在家做核子研究:怎麼DIY一個粒子檢測器_風聞
大数据文摘-大数据文摘官方账号-2020-09-27 13:56
大數據文摘出品
來源:clanhouse
編譯:肥恬兒、coolboy
如果把你和16歲的兒子關在家裏,你們會做什麼?
好吧,第一個答案可能是造一個遊戲PC,但現在DIY遊戲PC的項目太多,有其他一些不一樣的東西嗎?
或許,可以試着做一個粒子探測器?
這個叫Steve Foster的博主在網上碰巧看到了一篇介紹歐洲核子研究中心(CERN)外聯項目的文章,這個項目説,你能以不到30英鎊的價格打造你自己的粒子探測器??
GitHub鏈接:
https://github.com/ozel/DIY_particle_detector
不過,感覺也挺值得嘗試一番?
於是,Steve Foster就和兒子一起,搗鼓着DIY了一個粒子探測器,過程中肯定也遇到了一些困難和好玩的事,接下來就和文摘菌一起來看看吧。
需要購買的組件
其實要DIY一個CERN套件並沒有那麼困難,你可以在kitspace上訂購需要的零件。但問題是,你能用30歐元(27英鎊)左右的價格搭建出來嗎?
kitspace鏈接:
https://kitspace.org/boards/github.com/ozel/diy_particle_detector/electron-detector/
單個組件的價格自然在30歐元以下了,但只購買單個組件顯然是不夠的,有時候你必須購買10個電阻器,因為它們太便宜了,到最後,3便士的零件你可能前前後後花費了30便士。(這消費主義的陷阱)
其中,最大的驚喜是,你最好購買三塊電路板,實際經驗告訴你這會物有所值的,尤其是,如果你對自己的焊接技能不自信的話,可以準備一塊備用板,正好Alpha檢測器型號也可以用同一塊板。
總的來説,所有電子元件的成本幾乎都不到40英鎊。如果你要購買一個有十幾塊板的經典模型,整體價格將接近每塊木板33英鎊/37歐元。
除了上面的零部件外,你還可以考慮購買一些自選零件。
我們在亞馬遜上以大約8英鎊的價格購買了鏈接BNC(連接器)和音頻插孔的電纜,因為這樣一來就比從頭開始構建整個模型來得更快,更容易並且更便宜。
我們還購買了一些現在工具箱裏沒有的工具。你可能更願意以6英鎊左右的價格購買金屬盒或包裝盒,但我建議可以使用舊的罐子或類似的物品代替。我們用的是我妻子在聖誕節時收到的Fossil手錶上的展示盒。
為了在外殼中安裝板子,你需要某種金屬支架。我們在亞馬遜上以約11英鎊的價格購買了一盒M3黃銅支架,不僅具有各種長度,並且包括所有必要的螺釘和螺栓。(120個組件,僅需一個!)然後你還需要一些較短的連接線——總計約30釐米。(温馨提示:如果你需要在購買過程中訂購所有這些物品,那麼Amazon Prime絕對物有所值。)
最後,你需要某種放射源來嘗試檢測器。我們在亞馬遜上以不到5英鎊的價格購買了100克高純度的氯化鉀(KCl),這價格明顯比亞馬遜上也有較高鉀含量的富含鉀的鹽替代品更好。
你還需要哪些工具
上面列舉的都是一些專業零件,還有一些基礎零件也不能忘了。
開始之前,請確保你擁有所有需要的工具:
帶有小尖頭並且適用於組件和電路板的烙鐵
拆焊泵和編織帶(以防萬一)
用於在焊接組件時整理多餘的電線的小型剪鉗
整理接線末端的剝線鉗
用於測試接頭和檢查電路板的小型萬用表
在舊的錫盒上打孔的打釘機
用於銼掉剛打的孔上尖鋭邊緣的銼刀
進行焊接時,用來固定電路板和組件的物件。我們用的是舊的牆磚和六角鉛筆
讓我們來動手構造一個探測器吧!
我們在大約3周的時間裏每天花了大約3個小時來製作電路板,也許還要花一個小時來製作機箱並將把電路板安裝到裏面。
為什麼這麼久呢?好吧,這個項目對於一個16歲的年輕人來説,和製造遊戲PC的吸引力還是很不同的,做遊戲PC通常比這個項目來得更有幹勁兒。
話歸正轉,我們現在決定將組件成組焊接。首先製造電阻器,然後製造電容器,之後是半導體。Wiki中的構建説明書非常好用,跟着步驟做就行了。
我們在焊接時測試了每個接頭,並且從電路板上的另一點也進行測試,以確保連接沒有問題。我兒子在一塊PCB上進行了所有焊接,而我開始在第二塊板上進行工作,一部分用作備份板,另一部分可以構成Alpha檢測器的基礎。
(同時我悲催的發現了這兩樣在第三個組件R3上已經是不一樣的組裝構造了!)
