım verisinin habercisidir. Program bu ilk baytı gördükten sonra, ardından gelen baytları üçerli bloklar halinde alarak toplam 9 blok veri alım süreci gerçekleştirmektedir. Herhangi bir sebepten ötürü olası hatalı bir 28. bayt gelmesine karşılık, bu süreç 27 bayt ile sınırlandırılmıştır. Yeni bir veri kabulu sadece en baştaki haberci baytın yeniden gelmesiyle mümkün olmaktadır. Veri alım süreci bittikten sonra, her bir sensör kanalından elde edilen sayım değerleri, grafik arayüz ekranında, ilgili kanalın adını belirten kısımda gösterilmektedir. Burada gösterilen her veri, eş zamanlı olarak her kanal için ayrı olmak üzere bir metin dosyasına kaydedilmektedir. FPGA temelli ölçüm sistemi, kompakt bir cihaz oluşturma adına görevini başarıyla yerine getirmektedir. Ancak detektörün daha detaylı testlerinin yapılması amacıyla, enerji spektrumlarının elde edilmesi için, bazı spektroskopik ölçümler yapılması öngörülmüştür. Bu amaçla mevcut şekillendirici yükseltici yerine, dokuz sensörden bir tanesi, Model 2020 NIM spektroskopi yükselticiye bağlanmıştır. Yükseltme oranlarının ve şekillendirme zaman sabitlerinin kolayca ayarlanabilmesi ve unipolar sinyal çıkışı vermesi, bu yükselticinin tercih edilmesinin nedenidir. Model 2020, sadece nötron deteksiyonu ile ilgili karşılaştırma ölçümlerinin değil, aynı zamanda gama ve alfa ışınlarıyla ilgili ölçümler yapılmasına da imkan vermiştir. Spektroskopik ölçümlerden ilki 226Ra kaynağının yaydığı alfa ışınlarının deteksiyonuna yöneliktir. Oluşan protonların silikon malzeme içerisinde oluşturacakları sinyalin yüksekliği bilinmediğinden, enerjisi bilinen alfa kaynağı ile yapılan ölçümlerin, yükselticinin kazancının ayarlanmasında faydalı olacağı düşünülmüştür. Bu nedenle 226Ra kaynağının alfa spektrumu alınmıştır. Alfa kaynağıyla yapılan testlerin ardından gerçekleştirilen nötron ölçümlerinde, çevirici malzeme olarak farklı hidrojen zengin malzemeler kullanılmıştır. Sayım sistemi ve spektroskopi sistemiyle eş zamanlı gerçekleştirilen ölçümlerde, yüksek yoğunluklu polietilen, parafin, plexiglass, FR4 ve silikon kullanılmıştır. Her iki sistemin ölçüm sonuçlarının belli bir eşik voltaj değerin üzerinde uyumlu sonuçlar verdiği görülmüş, dönüştürücü malzeme kullanılan ve kullanılmayan ölçümlerin birbirinden ayrıldığı belirlenmiştir. Am-Be nötron kaynağında bulunan 241Am' den, alfa parçacığının yanı sıra yayınlanan 59 keV' lik gama ışınının da gözlenmesi mümkün olmuştur. 241Am, 152Eu, 207Bi, 137Cs ve 60Co kaynaklarını kullanarak yapılan ölçümlerde, nötron ölçümlerinde kullanılandan 10 kat daha yüksek bir yükseltme katsayısı kullanılması gerektiği belirlenmiştir. Gama ışınlarının düşük sinyal genlikleri dolayısıyla, nötron ölçümlerinde gürültü seviyesinin altında kalmaları nedeniyle sayımlara katkıları bulunmadığı gözlenmiştir. Bu calışmada tasarımı yapılan ve prototipi üretilen bu tür bir detektör reaktörlerde hızlı nötronların akı tayini için, hızlandırıcı tesislerinde ya da nötron terapisi yapan sağlık merkezlerinde güvenlik amaçlı olarak kullanılabilir.

Silicon PIN photodiodes have been widely used for detecting ionizing radiation, especially in the last decade. They can be used in wide range of applications, from the measurements of environmental radiation to X-ray imaging. These detectors can also be used at accelerator facilities for beam loss monitoring and in accelerator tunnels for safety purposes. Silicon PIN photodiodes can be used for the detection of neutrons when a special converter material is used. 10B and 6LiF are widely used materials for converting thermal neutrons to charged particles. They emit alpha particles and Tritons respectively, followed by the absorption of thermal neutrons by their nuclei. These particles can be easily detected using a Silicon PIN photodiode. In case of fast neutrons, polyethylene (C2H4)n is one of the most frequently used converter material because of its high hydrogen content and its availability. Fast neutrons knock out the protons from hydrogen and they can reach Silicon detector positioned next to the converter material and deposit some energy in it. When these free protons reach the detector, they can be detected due to the energy deposited in Silicon structure. Studies showed that the production and the absorption rate of the secondary particles becomes more or less constant above a certain converter thickness (usually few hundreds of microns). For that reason, the converter materials to be tested were chosen to be thicker than 1 mm. Most detector designs using silicon PIN photodiodes are limited to the use of a single sensor with relatively small active surface area. The electronics and control units of these designs are mostly made from commercially available and expensive equipment. In this thesis work, an alternative to the available neutron detectors has been developed with complete electronics and control units. The detector has been developed using low-cost, windowless 9 Silicon PIN photodiodes from First Sensor with model number PS100-CER-PIN2 and tested with a variety of hydrogen-rich converter materials. There is an independent signal readout electronics for each individual sensor element in the newly developed neutron detector. These consist of a JFET based charge sensitive preamplifier and an OP-AMP based shaping amplifier. Preamplifier is the first stage of amplification and its low noise is very important in case of detecting low energy protons. The signals from each sensor channel are processed independently and the signals exceeding a certain threshold are digitized by means of a single bit analog digital converter circuit element for each channel independently. Finally, the digital signals are counted separately of each other for the duration determined by the user by means of an FPGA processor. Counting of digital signals is carried out by a system designed in FPGA processor which is operated with 100 MHz clock signal. The Multi Channel Counting System consists of five sub-units. The most important of these is the counter unit that reads each sensor (photodiode) channel independently and performs the counting process. This main unit, which has nine different counter modules underneath, acts as a kind of interface and performs the task of receiving and distributing control information to the sub-modules from a single source. Furthermore, the process of collecting data from individual pulse counters and transferring them to another relevant unit when the counting process is completed is also controlled here. An edge detector has been located at the entrance of each module. Such a detector samples the signal line for each clock cycle and compares the value to that of the previous reading, separating the actual signal from the false signals. In doing so, it takes advantage of the fact that the actual signals are of different voltage values over the next two clock cycles. As soon as the edge detector detects this difference, it detects an edge and determines the actual signal. Faulty signals are often of very short duration or, in other words, high frequency. In the tests performed with the signal generator, it was clearly observed that the count value obtained was consistent with the frequency value of a signal similar to the detector output supplied to the system. The counters are designed with a 24-bit (16x106) counting capacity. 