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在家做核子研究:怎么DIY一个粒子检测器

2024-01-11 大全 207 作者:考证青年

编译:肥恬儿、

如果把你和16岁的儿子关在家里,你们会做什么?

好吧,第一个答案可能是造一个游戏PC,但现在DIY游戏PC的项目太多,有其他一些不一样的东西吗?

或许,可以试着做一个粒子探测器?

这个叫Steve 的博主在网上碰巧看到了一篇介绍欧洲核子研究中心(CERN)外联项目的文章,这个项目说,你能以不到30英镑的价格打造你自己的粒子探测器??

链接:

不过,感觉也挺值得尝试一番?

于是,Steve 就和儿子一起,捣鼓着DIY了一个粒子探测器,过程中肯定也遇到了一些困难和好玩的事,接下来就和文摘菌一起来看看吧。

需要购买的组件

其实要DIY一个CERN套件并没有那么困难,你可以在上订购需要的零件。但问题是,你能用30欧元(27英镑)左右的价格搭建出来吗?

链接:

单个组件的价格自然在30欧元以下了,但只购买单个组件显然是不够的,有时候你必须购买10个电阻器,因为它们太便宜了,到最后,3便士的零件你可能前前后后花费了30便士。(这消费主义的陷阱)

其中,最大的惊喜是,你最好购买三块电路板,实际经验告诉你这会物有所值的,尤其是,如果你对自己的焊接技能不自信的话,可以准备一块备用板,正好Alpha检测器型号也可以用同一块板。

总的来说,所有电子元件的成本几乎都不到40英镑。如果你要购买一个有十几块板的经典模型,整体价格将接近每块木板33英镑/37欧元。

除了上面的零部件外,你还可以考虑购买一些自选零件。

我们在亚马逊上以大约8英镑的价格购买了链接BNC(连接器)和音频插孔的电缆,因为这样一来就比从头开始构建整个模型来得更快,更容易并且更便宜。

我们还购买了一些现在工具箱里没有的工具。你可能更愿意以6英镑左右的价格购买金属盒或包装盒,但我建议可以使用旧的罐子或类似的物品代替。我们用的是我妻子在圣诞节时收到的手表上的展示盒。

为了在外壳中安装板子,你需要某种金属支架。我们在亚马逊上以约11英镑的价格购买了一盒M3黄铜支架,不仅具有各种长度,并且包括所有必要的螺钉和螺栓。(120个组件,仅需一个!)然后你还需要一些较短的连接线——总计约30厘米。(温馨提示:如果你需要在购买过程中订购所有这些物品,那么 Prime绝对物有所值。)

最后,你需要某种放射源来尝试检测器。我们在亚马逊上以不到5英镑的价格购买了100克高纯度的氯化钾(KCl),这价格明显比亚马逊上也有较高钾含量的富含钾的盐替代品更好。

你还需要哪些工具

上面列举的都是一些专业零件,还有一些基础零件也不能忘了。

开始之前,请确保你拥有所有需要的工具:

让我们来动手构造一个探测器吧!

我们在大约3周的时间里每天花了大约3个小时来制作电路板,也许还要花一个小时来制作机箱并将把电路板安装到里面。

为什么这么久呢?好吧,这个项目对于一个16岁的年轻人来说,和制造游戏PC的吸引力还是很不同的,做游戏PC通常比这个项目来得更有干劲儿。

话归正转,我们现在决定将组件成组焊接。首先制造电阻器,然后制造电容器,之后是半导体。Wiki中的构建说明书非常好用,跟着步骤做就行了。

我们在焊接时测试了每个接头,并且从电路板上的另一点也进行测试,以确保连接没有问题。我儿子在一块PCB上进行了所有焊接,而我开始在第二块板上进行工作,一部分用作备份板,另一部分可以构成Alpha检测器的基础。

(同时我悲催的发现了这两样在第三个组件R3上已经是不一样的组装构造了!)

