Космические часы — проект Массачусетского технологического института США и Национального центра ядерных исследований Польши.
Он позволяет любому, обладающему базовыми навыками электроники, построить недорогой настольный детектор мюонов, которые образуются в результате столкновения космических лучей с атмосферой Земли.
В серии из трех статей мы рассмотрим сборку детектора CosmicWatch и при необходимости немного доработаем конструкцию для использования более доступных компонентов.
Что вам нужно
Модуль разработки 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.
Плата разработки Arduino Nano
Первичные и вторичные лучи
Источник фото: ЦЕРН Первичные космические лучи — это протоны и атомные ядра высоких энергий, которые движутся в пространстве почти со скоростью света.
Однако есть данные, что значительная их часть возникает в результате взрывов сверхновых.
В результате их столкновения с земной атмосферой возникают каскады вторичных частиц, в том числе мюонов.
Мюон – элементарная частица, то есть не состоящая из других, похожая на электрон, но превосходящая его по массе примерно в 207 раз.
Благодаря своей массе в электромагнитных полях такие частицы ускоряются медленнее, а потому при равной энергии способны глубже 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 глубь.
Обнаружение мюонов
Когда вы думаете о детекторах частиц, первое, что обычно приходит на ум, — это счетчик Гейгера.В нем используется трубка, заполненная инертным газом, на который подается высокое напряжение, что позволяет измерять явления ионизации, вызванные попаданием в трубку радиоактивных частиц.
Это устройство имеет ряд ограничений, наиболее выраженным из которых, пожалуй, является то, что выходной сигнал всегда имеет одинаковую величину, независимо от типа и энергии регистрируемого излучения.
Сцинтилляционный материал
Немного более сложная альтернатива — использование сцинтилляционного детектора, в котором излучение обнаруживается сцинтилляционным материалом, который при обнаружении производит вспышку света, которая, в свою очередь, обнаруживается фотодетектором.
Такие детекторы имеют множество преимуществ перед счетчиками Гейгера, в том числе возможность выбора подходящего сцинтилляционного материала для обнаружения нужного типа излучения.
Кроме того, они быстрее, чувствительнее, а также способны измерять энергию и интенсивность излучения.
Винтажный сцинтилляционный детектор фотоумножителя
Традиционно в таких детекторах использовался фотоумножитель (ФЭУ), с помощью которого измерялся свет, генерируемый сцинтиллятором.
Такая трубка настолько чувствительна, что может обнаружить даже один входящий в нее фотон.
Фотоумножитель
Однако у ФЭУ есть и недостаток, заключающийся 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-фотоумножители), гораздо более компактная и очень удобная полупроводниковая альтернатива, которая также способна обнаруживать вплоть до одного фотона.
CosmicWatch использует Si-FЭU от ON Semiconductor ( 185-9609 ), который вы видите на фото выше в защитной упаковке.
Основные компоненты
На фото выше показаны сцинтиллятор и Si-FЭU, а также небольшая трубка из силиконового компаунда, которая будет служить прокладкой между ними.
Сцинтиллятор и компаунд я купил у продавца на eBay, который любезно предложил нарезать материал по размеру и небольшие силиконовые трубки специально для проводников детектора CosmicWatch. 
У нас есть все, что нам нужно физически, что еще нам нужно? Конечно, вам понадобится чехол.
Проект CosmicWatch рекомендует использовать конкретную версию, произведенную в США.
К сожалению, в Великобритании найти такой не удалось, и было решено использовать вариант от RS Pro ( 195-1545 ) аналогичной конструкции, но немного большего размера.
Решается это просто: вырезаем лазером пластину, подходящую для направляющих, прикрепляем к ней основную плату и вставляем ее в посадочное место.
Помимо основной, имеется отдельная плата для Си-ФУУ и сцинтиллятора, а также небольшая плата для разъема карты MicroSD. Комплект датчиков сначала необходимо обернуть светоотражающей фольгой и черной лентой, чтобы предотвратить попадание внешнего света, а затем прикрепить к основной плате.
Сама основная плата включает в себя источник питания датчика, а также схемы усилителя и пикового детектора для выхода.
Затем обработанный сигнал Si-FЭU поступает на вход АЦП Arduino Nano ( 696-1667 ), который можно использовать для отправки данных через USB на подключенный компьютер или записи на карту MicroSD. 
Кроме того, Arduino Nano может отображать статистику на дисплее с интерфейсом I2C. Конструкция CosmicWatch предполагает использование OLED-дисплея размером 0,96 дюйма и размером 128x64, при этом необходимо обратить внимание на покупку варианта с правильным порядком выводов гребенки.
Учитывая, что в этом плане можно ошибиться, особенно если при покупке вам доступна только фотография, мы решили попробовать аналогичный дисплей от Seeed Studio ( 174-3239 ).
Поскольку корпус у нас несколько удлиненный, то подключать этот дисплей к плате в любом случае придется кабелем.
Следующие шаги
К этому моменту у нас сложилось примерное представление о принципе работы детектора космических лучей.Далее по процессу сборки, описанному в следующая статья , мы разберем весь процесс более подробно, а также рассмотрим обработку сигнала и методы его отделения от фонового излучения.
Теги: #Популярная наука #Сделай сам или сделай сам #ruvds_translation #физика #радиация #космические лучи #мюон
-
Стандарты Графического Дизайна
19 Oct, 24 -
Обзор Dect-Телефонов Snom M25, M65 И M85
19 Oct, 24 -
Городские Автобусы – Шпионы
19 Oct, 24 -
9 Правил Начинающего Ajax-Разработчика
19 Oct, 24 -
Миллион С Нуля За 2 Года
19 Oct, 24 -
Отредактируйте Или Перепишите
19 Oct, 24
