company_banner

Собираем детектор космических лучей CosmicWatch. Часть 1: введение и планирование

Автор оригинала: Andrew Back
  • Перевод

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



Источник фото: CERN

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 силиконового компаунда, который 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 следующей статье, мы разберем весь процесс более подробно, а также рассмотрим обработку сигнала и приемы для его отделения от фонового излучения.


RUVDS.com
VDS/VPS-хостинг. Скидка 10% по коду HABR10

Комментарии 29

    +7
    Знакомая силиконовая оптическая смазка. Это все хорошо, но из статьи так не понял какие частицы мы будем ловить? Во вторых на фото пластиковый сцинтиллятор от бикрон, и видимо с чувствительностью к нейтронам, если посмотреть временные характеристики его, то там очень короткое время послесвечения, и чтобы хотя бы нормально считать, скорость счета нужна не менее 1Ггц! Обычные ЦАП будут мимо кассы пропускать большое количество частиц, если нам просто считать без фиксации энергии, то лучше делать высокоскоростной счетчик, а не цап, проще схема. ЦАП понадобится дорогой и скоростной, и еще нужен будет FPGA для него. Если говорить про фиксацию гамма излучения, то там сцинтилляторы более медленные у натрий йод активированного талием, как помню 40нс, а у цезий йод активированного талием 200нс, а у бромида ланта LaBr3(Ce) чуть больше чем у пластиковых. Пластик не подход для спектрометрии, только для счета.
    Еще есть самая главная характеристики у SiPM(полупроводникового ФЭУ, да и у любого ФЭУ) это рабочая частота света к которой он более чувствителен. У On Semi это ближе к красному свету, у Broadcom(их использует cern, и видимо в паре с LaBr3) это ближний ультрафиолет. Так же у сцинтиллятора есть частота света в которой они излучают, у LaBr3 это фиолетовый-ближний ультрафиолет, NaJ синий-фиолетовый, CsJ это желто-красный, у пластика не помню. Главный недостаток SiPM они уходят довольно быстро в насыщение, поэтому для маломальски нормального устройства их надо несколько, что стоит очень дорого, иначе мы очень сильно ограничены в пределах измеряемых значений. Вместе с быстрым пластиком, быстрым SiPM и медленным цап от микроконтроллера, на выходе будет лажа и SiPM будет уходить в насыщение. Для начала лучше делать на классическом ФЭУ и NaJ(TI), это проще и дешевле, и можно сделать дешево гамма спектрометр, правда с низкой скоростью счета. Главное не описан в статье принцип работы, и нет схемы… Статья не раскрывает тему совсем. Самое главное это просто игрушка, для изучения частиц подходит мало.
      +3
      Сцинтиллятор там пластик, детектирует он скорее всего мюоны просто срезая сигнал по амплитуде, все равно без совпадений и с таким объемом/апертурой сцинтиллятора это игрушка — ливни оно не осилит по апертуре, а селекцию частиц — потому что нет схемы совпадений. Ну и учитывая амплитудное разрешение пластика процентов в 30 или более — то об амплитудных измерениях вообще стоит забыть.
      +1
      Рад, что вас привлекла статья. Сезон ПЛИС пошел, похоже. Хочу выразить признательность за развернутое мнение, у вас огромный багаж знаний. Будет здорово, если вы поделитесь им более развернуто в отдельной статье. Уверен, что читателям было бы интересно сопоставить точки зрения разных профессионалов одной области. У нас еще 2 статьи по этой теме готовится, получилась бы интересная параллель. Что скажете?
        +3
        Bright_Translate просто изучал тему, читал литературу, хочу построить свой гамма спектрометр для проверки продуктов, только сделанного более по уму, чем большинство решений. Но вот никак руки не доходят реализовать. На самом деле в теме не так хорошо разбираюсь, как например ученные, чисто как технический специалист.
          +6
          Я прочел статью до конца в оригинале. У меня много вопрос возникло. Лично не совсем уверен, что там мюоны ловит детектор. Вот даташит на бикрон 408
          www.crystals.saint-gobain.com/sites/imdf.crystals.com//files/documents/bc400-404-408-412-416-data-sheet.pdf
          Который использовали в статье, у него чувствительность к рентгену, альфе, бета, и космическим лучам, мюонам.
          В этом даташите написано, что ловит еще нейтроны.
          www.phys.ufl.edu/courses/phy4803L/group_I/muon/bicron_bc400-416.pdf