以下是不同建设阶段的一些镜头:

第一阶段

底部电阻

顶部电阻

第二阶段

电容器底部

电容器顶部

第三阶段

成品的底部

成品的顶部

第四阶段

带有开关,电池和连接器的完整探测器

探测器测试

测试检测器时,要做的第一件事是通过测量电源连接器上的电阻来确保没有短路, (技能get!一个令人满意的9.8千欧姆),并确保电源已到达板上。

然后我们将它插入PC并打开电源。

接着我们用的脉冲检测器来检查它是否正常工作。我轻按了开关,……居然什么也没有。

因此,我们检查了电路板。有些焊接处看起来很干,而在另外一两个焊接处上,我们不能百分百确定相邻焊接处之间是否有气隙,因此我们只好拆焊并重新制作了大约3个焊接。

然后,我们再次连接到PC,并在打开和关闭设备时看到了令人满意的脉冲。当锡罐被移动或当我们中的一个人靠近锡罐讲话时,我们还看到了很多拾音器。

OK,那么下一步就是尝试使用辐射源。

我称出约10g氯化钾放入一个塑料盖中,并放在检测器中的二极管下方。虽然我们没有在锡的盖子上开一个辐射窗,但是二极管就在氯化钾表面上方约1.5厘米处。接着我打开了检测器,哎…什么都没有,甚至没显示开/关脉冲。

看到探测器似乎没啥反应, 我只好将设备拆开并重新测试了与万用表的连接,并所有外壳连接都是可以的,以及检查外壳是正确接地的。我检查了电池的电是否都通到每一个必备的部件,也看了一下电池电量是良好的。检查完这一圈,还是没发现哪里有错。

不过很快地,我就发现了一个间歇性问题。有时,当设备打开或关闭时,检测器会看到一个脉冲,但是其实并没有东西在检测。有时你会在网络示波器上看到噪音,有时却看不到。

于是当我在摸索到底出了什么问题时, 我终于想到,或许可以尝试收听音频输出,这在下就是一件微不足道的事情。

还真的是!打开设备后,我会听到白噪声,每过20-30秒,就会听到轻声的咔嗒声。显然,检测器正在工作,只不过是因为软件的问题。

论一台旧电脑和声卡的重要性

我不得不说,在尝试使检测器工作时, 太给力了。有一说一,听他说一些关于音频连接和声卡的建议真的很重要。

主页双手奉上:

问题在现代PC中的声卡(或芯片)太过智能了。它们主要任务是优化Skype和Zoom的麦克风输入,但这也意味着消除了恰好是探测器发出的信号噪声和多余的喀哒声。

因为现代技术假设检测器信号为有害噪声,所以我需要一些原始技术。我有一台旧的笔记本电脑——Asus ,大约是十年前买的。多年来,它一直兢兢业业的成为我的实验工具人。

比如说, 我试过把它的内存升级到2GB,又把可笑的小型4GB SSD换成32GB。我还通过多个版本的将它从 XP Home升级到 10 Home。你可能会惊讶于这样的机器居然可以运行 10和MS ,只不过虽然可以运行,但是效果不佳。

不仅如此,我又将它备份(对进行了虚拟化),并安装了的新副本。我还在下启动了网络示波器,此时我们终于有一个可以正常工作的检测器:

你可以在屏幕截图中清楚地看到检测器脉冲。

噪声有时会达到峰值,并可能导致读数错误,但这些噪声是很容易被发现的。虚假脉冲是单边的,没有真实脉冲的回弹峰。

从大约25克的氯化钾中,我发现检测器每分钟有两到三个脉冲。

那么,接下来呢?

OK,既然检测器能工作了,接下来还能用它来做什么?

我们首先考虑的计划是尝试,确保我们可以看到并正确分析KCl的能谱, 然后将尝试各种措施以减少电气噪声。我怀疑锡会向内部泄漏一点光,但是可以用黑色胶带来补救。

第三步将从我在探测器中,对收集的小型矿物质进行实验——那里肯定有放射性的东西。

第四步会很有趣。不知道你是否听说过古老的格言,即香蕉也具有放射性?我们计划通过测量一团即美味又富含钾的香蕉的β衰减率来证明这一点!

请大家拭目以待吧!

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