Nėra nieko panašaus į dalelių fiziką, kad suprastumėte, jog egzistuojame begaliniame trimačiame pinbolo žaidime. Visur aplink mus subatominės dalelės lanko, susiduria ir statina kartu su linksmu apleidimu. Kai kurie kilę iš mūsų pačių kūnų, kiti – iš tolimų kosmoso pakraščių. Tačiau norint aptikti šį nematomą triukšmą, reikia įrangos, kuri gali kainuoti brangiai. Norėjau sukurti būdą, kaip aptikti bent kai kuriuos kamuoliukus už mažiau nei 15 USD.
Pagrindinė mano priežastis buvo turėti naują mokymo priemonę. Aš darau daktaro laipsnį. RWTH Acheno universiteto Fizikos institute III B, ir aš supratau, kad toks detektorius padėtų patenkinti mano mokytojo pareigas, kartu domėdamasis fizika, elektronika ir programinės įrangos projektavimu.
Laimei, man nereikėjo pradėti nuo nulio. Oliveris Kelleris iš CERN „S’Cool Lab“ sukūrė „pasidaryk pats“ dalelių detektorių, kuris remiasi nebrangiais silicio fotodiodais, kad aptiktų alfa ir beta daleles (atitinkamai oru švilpiančius helio branduolius ir laisvuosius elektronus) ir įvertintų jų energiją. Paprastai fotodiodai naudojami reaguoti į šviesą, pavyzdžiui, signalus, naudojamus šviesolaidinio ryšio metu. Tačiau įkrauta dalelė, atsitrenkianti į fotodiodą, taip pat sukels srovės impulsą, o didesnės energijos dalelės generuos didesnius impulsus. Praktiškai, atsižvelgiant į tipines sąlygas ir fotodiodų jautrumą, tai visų pirma reiškia beta dalelių aptikimą.
Keller projekte šie impulsai yra sustiprinami, konvertuojami į įtampą ir perduodami kabeliu iš detektoriaus garso lizdo į nešiojamojo kompiuterio ar išmaniojo telefono mikrofono įvestį. Tada duomenys suskaitmeninami ir įrašomi.
Mano kolega sukūrė CERN įrenginį, bet supratau, kad yra kur tobulėti. Praleidus analoginį impulsinį signalą per garso kabelį, detektorius buvo linkęs į triukšmą iš įvairių šaltinių. Be to, dizainas reikalauja savo maitinimo šaltinio, 9 voltų akumuliatoriaus pavidalu. Be vargo turėti atskirą bateriją, tai taip pat reiškia, kad netinkamai prijungę įrenginį į brangų išmanųjį telefoną atsiųsite nepriimtiną įtampą!
Stiprinimo triukšmo mažinimas
Nusprendžiau, kad šias problemas išspręsiu perkeldamas skaitmeninimą į fotodiodus. Kuo arčiau galėčiau prieiti, tuo mažiau triukšmo turėčiau kovoti. Triukšmui atsparūs suskaitmeninti duomenys gali būti siunčiami per USB jungtį, kuri taip pat galėtų tiekti maitinimą detektoriui.
BetaBoard naudoja trijų tipų spausdintinę plokštę: Dangtis (viršuje) ir korpuso plokštė (viduryje) neturi grandinės pėdsakų ir yra naudojami sukurti šviesai nepralaidų ir elektromagnetiškai ekranuotą gaubtą; apatinėje plokštėje yra fotodiodų detektoriaus matrica ir RP2040 mikrovaldiklis. Jamesas Provostas
Žinoma, norint skaitmeninti signalą iš fotodiodų, man reikės šiek tiek integruotos apdorojimo galios. Apsistojau prie RP2040 mikrovaldiklio. Nors jis turi žinomų problemų, susijusių su analoginiu-skaitmeniniu keitikliu, galite jas išspręsti, o lustas turi daugiau nei pakankamai skaičiavimo galios, taip pat įtaisyto USB valdiklio.
