Собираем детектор космических лучей CosmicWatch. Часть 1
CosmicWatch - это проект Массачусетского технологического института из США и Национального центра ядерных исследований Польши. Он позволяет всем желающим с базовыми навыками в электронике собрать недорогой настольный детектор мюонов, рождающихся в результате столкновения космических лучей с атмосферой Земли.
В серии из трех статей мы рассмотрим сборку детектора CosmicWatch и при необходимости слегка модифицируем дизайн, чтобы задействовать более доступные компоненты.
Что потребуется
Отладочный модуль дисплея Grove-OLED 0.96 с SSD1308 Seeed Studio 104030008:
Фотодиод видимого света для поверхностного монтажа ON Semiconductor, MICROFC-60035-SMT-TR1:
Корпус из анодированного алюминия размером 80 x 108.5 x 45 мм:
Отладочная плата Arduino Nano:
Первичные и вторичные лучи
Первичные космические лучи – это высокоэнергетические протоны и ядра атомов, которые перемещаются по космосу почти со скоростью света. При этом есть свидетельства того, что значительная их часть исходит от взрывов сверхновых звезд. В результате их столкновения с земной атмосферой возникают каскады вторичных частиц, включая мюоны.
Мюон – это элементарная, то есть не состоящая из других, частица, которая похожа на электрон, но превосходит его массой примерно в 207 раз. Благодаря своей массе в электромагнитных полях такие частицы ускоряются медленнее, в связи с чем при равной энергии способны более глубоко проникать в материю.
Нас интересуют именно эти мюоны или вторичные космические лучи, поскольку они могут проникать в атмосферу, достигая не только поверхности планеты, но даже уходя в ее глубины.
Обнаружение мюонов
Если задуматься о детекторах частиц, то первым на ум обычно приходит счетчик Гейгера. В нем используется трубка, заполненная инертным газом, на которую подается высокое напряжение, что позволяет отсчитывать явления ионизации, вызываемые попадающими в трубку радиоактивными частицами. У этого прибора есть ряд ограничений, самое выраженное из которых, пожалуй, состоит в том, что на выходе сигнал всегда имеет одинаковую величину, независимо от типа и энергии регистрируемого излучения.
Материал сцинтиллятора:
Несколько более изощренная альтернатива состоит в использовании сцинтилляционного детектора, где излучение регистрируется уже сцинтилляционным материалом, который при его обнаружении дает вспышку света, в свою очередь регистрируемую фотоприемником. Такие детекторы в сравнении со счетчиками Гейгера имеют множество преимуществ, к числу которых относится возможность подбора соответствующего сцинтилляционного материала для обнаружения нужного типа излучения. Помимо этого, они более быстры, чувствительны, а также способны измерять энергию и интенсивность излучения.
Винтажный сцинтилляционный детектор на основе фотоумножителя:
Традиционно в подобных детекторах применялась трубка фотоумножителя (ФЭУ), посредством которой измерялся генерируемый сцинтиллятором свет. Такая трубка настолько чувствительна, что может обнаружить даже один попавший в нее фотон.
Трубка фотоумножителя:
Однако есть у ФЭУ и недостаток, который заключается не только в относительной дороговизне, но и в необходимости наличия высоковольтного источника питания.
SiPM (кремниевый фотоумножитель):
К счастью, в последние годы появились кремниевые фотоумножители (Si-ФЭУ), намного более компактная и в высшей степени удобная полупроводниковая альтернатива, которая также способна регистрировать вплоть до одного фотона. В CosmicWatch применяется Si-ФЭУ от ON Semiconductor (185-9609), который вы видите на фото выше в защитной упаковке.
Основные компоненты
На фото выше показан сцинтиллятор и Si-ФЭУ, а также небольшой тюбик силиконовой смазки, которая послужит прокладкой между ними. Сцинтиллятор и компаунд я приобрел у продавца на eBay, который к удобству предлагал нарезку материала в размер и небольшие тюбики силикона специально для проводников детектора CosmicWatch.
Все необходимое по физической части у нас есть, что еще нужно? Конечно же, понадобится корпус. В проекте CosmicWatch рекомендуется использовать определенный вариант, производимый в США. К сожалению, в UK такой найти не удалось, и было решено использовать вариант от RS Pro (195-1545) аналогичной конструкции, но слегка большего размера. Решить это можно просто: вырезать лазером подходящую под направляющие пластину, прикрепить к ней основную монтажную плату и задвинуть в посадочное место.
Помимо основной есть отдельная плата для Si-ФЭУ и сцинтиллятора, а также небольшая плата для разъема MicroSD карты. Комплект сенсора сначала нужно будет обернуть в отражающую фольгу и черный скотч, чтобы исключить попадание внешнего света, после чего уже прикрепить к основной плате. Сама основная плата включает в себя источник питания для датчика, а также схемы усилителя и пикового детектора для выхода.
Затем обработанный сигнал Si-ФЭУ подается на вход АЦП Arduino Nano (696-1667), который можно использовать для отправки данных по USB на подключенный компьютер либо записи на MicroSD карту.
Помимо этого, Arduino Nano может выводить статистику на дисплей с I2C-интерфейсом. Конструкция CosmicWatch предусматривает использование 0.96” 128x64 OLED, отмечая, что нужно обратить внимание на приобретение варианта с правильным порядком контактов гребенки. Учитывая, что на этот счет можно допустить ошибку, особенно если при покупке вам будет доступно только фото, мы решили попробовать аналогичный дисплей от Seeed Studio (174-3239). Поскольку корпус у нас несколько удлиненный, в любом случае придется подключать этот дисплей к плате кабелем.
Дальнейшие шаги
К этому моменту мы сформировали примерное представление о принципе работы детектора космических лучей. Далее по ходу сборки, описываемой в последующей статье, мы разберем весь процесс более подробно, а также рассмотрим обработку сигнала и приемы для его отделения от фонового излучения.
Перевод статьи Andrew Back: Building a Cosmic Ray Detector Part 1: Introduction and Planning
