國慶在家?guī)尢珶o聊？DIY一個粒子檢測器吧

最初是在今日頭天 - 大數(shù)據(jù)文摘看到一篇文章?在家做核子研究：怎么 DIY 一個粒子檢測器^[1]?，介紹了 Steve Foster（一個剛剛退休英國中央銀行 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可以檢測環(huán)境放射性粒子電子裝置。

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他是看到一篇介紹歐洲粒子研究中心（CERN）外聯(lián)項目文章， 說可以使用不到 30 英鎊的價格打造屬于自己的粒子探測器，?文章所涉及到的資料可以在 Github 上下載^[2]?。

Foster 在博文中詳細(xì)生動記載了他和兒子三周內(nèi)（實際制作時間大約 4 個小時）制作過程所經(jīng)歷的溝溝坎坎，對于希望做同樣電子實驗的電子初學(xué)者來說很有幫助。

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我對于他們的制作感興趣，是因為之前在?頭頂上的放射源^[3]?中曾介紹了離子式煙霧感測器。對于煙霧傳感器中镅(Am-241)放射性檢測，使用了?古老的蓋革管^[4]?作為探測器的。而在 Foster 制作粒子檢測器則使用了硅半導(dǎo)體 PIN 光電管來檢測放射性粒子，并且可以根據(jù)產(chǎn)生信號脈沖的強(qiáng)弱來推算粒子的能量譜。

02. 固體粒子檢測原理

基于硅半導(dǎo)體固態(tài)半導(dǎo)體檢測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。所以一個通過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。

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在 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體結(jié)合部由于擴(kuò)散會形成耗散區(qū)，耗散區(qū)的厚度隨著偏置反電壓的增加而變厚，有時可以達(dá)到幾百個微米。當(dāng)放射性粒子通過耗散區(qū)時，所激發(fā)出電離電子（空穴）則會被耗散區(qū)內(nèi)的電場驅(qū)動留出耗散區(qū)，最終從 PN 結(jié)兩端引線輸出脈沖電流。因此，PN 結(jié)處的耗散區(qū)就像一個固態(tài)的容性電離室可以檢測通過的高能粒子，粒子的能力與最終形成的脈沖電流強(qiáng)弱有關(guān)系。

實驗中使用的 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（基本上沒有摻雜硅），這使得 PN 結(jié)之間的耗散層變得更寬，則對通過 PN 結(jié)的粒子更加敏感。

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由于α粒子的穿透能力很弱，為了能夠探測α粒子，需要將 BPX61 頂部封裝玻璃窗口去除。

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使用斜口鉗在 BPX61 的封裝金屬殼四周稍微剪出幾個凹槽，這樣頂部的玻璃片就會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。

03. 脈沖電流放大

雖然一個放射性粒子（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量的電脈沖信號，還需要經(jīng)過很多倍的放大。下圖是?Github 上給出的粒子檢測器的信號放大電路圖^[7]?。

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在放大電路前端，用于檢測α粒子，或者β射線(電子)的傳感器，可以使用一個 BPX61，也可以使用四個并聯(lián)的 BPW34F(A)。

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使用 BPX61 傳感器，事前需要對它進(jìn)行改造（剪除頂部密封的玻璃），可以檢測到α、β射線粒子。

使用四個 BPW34F(A)作為傳感器，只能夠檢測到β射線（電子）和少量的γ射線（光子），α粒子不能夠穿過 BPW34 的外部封裝到達(dá)內(nèi)部的芯片，無法產(chǎn)生電脈沖信號。由于使用了四個 BPW24F 并聯(lián)，增大了對電離輻射的檢測靈敏度，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環(huán)境噪聲靈敏度，以及受機(jī)械振蕩所產(chǎn)生的干擾。

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使用 BPW34F 時，對于電路中的電阻 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。

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為了便于理解信號放大原理，下面將前面的電路圖重新進(jìn)行了整理。圖中可以看出，它實際上是由 JFET 運(yùn)放 IC 中（TLE2072）的兩個獨(dú)立運(yùn)放分別組成兩個低通濾波器，C4,R4 組成高通濾波器，R8,C9,C10,R9 組成帶通濾波器，所以整個電路的是一個帶通放大電路。

如果是購買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好者可以在兩個小時內(nèi)將粒子檢測器組裝完畢，包括在外部金屬屏蔽盒上打洞，安裝開關(guān)和信號線插座。

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在剛剛過去的暑期小學(xué)期的電子課程設(shè)計中，如果有同學(xué)選擇制作這個內(nèi)容，不僅可以練習(xí)模擬電路、微弱信號放大電路的制作調(diào)試，還可以在后續(xù)的信號記錄和分析中了解數(shù)字濾波和信號測量等相關(guān)的知識。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。

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。可以將放大信號作為麥克信號引入個人電腦、平板電腦或者手機(jī)中，利用電腦或者手機(jī)內(nèi)的聲卡來進(jìn)一步放大信號，并通過網(wǎng)絡(luò)上下載的免費(fèi)軟件來錄制記錄音頻信號。之后，便可以通過軟件來對錄制的信號進(jìn)行脈沖計數(shù)和波形分析了。

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下面顯示的是α粒子所產(chǎn)生的脈沖波形。通過設(shè)置合適的觸發(fā)電平，可以將觸發(fā)信號和普通的噪聲分開。通過檢測脈沖信號的幅值可以得到放射性粒子的能量大小。對于一段時間內(nèi)的脈沖能量進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以獲得放射源發(fā)射的粒子能量譜。

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05. 實驗的意義

也許無論從電子學(xué)來看上面的電路設(shè)計，還是從高能物理學(xué)來看這個粒子探測器的性能，它都屬于比較簡單和初級的。但是利用這個價格低廉的小裝置，可以幫助我們更好的理解我們周圍環(huán)境中的各類天然放射性源，甚至我們身體無時無刻都在進(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于放射性現(xiàn)象的一些誤解。

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對于學(xué)生科普來講，如果僅僅從網(wǎng)絡(luò)、書籍、視頻中看到相關(guān)介紹，也許會使得一些同學(xué)并不感興趣。特別對于這種放射性現(xiàn)象，看不到、摸不著。但通過一定的步驟，通過制作簡易測量工具獲得相關(guān)測量數(shù)據(jù)，則會激發(fā)其同學(xué)對于科技的極大的興趣。

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除了興趣的激發(fā)之外，實際上在日本福島核泄漏之后，大眾使用建議的工具來檢測環(huán)境放射性，并將信息進(jìn)行共享和討論，在避免社會災(zāi)難恐慌方面也有著非常重要的積極意義。

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實驗的相關(guān)器件真的很便宜，當(dāng)你有一天宅在家里的空閑時間時，不妨通過搭建它來消磨一下時間吧。

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參考資料