【導(dǎo)讀】最初是在今日頭條-大數(shù)據(jù)文摘看到一篇文章 在家做核子研究：怎么DIY一個(gè)粒子檢測(cè)器[1] ，介紹了Steve Foster（一個(gè)剛剛退休英國(guó)中央銀行 TI 構(gòu)架師）如果在全球綿延 新冠疫情（COVID-19） 背景下，帶著自己的16歲上中學(xué)的兒子在家鼓搗一個(gè)可以檢測(cè)環(huán)境放射性粒子電子裝置。
他是看到一篇介紹歐洲粒子研究中心（CERN）外聯(lián)項(xiàng)目文章， 說(shuō)可以使用不到30英鎊的價(jià)格打造屬于自己的粒子探測(cè)器， 文章所涉及到的資料可以在Github上下載[2] 。
▲ Setve Foster DIY的粒子檢測(cè)器和觀察到的波形
Foster在博文中詳細(xì)生動(dòng)記載了他和兒子三周內(nèi)（實(shí)際制作時(shí)間大約4個(gè)小時(shí)）制作過(guò)程所經(jīng)歷的溝溝坎坎，對(duì)于希望做同樣電子實(shí)驗(yàn)的電子初學(xué)者來(lái)說(shuō)很有幫助。
我對(duì)于他們的制作感興趣，是因?yàn)橹霸?頭頂上的放射源[3] 中曾介紹了離子式煙霧感測(cè)器。對(duì)于煙霧傳感器中镅(Am-241)放射性檢測(cè)，使用了 古老的蓋革管[4] 作為探測(cè)器的。而在Foster制作粒子檢測(cè)器則使用了硅半導(dǎo)體PIN光電管來(lái)檢測(cè)放射性粒子，并且可以根據(jù)產(chǎn)生信號(hào)脈沖的強(qiáng)弱來(lái)推算粒子的能量譜。
▲ 兩款用于檢測(cè)放射粒子的PIN光電管
左:BPW34F；右:BPX61
固體粒子檢測(cè)原理
基于硅半導(dǎo)體固態(tài)半導(dǎo)體檢測(cè)放射粒子及其能量分布的原理[5] 在很多網(wǎng)絡(luò)文章中都被介紹。相比于 蓋革管[6] 利用氣體電離（電離能力大約15eV），在硅半導(dǎo)體中的電離，即將電子從共價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需要的能力就很小，大約1.1eV。所以一個(gè)通過(guò)硅晶體的高能粒子可以半導(dǎo)體中激發(fā)出自由電子和空穴。
在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合部由于擴(kuò)散會(huì)形成耗散區(qū)，耗散區(qū)的厚度隨著偏置反電壓的增加而變厚，有時(shí)可以達(dá)到幾百個(gè)微米。當(dāng)放射性粒子通過(guò)耗散區(qū)時(shí)，所激發(fā)出電離電子（空穴）則會(huì)被耗散區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)留出耗散區(qū)，最終從PN結(jié)兩端引線(xiàn)輸出脈沖電流。因此，PN結(jié)處的耗散區(qū)就像一個(gè)固態(tài)的容性電離室可以檢測(cè)通過(guò)的高能粒子，粒子的能力與最終形成的脈沖電流強(qiáng)弱有關(guān)系。
▲ PIN二極管以及光電檢測(cè)原理
實(shí)驗(yàn)中使用的BPX61、BPW32F是一種PIN結(jié)構(gòu)的光電管，它是在傳統(tǒng)的P型和N型半導(dǎo)體之間還有一層本征半導(dǎo)體（基本上沒(méi)有摻雜硅），這使得PN結(jié)之間的耗散層變得更寬，則對(duì)通過(guò)PN結(jié)的粒子更加敏感。
由于α粒子的穿透能力很弱，為了能夠探測(cè)α粒子，需要將BPX61頂部封裝玻璃窗口去除。
使用斜口鉗在BPX61的封裝金屬殼四周稍微剪出幾個(gè)凹槽，這樣頂部的玻璃片就會(huì)破碎并與金屬殼玻璃剝離。小心操作就可以不傷害傳感器內(nèi)部的硅光電管芯片。
▲ 左：帶有玻璃串口的BPX61光電管
右：已經(jīng)移除窗口的BPX61
脈沖電流放大
雖然一個(gè)放射性粒子（α粒子、電子、γ光子）可以在PIN光電管耗散區(qū)電離出很多電子，但為了形成可以被測(cè)量的電脈沖信號(hào)，還需要經(jīng)過(guò)很多倍的放大。下圖是 Github上給出的粒子檢測(cè)器的信號(hào)放大電路圖[7] 。
在放大電路前端，用于檢測(cè)α粒子，或者β射線(xiàn)(電子)的傳感器，可以使用一個(gè)BPX61，也可以使用四個(gè)并聯(lián)的BPW34F(A)。
使用BPX61傳感器，事前需要對(duì)它進(jìn)行改造（剪除頂部密封的玻璃），可以檢測(cè)到α、β射線(xiàn)粒子。
▲ 信號(hào)處理電路原理圖
使用四個(gè)BPW34F(A)作為傳感器，只能夠檢測(cè)到β射線(xiàn)（電子）和少量的γ射線(xiàn)（光子），α粒子不能夠穿過(guò)BPW34的外部封裝到達(dá)內(nèi)部的芯片，無(wú)法產(chǎn)生電脈沖信號(hào)。由于使用了四個(gè)BPW24F并聯(lián)，增大了對(duì)電離輻射的檢測(cè)靈敏度，因此可以降低電路中的放大倍數(shù)，這樣也可以減少電路對(duì)環(huán)境噪聲靈敏度，以及受機(jī)械振蕩所產(chǎn)生的干擾。
使用BPW34F時(shí)，對(duì)于電路中的電阻R3,R4,R5,R9分別減小到10M ,1K,100K ,0Ω，整體的放大倍數(shù)降低了10倍左右。
為了便于理解信號(hào)放大原理，下面將前面的電路圖重新進(jìn)行了整理。圖中可以看出，它實(shí)際上是由JFET運(yùn)放IC中（TLE2072）的兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)放分別組成兩個(gè)低通濾波器，C4,R4組成高通濾波器，R8,C9,C10,R9組成帶通濾波器，所以整個(gè)電路的是一個(gè)帶通放大電路。
▲ 放大電路的電路圖
