Es gibt nichts Besseres als die Teilchenphysik, um uns bewusst zu machen, dass wir in einem endlosen dreidimensionalen Flipperspiel leben. Überall um uns herum bewegen, kollidieren und krachen subatomare Teilchen mit freudiger Nachlässigkeit. Einige stammen aus unserem eigenen Körper, andere aus den Grenzen des Kosmos. Doch um diesen unsichtbaren Tumult aufzuspüren, ist eine Ausrüstung erforderlich, die teuer sein kann. Ich wollte eine Möglichkeit schaffen, zumindest einige der Flipperkugeln für weniger als 15 US-Dollar zu erkennen.
Mein Hauptgrund war, ein neues Lehrmittel zu haben. Ich promoviere am Institut für Physik III B der RWTH Aachen und habe erkannt, dass ein solcher Detektor mir helfen würde, meine Lehrverpflichtungen zu erfüllen und gleichzeitig meine Interessen für Physik, Elektronik und Softwaredesign zu nutzen.
Zum Glück musste ich nicht bei Null anfangen. Oliver Keller vom S’Cool-Labor des CERN hat einen DIY-Partikeldetektor entwickelt, der auf kostengünstigen Silizium-Fotodioden basiert, um Alpha- und Betateilchen (bzw. Heliumkerne und freie Elektronen, die durch die Luft sausen) zu erkennen und ihre Energie abzuschätzen. Normalerweise werden Fotodioden verwendet, um auf Licht zu reagieren, beispielsweise auf Signale, die in der Glasfaserkommunikation verwendet werden. Aber auch ein geladenes Teilchen, das auf die Fotodiode trifft, erzeugt einen Stromimpuls, wobei energiereichere Teilchen größere Impulse erzeugen. In der Praxis geht es dabei unter den typischen Bedingungen und der Empfindlichkeit von Fotodioden hauptsächlich um die Detektion von Betateilchen.
Bei Kellers Design werden diese Impulse verstärkt, in Spannungen umgewandelt und über ein Kabel von einer Audiobuchse am Detektor zum Mikrofoneingang eines Laptops oder Smartphones übertragen. Anschließend werden die Daten digitalisiert und gespeichert.
Einer meiner Kollegen hatte das Gerät am CERN gebaut, aber mir wurde klar, dass es Raum für Verbesserungen gab. Durch die Übertragung des analogen Impulssignals über ein Audiokabel war der Detektor anfällig für Störungen aus verschiedenen Quellen. Darüber hinaus erfordert das Design eine eigene Stromquelle in Form einer 9-Volt-Batterie. Abgesehen von dem Aufwand, der mit der Verwendung eines separaten Akkus verbunden ist, bedeutet dies auch, dass Sie, wenn Sie das Gerät falsch anschließen, eine unzulässige Spannung an ein teures Smartphone senden!
Reduzierung des Verstärkungsrauschens
Ich beschloss, diese Probleme zu lösen, indem ich die Abtastung auf die Fotodioden verlagerte. Je näher ich ihm kam, desto weniger Lärm musste ich bewältigen. Die rauschresistenten digitalisierten Daten könnten dann über eine USB-Verbindung gesendet werden, die auch den Detektor mit Strom versorgen könnte.
Das BetaBoard verwendet drei Arten von gedruckten Schaltkreisen: Die Abdeckung [top] und ein Bodyboard [middle] Sie weisen keine Spuren von Schaltkreisen auf und dienen dazu, ein lichtdichtes und elektromagnetisch abgeschirmtes Gehäuse zu schaffen. Auf der unteren Platine befinden sich ein Photodioden-Detektor-Array und ein RP2040-Mikrocontroller. James Provost
Um das Signal von den Fotodioden zu digitalisieren, benötige ich natürlich etwas Rechenleistung an Bord. Ich habe mich für den Mikrocontroller RP2040 entschieden. Es gibt zwar einige bekannte Probleme mit dem Analog-Digital-Wandler, die Sie jedoch umgehen können, und der Chip verfügt über mehr als genug Rechenleistung sowie einen integrierten USB-Controller.
