在家做核子研究：怎么DIY一个粒子检测器

大数据文摘出品

来源：clanhouse

编译：肥恬儿、coolboy

 

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 Foster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？？

       

GitHub链接：

https://github.com/ozel/DIY_particle_detector

 

不过，感觉也挺值得尝试一番？

 

于是，Steve Foster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kitspace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？

       

kitspace链接：

https://kitspace.org/boards/github.com/ozel/diy_particle_detector/electron-detector/

 

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Fossil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Amazon 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：

 

• 带有小尖头并且适用于组件和电路板的烙铁

• 拆焊泵和编织带（以防万一）

• 用于在焊接组件时整理多余的电线的小型剪钳

• 整理接线末端的剥线钳

• 用于测试接头和检查电路板的小型万用表

• 在旧的锡盒上打孔的打钉机

• 用于锉掉刚打的孔上尖锐边缘的锉刀

• 进行焊接时，用来固定电路板和组件的物件。我们用的是旧的墙砖和六角铅笔

 

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JavaScript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，JavaScript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Windows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，Oliver Keller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。

       

GitHub主页双手奉上：

https://github.com/ozel

 

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 EeePC901，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Ubuntu将它从Windows XP Home升级到Windows 10 Home。你可能会惊讶于这样的机器居然可以运行Windows 10和MS Office，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VMWare进行了虚拟化），并安装了Lubuntu的新副本。我还在FireFox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Python，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！

 

相关报道：

https://clanhouse.com/cern-at-home-building-a-particle-detector