          Альфу бету он точно не ловит, они не пройдут через корпус, а вот рентген может, с учетом того, что в помещениях все же пролетаю разные частицы в небольшом количестве, то скорее всего детектор ловит их, а не мюоны. Как помню мюоны детектируют высоко в горах, чтобы внешний фон не влиял на детектор. У меня дома примерно с такой же скоростью детектирует гамма частицы обычный дозиметр при фоне 16мкР/ч. Там еще проблема всей конструкции, что такой маленький SiPM на крупный кусок пластикового сцинтиллятора, там рабочая поверхность будет довольно маленькая, и имхо сколько показывает лампочка на детекторе в принципе столько мюонов им не поймать. Если бы в статье был обычный ФЭУ с большим окном, то сомнений у меня не было. На самом деле дешевле поиграться можно с фотодиодами, и даже сделать альфа спектрометр на них. SiPM имеет смысл с быстрыми сцинтилляторами с хорошим выходом, например LaBr3, LYSO, там маленьким кристаллом можно быстро много наловить. Вас не минусовал.
            +8
            Есть 3 компоненты космических лучей — мягкая, жесткая и ядерно-активная (нуклонная). Мягкая — это электрон-фотонные ливни, и жесткая — это мюоны в основном, а так же частицы вторичных ливней (электроны и др) и нейтрино, и 3 — ядерно-активные тяжелые частицы (каоны, пионы и тп)
            На уровне моря преобладает жесткая компонента, с увеличением высоты растет число частиц мягкой компоненты, поэтому в горах ставят детекторы, где нужно наблюдать мягкую компоненту. Мюонники прекрасно работают на уровне моря и даже под землей. Т.к. мюон имеет большую энергию, то вспышку в сцинтилляторе он дает много ярче малоэнергетичных частиц, которые рождаются в радиоактивных распадах. В детекторе космических мюонов достаточно сделать дискриминацию импульсов по амплитуде, чтоб отсеять наверное 99,9% частиц фона, порожденного распадом. В среднем (и с некоторыми упрощениями) на уровне моря плотность потока частиц, которые сможет зарегистрировать детектор (исключаем нейтрино) 1 частица на кв. см площади детектора в минуту.
            Для дискриминации мюонов в простейшем случае нужно 2 детектора, разделенных слоем свинца или иного поглотителя. Мюон вызывает срабатывание обоих детекторов, включенных по схеме совпадений, другие частицы через свинец не проходят (с поправками на энергии и тп, разумеется)
              +1
              Neuromantix, спасибо за ответ, не знал.
                +1
                Очень полезно, спасибо за разъяснения.
            +2
            Может, АЦП, а не ЦАП?
              +1
              Да, спасибо, опечатка. И там еще опечатка вместо частоты света правильно написать длина волны.
              0
              скорость счета нужна не менее 1Ггц

              А ФЭУ обеспечит разве такое временное разрешение? Пусть световой импульс хоть фемтосекундный будет, но сам ФУЭ (не важно вакуумный или кремниевый) будет на выходе сигнал с микросекундными фронтами иметь, который можно хоть STMF103 захватить уже.
                0
                У популярной Hamamatsu R6233
                [Time Response] Rise Time Typ. 9.5 ns
                [Time Response] Transit Time Typ. 52 ns
                А у лучших SiPM там несколько сотен пикосенд.
                Микросекунд не будет там. Есть научная статья по созданию гамма спектрометра на основе АЦП звуковой карты, ФЭУ и кристалла NaJ(TI), все эту схему в общем копируют, там в статье же есть сравнение с нормальным решением, в общем захватывает это решение только около 10% всех частиц. Все больше зависит от временной характеристики сцинтиллятора, поэтому быстрые сцинтилляторы требуют более быстрого счета.
                Потребность науки в быстрых SiPM и сцинтилляторах востребована, для лучшего изучения происходящих процессов. В случае спектрометрии можно устать пару часов делать анализ низкоактивных источников — например продуктов питания.
                  0
                  Можно ссылочку на оригинал статьи? На ФЭУ-35 отчётливо видел экспоненты разряда ёмкости длинной в сотни микросекунд, но там нагрузка это щупы 10 МОм были.
                    0
                    Пожалуйста www.hamamatsu.com/eu/en/product/type/R6233/index.html
                    По SiPM можете к примеру на mouser посмотреть их временные характеристики.
                    Вот график нашел по быстрому, был еще график другой, там поменьше были значения. Для счета там не обязательно высокая скорость счета для классических NaJ(TI) и CsJ(TI), а вот для спектрометрии надо захватить верхушку. Как решение проблемы, это преобразовывать сигнал в меандр, и растянуть по времени. Самые быстрые сцинтилляторы пластиковые, выше по сообщениям сможете найти даташиты. Поэтому выше был совет использовать NaJ(TI) или CsJ(TI), у них временные характеристики не такие агрессивные.
                    6b4dfzn-FOv-M
                    S9c-Xv-Qd-Dd-I
                      0
                      Я имел в виду ссылку на эту
                      Есть научная статья по созданию гамма спектрометра на основе АЦП звуковой карты, ФЭУ и кристалла NaJ(TI), все эту схему в общем копируют, там в статье же есть сравнение с нормальным решением, в общем захватывает это решение только около 10% всех частиц.