In meinem ersten Entwurf meines BetaBoard habe ich eine einzelne Leiterplatte erstellt, die mit dem RP2040, einem Fotodioden-Array und einem Satz rauscharmer Verstärker-ICs ausgestattet ist. Ich habe die Platine mit Klebeband aus Aluminiumfolie umwickelt, um zu verhindern, dass Licht die Fotodetektoren auslöst. Die Ergebnisse bestätigten das Konzept, aber während ich das Rauschen des Audiokabels eliminiert hatte, stellte ich fest, dass ich eine neue Rauschquelle eingeführt hatte: USB-Stromversorgung.
Das hochfrequente Rauschen (über ein Kilohertz) der USB-Verbindung stammt von den über die Schnittstelle fließenden Daten- und Abfragesignalen. Das niederfrequente Rauschen stammt von der Wechselstromversorgung des Host-Computers (50 Hertz hier in Europa). Ich habe das hochfrequente Rauschen herausgefiltert, indem ich vor den Versorgungsspannungsanschlüssen der Verstärker einen Tiefpass-RC-Filter eingefügt und im Rest der Schaltung großzügig Kondensatoren verwendet habe. Das Filtern von 50-Hz-Rauschen in der Hardware ist schwierig, daher bestand meine Lösung darin, einfach einen digitalen Hochpassfilter in die Software zu integrieren, die ich für den RP2040 geschrieben habe. (Hardware- und Softwaredateien sind in meinem Github-Repository verfügbar.)
Die Software stellt außerdem eine serielle Schnittstelle zur Außenwelt bereit: Ein Mensch oder ein Programm kann über das USB-Kabel Befehle senden und Daten abrufen. Ich habe ein Python-Skript geschrieben, um Daten zu protokollieren und Visualisierungen zu generieren.
Eine weitere Verbesserung, die ich an meinem ursprünglichen Entwurf vorgenommen habe, bestand darin, dass ich das Brett nicht mehr mit Folienband umwickeln musste (oder es in einen Behälter legen musste, wie in Kellers Originalversion).
Dazu habe ich zwei weitere PCB-Typen entworfen, mit den gleichen Außenmaßen wie die Originalplatine, aber ohne jegliche Schaltung. Der erste Typ verfügt über zwei große Ausschnitte: einen offenen Bereich über dem Fotodiodenarray und den Verstärkern und einen weiteren Bereich über dem RP2040 und seinen unterstützenden Schaltkreisen. Der Fotodiodenausschnitt ist von einer großen Metallfüllung auf der Vorder- und Rückseite der Leiterplatte umgeben, wobei die Füllungen durch Durchkontaktierungen verbunden sind. Durch das Stapeln zweier dieser Art von Leiterplatten auf der Leiterplatte mit den Komponenten habe ich ein Gehäuse geschaffen, das eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen bietet.
Eine Fotodiode verfügt über eine Verbindung zwischen positiv und negativ dotierten Bereichen, wobei sich zwischen beiden eine neutrale Verarmungsschicht bildet. Einfallendes Licht oder geladene Teilchen [red line] erzeugt Ladungsträger im Verarmungsbereich. Dadurch entsteht ein Strompeak zwischen den dotierten Bereichen. Die Höhe des Peaks ist proportional zur Energie des Teilchens.James Provost
Der zweite PCB-Typ dient als Abdeckung für die Batterie, mit einem kleineren Ausschnitt über dem Fotodioden-Array, über den ich schwarzes Klebeband gelegt habe, genug, um das Licht zu blockieren, aber Beta-Partikeln den Zugang zu den Fotodioden zu ermöglichen.
Das Ergebnis ist ein robuster Detektor, wenn auch nicht der empfindlichste der Welt. Ich schätze, wenn ein Suchdetektor 100 Impulse pro Sekunde von einem bestimmten Betasender aufzeichnen würde, erhalte ich ungefähr 10. Aber Sie dürfen Ich werde nun aussagekräftige Messungen damit durchführen. Mein nächster Schritt besteht darin, ihm die Fähigkeit zu geben, sowohl Alphateilchen als auch Betateilchen zu erkennen, wie es Kellers Version tut. Ich könnte dies jetzt tun, indem ich eine 10-Dollar-Fotodiode modifiziere, aber ich experimentiere mit Möglichkeiten, die billigeren Fotodioden zu verwenden, die im Rest des Designs verwendet werden. Ich arbeite auch an der Dokumentation, damit sie in Klassenzimmern verwendet werden kann, in denen der Detektordesigner nicht anwesend sein kann!