Pirmajame savo vadinamosios BetaBoard projekte sukūriau vieną spausdintinę plokštę, užpildytą RP2040, fotodiodų masyvu ir mažo triukšmo stiprintuvo integrinių grandynų rinkinį. Apvyniojau plokštę aliuminio juosta, kad šviesa neįjungtų nuotraukų detektorių. Rezultatai patvirtino koncepciją, tačiau pašalindamas garso kabelio triukšmą atradau, kad pristačiau naują triukšmo šaltinį: USB maitinimo šaltinį.
Aukštesnio dažnio triukšmas – daugiau nei 1 kilohercas – iš USB jungties kyla iš duomenų ir apklausos signalų, sklindančių per sąsają. Žemesnio dažnio triukšmas kyla iš pagrindinio kompiuterio kintamosios srovės maitinimo šaltinio – 50 hercų čia, Europoje. Aš išfiltravau aukšto dažnio triukšmą, įdėdamas žemųjų dažnių RC filtrą prieš stiprintuvų maitinimo įtampos kaiščius ir gausiai naudodamas kondensatorius likusioje grandinės dalyje. Išfiltruoti 50 Hz triukšmą aparatinėje įrangoje yra sudėtinga, todėl mano sprendimas buvo tiesiog integruoti skaitmeninį aukšto dažnio filtrą į programinę įrangą, kurią parašiau RP2040. (Aparatinės ir programinės įrangos failus galima rasti mano „Github“ saugykloje.)
Programinė įranga taip pat suteikia nuosekliąją sąsają su išoriniu pasauliu: žmogus arba programa gali siųsti komandas per USB kabelį ir atgauti duomenis. Parašiau Python scenarijų duomenims įrašyti ir vizualizacijai generuoti.
Kitas patobulinimas, kurį patobulinau savo pradiniame projekte, buvo tai, kad nebereikėjo apvynioti lentos aliuminio juosta (arba įdėti ją į konteinerį, kaip ir pradinėje Keller versijoje).
Norėdami tai padaryti, sukūriau du kitus PCB tipus, kurių išoriniai matmenys tokie pat kaip ir originali plokštė, bet be jokios grandinės. Pirmasis tipas turi dvi dideles išpjovas: atvirą sritį virš fotodiodų matricos ir stiprintuvų ir kitą sritį, esančią virš RP2040 ir jo palaikomosios grandinės. Fotodiodo išpjova yra apsupta plačiu metaliniu užpildu ant galinės ir priekinės PCB pusės, o užpildai sujungti per angas. Sudėdamas dvi tokio tipo PCB ant plokštės, kurioje yra komponentai, sukūriau gaubtą, kuris apsaugo nuo elektromagnetinių trukdžių.
Fotodiodas turi jungtį tarp teigiamai ir neigiamai legiruotų sričių, o tarp jų susidaro neutralus išsekimo sluoksnis. Įeinančios šviesos arba įkrautos dalelės (raudona linija) sukuria krūvininkų išeikvojimo srityje. Tai sukuria srovės šuolį tarp legiruotų regionų. Smailės aukštis yra proporcingas dalelės energijai.Jamesas Provostas
Antrojo tipo PCB veikia kaip kamino dangtelis su mažesne išpjova virš fotodiodų matricos, ant kurios uždėjau šiek tiek juodos juostos – pakankamai blokuoti šviesą, bet vis tiek leisti beta dalelėms pasiekti fotodiodus.
Rezultatas – tvirtas detektorius, nors ir ne pats jautriausias pasaulyje. Aš apskaičiavau, kad ten, kur mokslinio lygio detektorius užregistruotų 100 skaičių per sekundę iš tam tikro beta skleidėjo, gaunu apie 10. Bet jūs gali su juo atlikti reikšmingus matavimus. Kitas mano žingsnis yra suteikti jam galimybę aptikti alfa daleles ir beta daleles, kaip tai gali padaryti Keller versija. Galėčiau tai padaryti dabar modifikuodamas 10 USD kainuojantį fotodiodą, bet eksperimentuoju su būdais, kaip panaudoti pigesnius fotodiodus, naudojamus likusioje dizaino dalyje. Taip pat dirbu su dokumentacija, kad ją būtų galima naudoti klasėse, kuriose nėra prabangos turėti detektoriaus dizainerio!