                      Вакуумный ФЭУ по идее же все фотоны получит, независимо от длинны импульса? А выход можно конденсатором интегрировать, чтоб АЦП успел захватить, если импульсы редкие но короткие. Или там слишком нелинейная зависимость от энергии частицы тогда будет, если не чисто пик считать?
                0

                А вообще, скорость преобразования на точность прибора не влияет. Просто во время преобразования, прибор невосприимчив к последующие события. Но вспышки, хоть и короткие, но не так частые чтобы это было проблемой.


                А вот, быстродействие пикового детектора чрезвычайно важно. Но это аналоговое устройство, причем простое, так что получить приемлемое быстродействие не так сложно.

                  +1
                  Для детектора по принципу совпадений это вообще не важно ни в каком виде, там не амплитудные, а временнЫе измерения, поэтому там даже АЦП не нужен.
                +3

                "Что потребуется:"

                Где там сцинтилятор и фотоумножитель?

                  0
                  Так это статья с какого-то сайта типа arduino.uk
                  В наших реалиях лучше взять ФЭУ, который стоит дешевле ардуинки 3 баксовой, кристаллик NaJ(Tl) и строчник от телевизора для питания что-то порядка 2кВ найти на какой-то из обмоток (нам не спектры писать, так что стабильности напряжения +- тапок будет достаточно).
                    +1
                    Не нужен там кристаллический сцинтиллятор. Хотя б потому что он слишком мал. Стабильность напряжения нужна для работы дискриминатора.
                      0
                      Neuromantix да, от стабильности напряжения очень будут зависить показания АЦП. Да и на дешевых микроконтроллерах АЦП любят плыть, тому простой пример всякие китай LCR измерители, там люди ради получения хотя бы чуть адекватных значения пытаются ставить кварцевые генераторы получше, но все равно ENOB там тухлый.
                      0
                      Вредный совет со строчником, смотря какая ФЭУ у hamamatsu там до 1200в, как знаю люди их запускают уже на 700в, видимо это снижает скорость счета, чтобы удобнее захватить с помощью АЦП звуковухи. Вообще там потребление очень маленькое(темновые токи там в нА исчисляются) и достаточно безопасного источника в пару мА, ток ограничивают, чтобы не убило. Про это тут на хабре уже писал Максим Madmax. Там еще в зависимости от ФЭУ надо подавать с положительной или отрицательной полярностью.
                        0
                        Потребление на резисторах получается больше, так как обычно под рукой только мегаомные, ну и строчник тоже легко вытащить откуда-то. А вот чем стабилизировать — чем-то вроде вакуумного стабилитрона высоковольтного?
                          0
                          Scinolim если повышающая схема на умножителе, то стабилизируют линейными регуляторами низковольтное напряжение, и на выходе по желанию ставят RC фильтр. Способов много, все решают эту не тривиальную задачу по разному.
                      +1
                      прикольно, спасибо за текст.
                        0
                        . В CosmicWatch применяется Si-ФЭУ от ON Semiconductor (185-9609), который вы видите на фото выше в защитной упаковке.

                        По ссылке одно, а на фото другое. Или я что-то не понимаю?
                          0
                          Да, верно подмечено. На сайте поставщика выставлено ошибочное фото. Автор статьи не придал этому значения и просто дал ссылку. Мы в статье соответствующее фото поправим.

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                        Самое читаемое