우리가 끝없는 3차원 핀볼 게임 속에 존재한다는 것을 알려주는 입자물리학만한 것은 없습니다. 우리 주변에서 아원자 입자는 호를 그리며, 충돌하고, 즐겁게 흩어집니다. 일부는 기원합니다. 우리 몸 안에서다른 사람들은 ~에서 온다 우주의 먼 끝. 하지만 이 보이지 않는 소동을 감지하려면 장비가 필요하고, 이는 비용이 많이 들 수 있습니다. 저는 15달러 이하로 적어도 일부 핀볼을 감지할 수 있는 방법을 만들고 싶었습니다.
내가 가장 큰 이유는 새로운 교육 도구를 갖는 것이었습니다. 저는 박사 학위를 하고 있습니다. 물리학 연구소 III B ~에 RWTH 아헨 대학교그리고 저는 그런 감지기가 물리학, 전자공학, 소프트웨어 설계에 대한 관심을 키우는 동시에 교육 의무를 다하는 데 도움이 될 것이라는 걸 깨달았습니다.
다행히도, 저는 처음부터 시작할 필요가 없었습니다. CERN의 S’Cool Lab의 Oliver Keller가 만들었습니다. DIY 입자 검출기 알파 및 베타 입자(각각 공기 중을 윙윙거리는 헬륨 핵과 자유 전자)를 감지하고 에너지를 추정하기 위해 저렴한 실리콘 포토다이오드에 의존합니다. 일반적으로 포토다이오드는 광섬유 통신에 사용되는 신호와 같이 빛에 응답하는 데 사용됩니다. 그러나 포토다이오드에 부딪히는 대전된 입자는 전류 펄스도 생성하며, 더 높은 에너지 입자는 더 큰 펄스를 생성합니다. 실제로 일반적인 조건과 포토다이오드의 감도를 고려할 때 이는 주로 베타 입자를 감지하는 것을 의미합니다.
켈러의 설계에서 이러한 펄스는 증폭되고 전압으로 변환되며, 감지기의 오디오 잭에서 노트북이나 스마트폰의 마이크 입력으로 케이블을 통해 전송됩니다. 그런 다음 데이터는 디지털화되어 기록됩니다.
제 동료가 CERN 장치를 만들었지만, 개선의 여지가 있다는 것을 깨달았습니다. 오디오 케이블 길이를 통해 아날로그 펄스 신호를 전달하면 검출기가 다양한 소스의 노이즈에 취약해집니다. 게다가 이 설계에는 9볼트 배터리 형태의 자체 전원이 필요합니다. 별도의 배터리를 갖는 번거로움 외에도 장치를 잘못 연결하면 비싼 스마트폰에 허용할 수 없는 전압이 전송된다는 것을 의미합니다!
증폭 노이즈 감소
저는 디지털화를 포토다이오드로 가져와서 이 문제를 해결하기로 했습니다. 더 가까이 갈수록, 제가 싸워야 할 노이즈가 줄어들 것입니다. 노이즈에 강한 디지털화된 데이터는 USB 연결을 통해 전송될 수 있으며, 이를 통해 감지기에 전원을 공급할 수도 있습니다.
물론, 포토다이오드에서 신호를 디지털화하려면 온보드 처리 능력이 필요합니다. 나는 RP2040 마이크로컨트롤러. 알려진 몇 가지가 있지만 아날로그-디지털 변환기에 문제가 있습니다이러한 문제를 해결할 수 있으며, 칩은 내장 USB 컨트롤러뿐만 아니라 충분한 컴퓨팅 성능을 갖추고 있습니다.
내 소위 BetaBoard의 첫 번째 디자인에서 나는 RP2040, 포토다이오드 배열 및 세트로 채워진 단일 인쇄 회로 기판을 만들었습니다. 저잡음 증폭기 집적 회로. 나는 빛이 광 검출기를 작동시키지 못하도록 보드를 알루미늄 테이프로 감았습니다. 결과는 개념을 증명했지만 오디오 케이블의 노이즈를 제거한 반면, 새로운 노이즈 소스인 USB 전원 공급 장치를 도입했다는 것을 발견했습니다.
USB 연결에서 발생하는 고주파 노이즈(1킬로헤르츠 이상)는 인터페이스를 통해 흐르는 데이터와 폴링 신호에서 발생합니다. 저주파 노이즈는 호스트 컴퓨터의 AC 전원 공급 장치에서 발생합니다(유럽에서는 50헤르츠). 저는 앰프의 공급 전압 핀 앞에 저역 통과 RC 필터를 삽입하고 나머지 회로에 커패시터를 자유롭게 사용하여 고주파 노이즈를 걸러냈습니다. 하드웨어에서 50Hz 노이즈를 걸러내는 것은 까다롭기 때문에 저는 RP2040을 위해 작성한 소프트웨어에 디지털 고역 통과 필터를 통합하는 것으로 해결책을 찾았습니다. (하드웨어 및 소프트웨어 파일은 다음에서 제공됩니다. 내 Github 저장소.)
소프트웨어는 또한 외부 세계에 대한 직렬 인터페이스를 제공합니다. 사람이나 프로그램이 USB 케이블을 통해 명령을 보내고 데이터를 다시 받을 수 있습니다. 저는 Python 스크립트를 작성하여 데이터를 기록하고 시각화를 생성했습니다.
제가 초기 디자인에서 한 또 다른 개선점은 보드를 알루미늄 테이프로 감쌀 필요성을 없애는 것이었습니다(켈러의 원래 버전처럼 용기에 담는 것도 가능).
그렇게 하기 위해, 저는 원래 보드와 동일한 외부 치수를 가지지만 회로가 없는 두 가지 다른 유형의 PCB를 설계했습니다. 첫 번째 유형은 두 개의 큰 컷아웃이 있습니다. 포토다이오드 어레이와 증폭기 위의 개방 영역과 RP2040과 지원 회로 위의 또 다른 영역입니다. 포토다이오드 컷아웃은 PCB의 뒷면과 앞면에 넓은 금속 필로 둘러싸여 있으며 필은 비아로 연결됩니다. 구성 요소가 들어 있는 회로 보드에 이러한 유형의 PCB 두 개를 쌓아서 전자기 간섭으로부터 차폐를 제공하는 인클로저를 만들었습니다.
두 번째 유형의 PCB는 스택의 덮개 역할을 하며, 포토다이오드 어레이 위에 작은 컷아웃이 있고 그 위에 검은색 테이프를 붙였습니다. 이는 빛을 차단하면서도 베타 입자가 포토다이오드에 도달할 수 있도록 하기에 충분했습니다.
그 결과 세계에서 가장 민감한 것은 아니지만 견고한 감지기가 탄생했습니다. 연구용 감지기가 주어진 베타 방출기에서 초당 100개의 카운트를 기록하는 반면, 저는 약 10개를 얻고 있다고 추정합니다. 하지만 당신은 ~할 수 있다 의미 있는 측정을 해보세요. 다음 단계는 켈러 버전처럼 알파 입자와 베타 입자를 모두 감지할 수 있는 기능을 제공하는 것입니다. 지금은 10달러짜리 포토다이오드를 수정해서 할 수 있지만, 나머지 설계에 사용된 저렴한 포토다이오드를 사용하는 방법을 실험하고 있습니다. 또한 감지기 설계자가 없는 교실 환경에서 사용할 수 있도록 설명서도 작업하고 있습니다!