كاشف جسيمات بيتا DIY
لا يوجد شيء مثل فيزياء الجسيمات يجعلك تدرك أننا موجودون في لعبة الكرة والدبابيس ثلاثية الأبعاد التي لا نهاية لها. في كل مكان حولنا، تتقوس الجسيمات دون الذرية وتتصادم وتتكامل مع هجر مرح. بعضها ينشأ داخل أجسادنا، والبعض الآخر يأتي من أقاصي الكون. لكن الكشف عن هذا الاضطراب غير المرئي يتطلب معدات قد تكون مكلفة. كنت أرغب في إنشاء طريقة لاكتشاف بعض الكرات والدبابيس على الأقل بأقل من 15 دولارًا أمريكيًا.
كان السبب الرئيسي لدي هو الحصول على أداة تعليمية جديدة. أنا أقوم بالدكتوراه. في معهد الفيزياء III B في جامعة RWTH Aachen، وأدركت أن مثل هذا الكاشف سيساعد في تلبية التزامات التدريس الخاصة بي مع الاستفادة من اهتماماتي في الفيزياء والإلكترونيات وتصميم البرمجيات.
لحسن الحظ، لم يكن علي أن أبدأ من الصفر. قام أوليفر كيلر من مختبر S’Cool التابع لـ CERN بإنشاء كاشف جسيمات DIY يعتمد على ثنائيات ضوئية من السيليكون غير مكلفة للكشف عن جسيمات ألفا وبيتا (نواة الهيليوم والإلكترونات الحرة التي تطن عبر الهواء، على التوالي) وتقدير طاقتها. عادةً، تُستخدم الثنائيات الضوئية للاستجابة للضوء، مثل الإشارات المستخدمة في اتصالات الألياف الضوئية. لكن الجسيم المشحون الذي يصطدم بالثنائي الضوئي سوف ينتج أيضًا نبضة من التيار، حيث تولد الجسيمات ذات الطاقة الأعلى نبضات أكبر. ومن الناحية العملية، ونظرًا للظروف النموذجية وحساسية الثنائيات الضوئية، فإن هذا يعني في المقام الأول اكتشاف جسيمات بيتا.
في تصميم كيلر، يتم تضخيم هذه النبضات، وتحويلها إلى فولتات، ونقلها عبر كابل من مقبس الصوت الموجود على الكاشف إلى مدخل الميكروفون للكمبيوتر المحمول أو الهاتف الذكي. ثم يتم رقمنة البيانات وتسجيلها.
قام أحد زملائي ببناء جهاز CERN، لكنني أدركت أن هناك مجالًا للتحسين. إن تمرير إشارة النبض التناظرية عبر طول كابل الصوت يجعل الكاشف عرضة للضوضاء من مصادر مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب التصميم مصدر طاقة خاصًا به، على شكل بطارية 9 فولت. وبصرف النظر عن متاعب وجود بطارية منفصلة، فهذا يعني أيضًا أنه إذا أخطأت في توصيل الجهاز، فسوف ترسل جهدًا غير مقبول إلى هاتف ذكي باهظ الثمن!
تقليل الضوضاء التضخيم
قررت أن أحل هذه المشكلات عن طريق إدخال الرقمنة في الثنائيات الضوئية. كلما تمكنت من الاقتراب منه، قلت الضوضاء التي يجب علي مواجهتها. ويمكن بعد ذلك إرسال البيانات الرقمية المقاومة للضوضاء عبر اتصال USB، والذي يمكنه أيضًا توفير الطاقة للكاشف.
يستخدم BetaBoard ثلاثة أنواع من لوحات الدوائر المطبوعة: الغطاء [top] ولوحة الجسم [middle] لا تحتوي على آثار للدوائر وتستخدم لإنشاء حاوية محكمة الضوء ومحمية كهرومغناطيسيًا؛ تستضيف اللوحة السفلية مصفوفة كاشف الثنائي الضوئي ووحدة التحكم الدقيقة RP2040. جيمس بروفوست
بالطبع، لتحويل الإشارة من الثنائيات الضوئية إلى شكل رقمي، سأحتاج إلى بعض قوة المعالجة الموجودة على متن الطائرة. لقد استقرت على المتحكم الدقيق RP2040. على الرغم من وجود بعض المشكلات المعروفة في المحول التناظري إلى الرقمي، إلا أنه يمكنك حل هذه المشكلات، كما أن الشريحة تتمتع بقدرة حوسبة أكثر من كافية بالإضافة إلى وحدة تحكم USB مدمجة.
