CosmicPi: обнаружение космического излучения при помощи Raspberry Pi
Одноплатники можно использовать для любых проектов — от самых простых до самых сложных. Они уже работают на благо многих отраслей науки, промышленности, EdTech и т.п. Новый проект показывает, что одноплатники, включая Raspberry Pi, могут использоваться и в астрономии.
На днях в сети появилась информация о новом, относительно масштабном проекте по обнаружению космического излучения при использовании «малинок». Если кратко, то участники проекта с названием CosmicPi устанавливают у себя дома или на работе детектор излучения на основе одноплатника, открывают свое местоположение и предоставляют таким образом информацию о космическом излучении в своем регионе другим участникам. Стоимость детектора — менее $500, что очень недорого по меркам подобного оборудования. Подробнее о проекте — под катом.
Как все начиналось
Авторы CosmicPi начали разработку детектора космического излучения на базе мобильных устройств в 2013 году. Тогда они планировали использовать Android-девайс в качестве базы. У команды было большое количество оборудования, разработанного в рамках проекта ERGO в ходе хакатона CERN Webfest. Участникам требовалось разработать прототип детектора, используя плату Arduino ADK, пиксельный детектор от ERGO и, конечно, программный код.
Прототип заработал, но у него было несколько недостатков. Кроме того, разрабатывать подобное оборудование было не так-то и просто из-за несовершенства самих Android-девайсов и недоразвитого USB-интерфейса в этой ОС. В итоге прототип забросили, возобновив работу над ним лишь после появления Raspberry Pi.
После этого автор пару лет изучал возможности «малинки». Большинство персональных проектов автора базировались на использовании беспроводных сетей, сотовых сетей, камер, акселерометров и т.п. После того, как авторы осознали, что USB-интерфейс у Android-девайсов особо улучшать никто не собирается, они вплотную занялись адаптацией RaspberryPi для своих целей.
Детектор Cosmic Pi HAT, Raspberry Pi и бананчик для сравнения размеров
Разработка ускорилась после выхода спецификации Pi Hat, благодаря чему стало возможным все компоненты для детектора установить на плату.
Кто и как все это реализовывал?
Команда проекта включает 6 человек, среди которых специалисты по электронике, RaspberryPi и микрочастицам. Главная цель команды — создание небольшого, недорогого и относительно простого для сборки детектора мюонов. Это изначально был некоммерческий проект, который сразу собирались отпустить в свободное плавание, то есть распространять по свободной лицензии.
Детектор в виде модуля подключается к Raspberry Pi B+, который при помощи специального обеспечения занимается сбором, хранением и анализом данных, поступающих от детектора.
В идеале система должна включать:
• Вселенную: генератор элементарных частиц, которые участники проекта и пытаются обнаружить.
• Сцинтилляционный детектор, высокочувствительный, стабильный и недорогой в производстве.
• Кремниевые фотоумножители (SiPMT), компактные модули, исключающие необходимость в источниках высокого напряжения.
• Схема усиления и считывания данных (ее создание — очень непростая задача).
• Дополнительные датчики для контроля температуры, высоты, относительной влажности и положения в пространстве.
• Точная система синхронизации и срабатывания триггера с точностью до 300 нс.
• Система хранения всех собранных данных.
• Локальный веб-сервер для отображения работы детектора.
• Система анализа для реконструкции ливня космических лучей
При помощи внешнего усилителя происходит обнаружение космического излучения, за счет съема данных со сцинтилляционного детектора
Детектор уже готов, команда проекта хотела бы предоставить свои наработки всем желающим. Кроме того, планируется производство первой партии детекторов в количестве 100 юнитов. Стоимость одного — около $500.
А что там насчет элементов детектора?
Система обнаружения мюонов состоит из:
• Блок питания постоянного тока.
• Квадратурный энкодер Agilent, 32-битный счетчик, 33 МГц.
• Модуль RF Solutions GPS.
• Выделенные аналоговые входные каскады.
• Триггеры событий.
• 2-канальное аналогово-цифровое преобразование через SPI.
• Датчики температуры, давления и относительной влажности по I2C.
После нескольких итераций с использованием EagleCad была создана работоспособная схема. Ее разместили на Pi Hat. Подавляющая часть принципиальных схем и печатная плата были разработаны в основном между полуночью и 3 часами ночи и, следовательно, содержали больше ошибок, чем можно допустить для серийной модели. Сейчас команда все еще находится в процессе завершения отладки V1.0.
Прототипы находятся здесь в репозитории CERN OHL — возможно, вам захочется поработать над всем этим самостоятельно. Основные проблемы были связаны с ошибками в посадочных местах компонентов SMT, несколькими сигналами, неправильно маршрутизированными из-за ошибок в схемах, и парой сигналов, которые были забыты и должны были быть добавлены с помощью перемычек. Все ошибки, обнаруженные во время уик-энда хакатона, были исправлены.
В целом, все заработало почти сразу, хотя потом пришлось вносить много исправлений и улучшений. Что касается программного обеспечения, то все необходимое было написано на Python.
А что сейчас?
Все, что касается истории создания детектора и описано выше, относится к периоду 2015–2016 гг. За прошедшее время авторы не только доработали все, что можно, но и масштабировали свой проект. На этой неделе проект был подключен к Grafana, благодаря чему пользователи могут в режиме реального времени видеть, что происходит.
Можем это сделать и мы, на официальном сайте проекта — CosmicPi.
Если есть желание помочь или просто покопаться в исходниках, то вот GitHub проекта.
