[Перевод] Собираем детектор космических лучей CosmicWatch. Часть 1: введение и планирование
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 80×108.5×45 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» 128×64 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.