في أول تصميم لي لما يسمى BetaBoard، قمت بإنشاء لوحة دوائر مطبوعة واحدة مملوءة بـ RP2040، ومجموعة من الثنائيات الضوئية، ومجموعة من الدوائر المتكاملة لمضخم الصوت منخفض الضوضاء. لقد قمت بلف اللوحة بشريط من الألومنيوم لمنع الضوء من تشغيل أجهزة الكشف عن الصور. أثبتت النتائج هذا المفهوم، ولكن بينما قمت بإزالة الضوضاء من كابل الصوت، اكتشفت أنني قدمت مصدرًا جديدًا للضوضاء: مصدر طاقة USB.
تأتي الضوضاء ذات التردد العالي – أكثر من 1 كيلو هرتز – من اتصال USB من البيانات وإشارات الاستقصاء التي تتدفق عبر الواجهة. تنشأ الضوضاء ذات التردد المنخفض من مصدر طاقة التيار المتردد للكمبيوتر المضيف – 50 هرتز هنا في أوروبا. لقد قمت بتصفية الضوضاء عالية التردد عن طريق إدخال مرشح RC منخفض التمرير قبل أطراف جهد إمداد مكبرات الصوت واستخدام المكثفات بحرية في بقية الدوائر. يعد تصفية الضوضاء ذات التردد 50 هرتز في الأجهزة أمرًا صعبًا، لذا كان الحل الذي توصلت إليه هو دمج مرشح رقمي عالي التمرير في البرنامج الذي كتبته لـ RP2040. (تتوفر ملفات الأجهزة والبرامج من مستودع Github الخاص بي.)
يوفر البرنامج أيضًا واجهة تسلسلية للعالم الخارجي: يمكن للإنسان أو البرنامج إرسال الأوامر عبر كابل USB واستعادة البيانات. لقد قمت بكتابة برنامج نصي بلغة بايثون لتسجيل البيانات وإنشاء تصورات.
كان التحسين الآخر الذي أجريته على تصميمي الأولي هو التخلص من الحاجة إلى لف اللوحة بشريط من الألومنيوم (أو وضعها في حاوية، كما في نسخة كيلر الأصلية).
للقيام بذلك، قمت بتصميم نوعين آخرين من ثنائي الفينيل متعدد الكلور بنفس الأبعاد الخارجية للوحة الأصلية، ولكن بدون أي دوائر. يحتوي النوع الأول على فتحتين كبيرتين: منطقة مفتوحة فوق مصفوفة الثنائي الضوئي ومكبرات الصوت، ومنطقة أخرى فوق RP2040 والدوائر الداعمة له. إن فتحة الصمام الثنائي الضوئي محاطة بحشوة معدنية عريضة على الجزء الخلفي والأمامي للوحة PCB، مع توصيل الحشوات عن طريق المنافذ. من خلال تكديس اثنين من هذا النوع من ثنائي الفينيل متعدد الكلور على لوحة الدائرة التي تحتوي على المكونات، قمت بإنشاء حاوية توفر الحماية ضد التداخل الكهرومغناطيسي.
يحتوي الثنائي الضوئي على تقاطع بين المناطق الموجبة والسالبة، مع طبقة استنفاد محايدة تتشكل بينهما. الضوء الوارد أو الجسيمات المشحونة [red line] يخلق ناقلات الشحنة في منطقة النضوب. وهذا ينتج ارتفاعًا كبيرًا في التيار بين المناطق المخدرة. يتناسب ارتفاع السنبلة مع طاقة الجسيم.جيمس بروفوست
النوع الثاني من ثنائي الفينيل متعدد الكلور يعمل كغطاء للمكدس، مع فتحة أصغر فوق مصفوفة الثنائي الضوئي، والتي وضعت فوقها بعض الشريط الأسود – وهو ما يكفي لحجب الضوء ولكن مع السماح لجزيئات بيتا بالوصول إلى الثنائيات الضوئية.
والنتيجة هي كاشف قوي، وإن لم يكن الأكثر حساسية في العالم. أقدر أنه عندما يسجل كاشف من الدرجة البحثية 100 عدد في الثانية من باعث بيتا معين، أحصل على حوالي 10. لكنك يستطيع قم بإجراء قياسات ذات معنى معها. خطوتي التالية هي منحه القدرة على اكتشاف جسيمات ألفا وكذلك جسيمات بيتا، كما يمكن لنسخة كيلر أن تفعل. يمكنني القيام بذلك الآن عن طريق تعديل الثنائي الضوئي بقيمة 10 دولارات، لكنني أقوم بتجربة طرق لاستخدام الثنائيات الضوئية الأرخص المستخدمة في بقية التصميم. أنا أعمل أيضًا على التوثيق بحيث يمكن استخدامه في إعدادات الفصول الدراسية التي لا تتمتع برفاهية حضور مصمم الكاشف!