以下是不同建設階段的一些鏡頭:
第一階段
底部電阻
頂部電阻
第二階段
電容器底部
電容器頂部
第三階段
成品的底部
成品的頂部
第四階段
帶有開關,電池和連接器的完整探測器
探測器測試
測試檢測器時,要做的第一件事是通過測量電源連接器上的電阻來確保沒有短路, (技能get!一個令人滿意的9.8千歐姆),並確保電源已到達板上。
然後我們將它插入PC並打開電源。
接着我們用JavaScript的脈衝檢測器來檢查它是否正常工作。我輕按了開關,……居然什麼也沒有。
因此,我們檢查了電路板。有些焊接處看起來很乾,而在另外一兩個焊接處上,我們不能百分百確定相鄰焊接處之間是否有氣隙,因此我們只好拆焊並重新制作了大約3個焊接。
然後,我們再次連接到PC,並在打開和關閉設備時看到了令人滿意的脈衝。當錫罐被移動或當我們中的一個人靠近錫罐講話時,我們還看到了很多拾音器。
OK,那麼下一步就是嘗試使用輻射源。
我稱出約10g氯化鉀放入一個塑料蓋中,並放在檢測器中的二極管下方。雖然我們沒有在錫的蓋子上開一個輻射窗,但是二極管就在氯化鉀表面上方約1.5釐米處。接着我打開了檢測器,哎…什麼都沒有,甚至沒顯示開/關脈衝。
看到探測器似乎沒啥反應, 我只好將設備拆開並重新測試了與萬用表的連接,並所有外殼連接都是可以的,以及檢查外殼是正確接地的。我檢查了電池的電是否都通到每一個必備的部件,也看了一下電池電量是良好的。檢查完這一圈,還是沒發現哪裏有錯。
不過很快地,我就發現了一個間歇性問題。有時,當設備打開或關閉時,JavaScript檢測器會看到一個脈衝,但是其實並沒有東西在檢測。有時你會在網絡示波器上看到噪音,有時卻看不到。
於是當我在摸索到底出了什麼問題時, 我終於想到,或許可以嘗試收聽音頻輸出,這在Windows下就是一件微不足道的事情。
還真的是!打開設備後,我會聽到白噪聲,每過20-30秒,就會聽到輕聲的咔嗒聲。顯然,檢測器正在工作,只不過是因為軟件的問題。
論一台舊電腦和聲卡的重要性
我不得不説,在嘗試使檢測器工作時,Oliver Keller太給力了。有一説一,聽他説一些關於音頻連接和聲卡的建議真的很重要。
GitHub主頁雙手奉上:
問題在現代PC中的聲卡(或芯片)太過智能了。它們主要任務是優化Skype和Zoom的麥克風輸入,但這也意味着消除了恰好是探測器發出的信號噪聲和多餘的喀噠聲。
因為現代技術假設檢測器信號為有害噪聲,所以我需要一些原始技術。我有一台舊的筆記本電腦——Asus EeePC901,大約是十年前買的。多年來,它一直兢兢業業的成為我的實驗工具人。
比如説, 我試過把它的內存升級到2GB,又把可笑的小型4GB SSD換成32GB。我還通過多個版本的Ubuntu將它從Windows XP Home升級到Windows 10 Home。你可能會驚訝於這樣的機器居然可以運行Windows 10和MS Office,只不過雖然可以運行,但是效果不佳。
不僅如此,我又將它備份(對VMWare進行了虛擬化),並安裝了Lubuntu的新副本。我還在FireFox下啓動了網絡示波器,此時我們終於有一個可以正常工作的檢測器:
你可以在屏幕截圖中清楚地看到檢測器脈衝。
噪聲有時會達到峯值,並可能導致讀數錯誤,但這些噪聲是很容易被發現的。虛假脈衝是單邊的,沒有真實脈衝的回彈峯。
從大約25克的氯化鉀中,我發現檢測器每分鐘有兩到三個脈衝。
那麼,接下來呢?
OK,既然檢測器能工作了,接下來還能用它來做什麼?
我們首先考慮的計劃是嘗試Python,確保我們可以看到並正確分析KCl的能譜, 然後將嘗試各種措施以減少電氣噪聲。我懷疑錫會向內部泄漏一點光,但是可以用黑色膠帶來補救。
第三步將從我在探測器中,對收集的小型礦物質進行實驗——那裏肯定有放射性的東西。
第四步會很有趣。不知道你是否聽説過古老的格言,即**香蕉也具有放射性?**我們計劃通過測量一團即美味又富含鉀的香蕉的β衰減率來證明這一點!
請大家拭目以待吧!
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