【導讀】最初是在今日頭條-大數據文摘看到一篇文章 在家做核子研究：怎么DIY一個(gè)粒子檢測器[1] ，介紹了Steve Foster（一個(gè)剛剛退休英國中央銀行 TI 構架師）如果在全球綿延 新冠疫情（COVID-19） 背景下，帶著(zhù)自己的16歲上中學(xué)的兒子在家鼓搗一個(gè)可以檢測環(huán)境放射性粒子電子裝置。
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(shuō)可以使用不到30英鎊的價(jià)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] 。
▲ Setve Foster DIY的粒子檢測器和觀(guān)察到的波形
Foster在博文中詳細生動(dòng)記載了他和兒子三周內（實(shí)際制作時(shí)間大約4個(gè)小時(shí)）制作過(guò)程所經(jīng)歷的溝溝坎坎，對于希望做同樣電子實(shí)驗的電子初學(xué)者來(lái)說(shuō)很有幫助。
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體PIN光電管來(lái)檢測放射性粒子，并且可以根據產(chǎn)生信號脈沖的強弱來(lái)推算粒子的能量譜。
▲ 兩款用于檢測放射粒子的PIN光電管
左:BPW34F；右:BPX61
固體粒子檢測原理
基于硅半導體固態(tài)半導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），在硅半導體中的電離，即將電子從共價(jià)帶激發(fā)到導帶所需要的能力就很小，大約1.1eV。所以一個(gè)通過(guò)硅晶體的高能粒子可以半導體中激發(fā)出自由電子和空穴。
在P型半導體和N型半導體結合部由于擴散會(huì )形成耗散區，耗散區的厚度隨著(zhù)偏置反電壓的增加而變厚，有時(shí)可以達到幾百個(gè)微米。當放射性粒子通過(guò)耗散區時(shí)，所激發(fā)出電離電子（空穴）則會(huì )被耗散區內的電場(chǎng)驅動(dòng)留出耗散區，最終從PN結兩端引線(xiàn)輸出脈沖電流。因此，PN結處的耗散區就像一個(gè)固態(tài)的容性電離室可以檢測通過(guò)的高能粒子，粒子的能力與最終形成的脈沖電流強弱有關(guān)系。
▲ PIN二極管以及光電檢測原理
實(shí)驗中使用的BPX61、BPW32F是一種PIN結構的光電管，它是在傳統的P型和N型半導體之間還有一層本征半導體（基本上沒(méi)有摻雜硅），這使得PN結之間的耗散層變得更寬，則對通過(guò)PN結的粒子更加敏感。
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。
使用斜口鉗在BPX61的封裝金屬殼四周稍微剪出幾個(gè)凹槽，這樣頂部的玻璃片就會(huì )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部的硅光電管芯片。
▲ 左：帶有玻璃串口的BPX61光電管
右：已經(jīng)移除窗口的BPX61
脈沖電流放大
雖然一個(gè)放射性粒子（α粒子、電子、γ光子）可以在PIN光電管耗散區電離出很多電子，但為了形成可以被測量的電脈沖信號，還需要經(jīng)過(guò)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] 。
在放大電路前端，用于檢測α粒子，或者β射線(xiàn)(電子)的傳感器，可以使用一個(gè)BPX61，也可以使用四個(gè)并聯(lián)的BPW34F(A)。
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(xiàn)粒子。
▲ 信號處理電路原理圖
使用四個(gè)BPW34F(A)作為傳感器，只能夠檢測到β射線(xiàn)（電子）和少量的γ射線(xiàn)（光子），α粒子不能夠穿過(guò)BPW34的外部封裝到達內部的芯片，無(wú)法產(chǎn)生電脈沖信號。由于使用了四個(gè)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，這樣也可以減少電路對環(huán)境噪聲靈敏度，以及受機械振蕩所產(chǎn)生的干擾。
使用BPW34F時(shí)，對于電路中的電阻R3,R4,R5,R9分別減小到10M ,1K,100K ,0Ω，整體的放大倍數降低了10倍左右。
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(shí)際上是由JFET運放IC中（TLE2072）的兩個(gè)獨立運放分別組成兩個(gè)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(gè)電路的是一個(gè)帶通放大電路。
▲ 放大電路的電路圖
如果是購買(mǎi)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(ài)好者可以在兩個(gè)小時(shí)內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(kāi)關(guān)和信號線(xiàn)插座。