如果是購(gòu)買(mǎi)成品的電路板和元器件，高中生的孩子，或者其他工程科技愛(ài)好者可以在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)將粒子檢測(cè)器組裝完畢，包括在外部金屬屏蔽盒上打洞，安裝開(kāi)關(guān)和信號(hào)線(xiàn)插座。
在剛剛過(guò)去的暑期小學(xué)期的電子課程設(shè)計(jì)中，如果有同學(xué)選擇制作這個(gè)內(nèi)容，不僅可以練習(xí)模擬電路、微弱信號(hào)放大電路的制作調(diào)試，還可以在后續(xù)的信號(hào)記錄和分析中了解數(shù)字濾波和信號(hào)測(cè)量等相關(guān)的知識(shí)。特別是，利用該裝置還可以獲得跨學(xué)科的一些科學(xué)知識(shí)。
▲ 制作完畢的粒子檢測(cè)器設(shè)備
盡管上述電路已經(jīng)將粒子所產(chǎn)生的脈沖電流進(jìn)行放大整形，但幅值還是很弱的。可以將放大信號(hào)作為麥克信號(hào)引入個(gè)人電腦、平板電腦或者手機(jī)中，利用電腦或者手機(jī)內(nèi)的聲卡來(lái)進(jìn)一步放大信號(hào)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上下載的免費(fèi)軟件來(lái)錄制記錄音頻信號(hào)。之后，便可以通過(guò)軟件來(lái)對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)和波形分析了。
下面顯示的是α粒子所產(chǎn)生的脈沖波形。通過(guò)設(shè)置合適的觸發(fā)電平，可以將觸發(fā)信號(hào)和普通的噪聲分開(kāi)。通過(guò)檢測(cè)脈沖信號(hào)的幅值可以得到放射性粒子的能量大小。對(duì)于一段時(shí)間內(nèi)的脈沖能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以獲得放射源發(fā)射的粒子能量譜。
▲ 記錄的α粒子脈沖波形
▲ 對(duì)所有脈沖信號(hào)的幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得放射性粒子的能量譜
也許無(wú)論從電子學(xué)來(lái)看上面的電路設(shè)計(jì)，還是從高能物理學(xué)來(lái)看這個(gè)粒子探測(cè)器的性能，它都屬于比較簡(jiǎn)單和初級(jí)的。但是利用這個(gè)價(jià)格低廉的小裝置，可以幫助我們更好的理解我們周?chē)h(huán)境中的各類(lèi)天然放射性源，甚至我們身體無(wú)時(shí)無(wú)刻都在進(jìn)行幾千次的碳-14，鉀-40衰變放射。這樣可以糾正一些我們對(duì)于放射性現(xiàn)象的一些誤解。
對(duì)于學(xué)生科普來(lái)講，如果僅僅從網(wǎng)絡(luò)、書(shū)籍、視頻中看到相關(guān)介紹，也許會(huì)使得一些同學(xué)并不感興趣。特別對(duì)于這種放射性現(xiàn)象，看不到、摸不著。但通過(guò)一定的步驟，通過(guò)制作簡(jiǎn)易測(cè)量工具獲得相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，則會(huì)激發(fā)其同學(xué)對(duì)于科技的極大的興趣。
除了興趣的激發(fā)之外，實(shí)際上在日本福島核泄漏之后，大眾使用建議的工具來(lái)檢測(cè)環(huán)境放射性，并將信息進(jìn)行共享和討論，在避免社會(huì)災(zāi)難恐慌方面也有著非常重要的積極意義。
實(shí)驗(yàn)的相關(guān)器件真的很便宜，當(dāng)你有一天宅在家里的空閑時(shí)間時(shí)，不妨通過(guò)搭建它來(lái)消磨一下時(shí)間吧。
參考資料
[1]在家做核子研究：怎么DIY一個(gè)粒子檢測(cè)器: https://www.toutiao.com/i6877045217581597191/?tt_from=weixin&utm_campaign=client_share&wxshare_count=1×tamp=1601268327&app=news_article&utm_source=weixin&utm_medium=toutiao_ios&use_new_style=1&req_id=2020092812452701013109907703B3DAE7&group_id=6877045217581597191
[2]文章所涉及到的資料可以在Github上下載: https://github.com/ozel/DIY_particle_detector
[3]頭頂上的放射源: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108854903
[4]古老的蓋革管: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104132819
[5]基于硅半導(dǎo)體固態(tài)半導(dǎo)體檢測(cè)放射粒子及其能量分布的原理: https://physicsopenlab.org/2020/06/15/cern-diy-particle-detector/
[6]蓋革管: https://baike.baidu.com/item/%E7%9B%96%E9%9D%A9-%E7%B1%B3%E5%8B%92%E8%AE%A1%E6%95%B0%E5%99%A8/5866514?fr=aladdin
[7]Github上給出的粒子檢測(cè)器的信號(hào)放大電路圖: https://github.com/ozel/DIY_particle_detector/blob/master/hardware/V1.2/documentation/DIY%20particle%20detector%20schematic%20v1-2.pdf
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