24-bit resolution was found to be sufficient in the tests performed. The entire system performs counting operations under the control of another main module, the timer unit that controls the measurement time. The counting process continues for the specified time in this module and the counting process is terminated with a signal coming out when the time expires. Then, the counting data obtained from each counter sub-unit is sent to the data editing module, where it will be held until it is transferred to the next module, Raspberry Pi. The data organizer module is a RAM block defined within the FPGA processor. This module manages the process of sending 24-bit count data from independent counters to the analysis medium, respectively. In this application, a relatively standard communication protocol serial link is used. Since the maximum data size that can be transmitted on this line is limited to 8-bits, nine 24-bit count data must be divided into 8-bit parts and sent to Raspberry Pi. Then, the data is transferred to the UART module which manages the communication process in 8-bit segments, respectively, and then the transmission is performed. The UART module, which manages the communication between Raspberry Pi and FPGA, is designed to operate at a speed of 115200 bits/s. This speed is also the maximum transmission speed achievable with the UART line, independent of FPGA. The UART module not only allows data to be transmitted to the Raspberry Pi, but also allows the receiving of command information from the Raspberry Pi to the FPGA. The received information is then transferred to the device control module, the relevant commands are processed and executed. Three types of commands are defined in the current version of the system. Each command is mapped to an ascii character, to be able to provide an 8-bit communication method. Accordingly, the "01000001" byte corresponding to the "A" character is the defined command related to the start of the measurement, the "01000010" byte corresponding to the "B" character stops the measurement, and the "01000011" byte corresponding to the "C" character is the defined command for the system reset. The process of sending above mentioned commands to FPGA or converting measurement data from FPGA into meaningful information is carried out entirely on Raspberry Pi. This process is managed by a program with a graphical user interface in Python. Accordingly, by pressing certain buttons, the relevant commands can be easily sent to the FPGA and the operation of the system can be controlled. On the Raspberry Pi side, during the acquisition and editing of the measurement results from the FPGA, the program stays in listening mode on the communication link. In the data exchange process, the two sides of the communication link are relatively synchronized with a particular byte defined. Accordingly, the program checks whether the first byte received is the starting byte defined in the program. This header byte, defined as 127 in decimal and "01111111" in binary, is the precursor to the next 27 byte count data. After seeing this first byte, the program performs a total of 9 block data retrieval processes by taking the following bytes in triple blocks. Although there is a possible 28th byte for any reason, this process is limited to 27 bytes. A new data acceptance is only possible with the return of the original header byte. After the data acquisition process is completed, the count values obtained from each sensor channel are shown on the graphical user interface screen, indicating the name of the respective channel. Each data shown here is simultaneously recorded in a text file, separate for each channel. The FPGA-based measurement system successfully performs the task of creating a compact device. However, in order to obtain more detailed tests of the detector, some spectroscopic measurements are envisaged to obtain the energy spectra. For this purpose, instead of the existing shaping amplifier, one of the nine sensors was connected to the Canberra Model 2020 NIM spectroscopy amplifier. The amplification rates and shaping time constants are easily adjustable and give unipolar signal output. Model 2020 not only allowed comparison measurements for neutron detection, but also gamma and alpha rays. The first of the spectroscopic measurements is for the detection of alpha rays emitted by 226Ra source. Since the height of the signal to be generated by the protons formed in the silicon material is unknown, measurements with the alpha source of known energy are thought to be useful in adjusting the gain of the amplifier. Therefore, alpha spectrum of 226Ra source was taken. Different hydrogen-rich materials were used as the converter material in the neutron measurements after the alpha source tests. High density polyethylene (HDPE), paraffin, plexiglass, FR4 and silicon were used in the measurements performed simultaneously with the counting system and spectroscopy system. It was seen that the measurement results of both systems yielded concordant results above a certain threshold voltage value. From the Am-Be neutron source 241Am, it was possible to observe the 59 keV gamma ray emitted as well as the alpha particle. It was determined that an amplification coefficient of 10, higher than that used in neutron measurements, should be used in measurements using 241Am, 152Eu, 207Bi, 137Cs and 60Co sources. Due to the low signal amplitudes of gamma rays, it was observed that there was no contribution to the counts due to being below the noise level in neutron measurements.