在剛剛過(guò)去的暑期小學(xué)期的電子課程設計中，如果有同學(xué)選擇制作這個(gè)內容，不僅可以練習模擬電路、微弱信號放大電路的制作調試，還可以在后續的信號記錄和分析中了解數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。
▲ 制作完畢的粒子檢測器設備
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?？梢詫⒎糯笮盘栕鳛辂溈诵盘栆雮€(gè)人電腦、平板電腦或者手機中，利用電腦或者手機內的聲卡來(lái)進(jìn)一步放大信號，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上下載的免費軟件來(lái)錄制記錄音頻信號。之后，便可以通過(guò)軟件來(lái)對錄制的信號進(jìn)行脈沖計數和波形分析了。
下面顯示的是α粒子所產(chǎn)生的脈沖波形。通過(guò)設置合適的觸發(fā)電平，可以將觸發(fā)信號和普通的噪聲分開(kāi)。通過(guò)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(shí)間內的脈沖能量進(jìn)行統計分析，可以獲得放射源發(fā)射的粒子能量譜。
▲ 記錄的α粒子脈沖波形
▲ 對所有脈沖信號的幅值進(jìn)行統計，獲得放射性粒子的能量譜
也許無(wú)論從電子學(xué)來(lái)看上面的電路設計，還是從高能物理學(xué)來(lái)看這個(gè)粒子探測器的性能，它都屬于比較簡(jiǎn)單和初級的。但是利用這個(gè)價(jià)格低廉的小裝置，可以幫助我們更好的理解我們周?chē)h(huán)境中的各類(lèi)天然放射性源，甚至我們身體無(wú)時(shí)無(wú)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象的一些誤解。
對于學(xué)生科普來(lái)講，如果僅僅從網(wǎng)絡(luò )、書(shū)籍、視頻中看到相關(guān)介紹，也許會(huì )使得一些同學(xué)并不感興趣。特別對于這種放射性現象，看不到、摸不著(zhù)。但通過(guò)一定的步驟，通過(guò)制作簡(jiǎn)易測量工具獲得相關(guān)測量數據，則會(huì )激發(fā)其同學(xué)對于科技的極大的興趣。
除了興趣的激發(fā)之外，實(shí)際上在日本福島核泄漏之后，大眾使用建議的工具來(lái)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(huì )災難恐慌方面也有著(zhù)非常重要的積極意義。
實(shí)驗的相關(guān)器件真的很便宜，當你有一天宅在家里的空閑時(shí)間時(shí)，不妨通過(guò)搭建它來(lái)消磨一下時(shí)間吧。
參考資料
[1]在家做核子研究：怎么DIY一個(gè)粒子檢測器: https://www.toutiao.com/i6877045217581597191/?tt_from=weixin&utm_campaign=client_share&wxshare_count=1×tamp=1601268327&app=news_article&utm_source=weixin&utm_medium=toutiao_ios&use_new_style=1&req_id=2020092812452701013109907703B3DAE7&group_id=6877045217581597191
[2]文章所涉及到的資料可以在Github上下載: https://github.com/ozel/DIY_particle_detector
[3]頭頂上的放射源: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/108854903
[4]古老的蓋革管: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104132819
[5]基于硅半導體固態(tài)半導體檢測放射粒子及其能量分布的原理: https://physicsopenlab.org/2020/06/15/cern-diy-particle-detector/
[6]蓋革管: https://baike.baidu.com/item/%E7%9B%96%E9%9D%A9-%E7%B1%B3%E5%8B%92%E8%AE%A1%E6%95%B0%E5%99%A8/5866514?fr=aladdin
[7]Github上給出的粒子檢測器的信號放大電路圖: https://github.com/ozel/DIY_particle_detector/blob/master/hardware/V1.2/documentation/DIY%20particle%20detector%20schematic%20v1-2.pdf
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