В первой части серии мы разобрали, что такое первичные и вторичные космические лучи, а также в общих чертах рассмотрели устройство, с помощью которого будем регистрировать последние. В этой же статье мы подробнее рассмотрим принцип работы детектора мюонов, после чего перейдем к сборке и тестированию основной платы.
Что понадобится
Отладочный модуль дисплея Grove-OLED 0.96 с SSD1308 Seeed Studio 104030008
DC-DC Converter Step-Up 2.5-16V TSOT23-6
Операционный усилитель LT1807IS8#PBF Analog Devices, Precision, Op Amp, RRIO, 250MHz, 3 V, 5 V, 8-Pin SOIC
Принцип действия
В качестве пластикового сцинтиллятора мы возьмем Bicron BC408. Он обеспечивает высокую светоотдачу и применяется, в том числе, для обнаружения мюонов. Когда вторичные космические лучи проходят через алюминиевый корпус, а затем блок сцинтиллятора, генерируется вспышка света, которая регистрируется связанным фотоумножителем.
В первой статье мы уточнили, что кремниевый фотоумножитель (Si-ФЭУ) намного удобнее устаревшей трубки ФЭУ за счет гораздо меньших размеров и отсутствия необходимости в источнике питания, подающем тысячи вольт. Тем не менее, если мерить по цифровым стандартам, то Si-ФЭУ все же требуется высокое напряжение, которое должно составлять примерно 30В. Запитывается детектор через USB, то есть на входе получает всего 5В. Поэтому в нем используется схема на основе повышающего преобразователя DC/DC LT3461 (761-8670).
Когда фотон попадает в Si-ФЭУ, возникает лавинный эффект, в ходе которого один электрон преобразуется в ток порядка миллионов электронов. Так как ФЭУ состоит из микро-ячеек, генерируемый ток получается пропорциональным числу сработавших из них, что в свою очередь зависит от интенсивности потока фотонов и позволяет нам его измерить.
Напряжение, связанное с разрядом одной ячейки, составляет порядка нескольких милливольт, а при прохождении мюона через сцинтиллятор обычно будет возникать всего несколько десятков фотонов. В связи с этим нам потребуется схема на прецизионном двойном операционном усилителе LT1807 (779-9508), которая усилит сигнал примерно в 24х.
Усиленный сигнал отправляется на пиковый детектор, который удерживает импульс, позволяя Arduino измерить напряжение, после чего затухает и переходит в готовность принимать очередной импульс.
АЦП микроконтроллера имеет частоту дискретизации примерно 178кГц. Arduino также выполняет и другие задачи, например преобразование измеренной амплитуды импульса в амплитуду импульса Si-ФЭУ, запись времени явления и времени простоя между явлениями, управление OLED-экраном и отправку данных на компьютер по USB.
В комплекте также присутствует отдельная плата с гнездом MicroSD, которая присоединяется к основной плате и может задействоваться для локальной записи данных. Это может пригодится, когда, например, требуется более компактное решение, или если доступно питание только от батареи.
Сборка
Сборку основной платы мы начали с припаивания пассивных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы. В основном здесь идут SMD-детали, так что вам пригодится лупа с подсветкой или микроскоп.
Следующими были припаяны интегральные схемы и гребенки.
Гребенка 2х4 с нижней части платы служит для подключения небольшой платы под MicroSD. В инструкции сказано, что нужно использовать 6-контактную гребенку от Arduino Nano и 2 контакта с его основных штыревых разъемов. Однако здесь мы используем не клон, а оригинальный Arduino, у которого все штыревые разъемы уже припаяны. Проблемы это не создало, так как у нас были гребенки с шагом 0.1”, от которых мы просто отрезали две сегмента по 4 контакта.
Затем мы припаяли Arduino, после чего вскрылась проблема: его 6-контактная гребенка будет мешать плате Si-ФЭУ после ее подключения в соседний разъем-мама. Отпаивание Arduino стало бы не самой веселой задачей, поэтому мы просто решили подрезать контакты его гребенки.
Пробное тестирование
Закончив со сборкой основной платы, можно провести первые простые тесты. Сначала мы подаем питание через USB-разъем Arduino, после чего измеряем напряжение Si-ФЭУ на 6-контактном разъеме-мама, чтобы убедиться в работоспособности схемы усиления. На фото выше видно, что нам удалось получить ожидаемые 29.5В.
Время программировать микроконтроллер.
В прошивке используется несколько библиотек Arduino, большинство из которых идут в комплекте с IDE, так что установить придется всего парочку.
Мы открыли скетч в IDE, скомпилировали его и загрузили на Arduino Nano.
Модуль Seeed Studio OLED (174-3239) был подключен к 4-контактному разъему на передней части основной платы, который заработал после прошивки. Очевидно, что пока любые выводимые показания будут ошибочны, так как Si-ФЭУ еще не подключен.
Воспроизводимость
Некоторые элементы, указанные в списке компонентов, являются дубликатами с неопределенными идентификаторами. В связи с этим их не всегда будет легко раздобыть, и велик шанс приобрести что-то очень похожее, но несовместимое.
С учетом этого, мы решили попробовать заменить их фирменными компонентами – например, оригинальным Arduino Nano – и компонентами от узнаваемых брендов, поскольку так другим будет проще воссоздать это устройство. Такой подход пока сработал для модуля OLED, при этом Arduino должен тоже вполне подойти с учетом обрезки 6-контактной гребенки, хотя лучше будет изначально отпаять ее до монтирования Nano на основную плату.
Что касается гнезда под MicroSD, то для данного посадочного места мы перепробовали разные варианты, некоторые из которых у нас уже были, плюс пару мы заказывали. Тем не менее ни один не подошел, так что нам еще предстоит подыскать соответствующий.
Несмотря на то, что стремление максимально снизить бюджет проекта достойно похвалы, особенно, когда его реализация происходит в школах и колледжах, стоит отдельно сказать об облегчении воспроизводимости такого проекта за счет использования надежных деталей, которые доступны для заказа по всему миру. Конечно, жаловаться особо не стоит, когда подобная готовая схема проекта предоставляется бесплатно, и в качестве решения возможных проблем можно просто создать собственную ее вариацию.
Продолжение
В следующей статье мы соберем комплект Si-ФЭУ плюс сцинтиллятор, а также протестируем завершенный детектор с помощью Raspberry Pi, подключенного по USB.
