在家带宝宝能做什么？
??起初，我在今天的第一天看到一篇文章——大数据摘要(2020-09-28) ，介绍了Steve Foster(一家英国央行刚刚退休 TI 如果架构师在世界各地延伸 在背景下，带着16岁上中学的儿子在家里做一个可以检测环境放射性粒子的电子装置。
??他看到欧洲粒子研究中心的介绍（CERN）外联项目文章， 以不到30英镑的价格建造自己的粒子探测器， 。
▲ Steve Foster DIY粒子检测器和观察到的波形
??Foster在博文中详细生动记载了他和儿子三周内（实际制作时间大约4个小时）制作过程所经历的沟沟坎坎，对于希望做同样电子实验的电子初学者来说很有帮助。
??我对他们的制作很感兴趣，因为我以前在那里 中介绍了离子烟雾传感器。对于烟雾传感器(Am-241)使用放射性检测 而在Foster硅半导体用于制造粒子检测器PIN光电管检测放射性粒子，并可根据产生信号脉冲的强度计算粒子的能量谱。
▲ 两种用于检测放射粒子PIN光电管
左:BPW34F；右:BPX61
02固体粒子检测原理
?? 很多网络文章都是介绍的。与之相比。 气体电离(电离能力约155)eV），在硅半导体中，电子从共价带到导带所需的能力很小，大约1.1eV。因此，通过硅晶体的高能粒子可以在半导体中激发自由电子和空穴。
??由于扩散，P型半导体和N型半导体结合部会形成耗散区，随着偏置反电压的增加，消散区的厚度会变厚，有时可达数百微米。当放射性粒子通过耗散区时，电离电子(空穴)会被耗散区的电场驱动，最终从PN结两端引线输出脉冲电流。因此，PN结处的消散区就像一个高能粒子，可以通过固态容性电离室检测。粒子的能力与最终形成的脉冲电流强度有关。
▲ PIN二极管及光电检测原理
??在实验中使用BPX61、BPW32F是一种PIN结构光电管在传统的P型和N型半导体之间有一层本征半导体(基本上没有掺硅)，这使得PN通过PN结粒更敏感。
??由于α为了能够探测，粒子的穿透能力很弱α粒子，需要将BPX去除61顶封装玻璃窗。
??使用斜口钳BPX61封装金属外壳周围有几个凹槽，使顶部玻璃破碎并剥离金属外壳玻璃。小心操作不会损坏传感器内的硅光电管芯片。
▲ 左：带玻璃串口的BPX61光电管
右：窗户已被移除BPX61
03脉冲电流放大
??尽管是放射性粒子（α粒子，电子，γ光子)可以在PIN光电管耗散区电离大量电子，但需要多次放大才能形成可测量的电脉冲信号。 。
??用于放大电路前端的检测α粒子，或者β可以使用射线(电子)传感器BPX61也可以使用四个并联BPW34F(A)。
??使用BPX61传感器需要事先改造(切除顶部密封的玻璃)，才能检测到α、β射线粒子。
▲ 信号处理电路原理图
??使用四个BPW34F(A)作为传感器，只能检测到β射线(电子)和少量射线γ射线（光子），α粒子不能穿过BPW34外包装到内芯片，无电脉冲信号。用了四个BPW24F并联增加了电离辐射检测的灵敏度，可以降低电路中的放大倍数，也可以降低电路对环境噪声的灵敏度和机械振荡的干扰。
??使用BPW34F当时，电路中的电阻R3,R4,R5,R9分别减小到10M ,1K,100K ,0Ω，整体放大倍数降低了10倍左右。
??为了便于理解信号放大原理，下面重新整理了前面的电路图。从图中可以看出，它实际上是由JFET运放IC中（TLE2072)两个独立的运输分别形成两个低通滤波器，C4,R四组成高通滤波器，R8,C9,C10,R9组成带通滤波器，所以整个电路是带通放大电路。
▲ 放大电路的电路图
#!/usr/local/bin/python # -*- coding: gbk -*- #============================================================ # TEST1.PY -- by Dr. ZhuoQing 2020-10-02 # # Note: #============================================================ from headm import * from sympy import symbols,simplify,expand,print_latex #------------------------------------------------------------ x,y,s,a,b,c = symbols('x,y,s,a,b,c') R8,C9,C10,R9 = symbols('R_8,C_9,C_10,R_9')
def plc(a,b):
return a*b/(a+b)
#C10=100e-9
#R9=2.2e3
#R8=10e3
#C9=6.8e-9
u1=plc(1/(C9*s), (1/(C10*s)+R9))
u2=u1/(R8+u1)*R9/(1/(C10*s)+R9)
result = simplify(expand(u2))
#------------------------------------------------------------
print_latex(result)
#time.sleep(1)
#printf(res)
res = str(result).replace('_', '')
C10=1e-6
R9=1e3
R8=10e0
C9=6.8e-99
print_latex(eval(res))
tspexecutepythoncmd("msg2latex")
time.sleep(1)
printf(res)
#------------------------------------------------------------
def func(s):
return C10*R9*s/(C10*C9*R8*R9*s**2 + C10*R8*s + C10*R9*s + C9*R8*s + 1)
f = linspace(0, 10e3, 500)
val = abs(func(1.0j*f))
plt.plot(f, val)
plt.xlabel("Frequency(Hz)")
plt.ylabel("Amplitude")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()
#------------------------------------------------------------
# END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================
如果是购买成品的电路板和元器件，高中生的孩子，或者其他工程科技爱好者可以在两个小时内将粒子检测器组装完毕，包括在外部金属屏蔽盒上打洞，安装开关和信号线插座。
在刚刚过去的暑期小学期的电子课程设计中，如果有同学选择制作这个内容，不仅可以练习模拟电路、微弱信号放大电路的制作调试，还可以在后续的信号记录和分析中了解数字滤波和信号测量等相关的知识。特别是，利用该装置还可以获得跨学科的一些科学知识。
▲ 制作完毕的粒子检测器设备
04信号记录分析
尽管上述电路已经将粒子所产生的脉冲电流进行放大整形，但幅值还是很弱的。可以将放大信号作为麦克信号引入个人电脑、平板电脑或者手机中，利用电脑或者手机内的声卡来进一步放大信号，并通过网络上下载的免费软件来录制记录音频信号。之后，便可以通过软件来对录制的信号进行脉冲计数和波形分析了。
下面显示的是α粒子所产生的脉冲波形。通过设置合适的触发电平，可以将触发信号和普通的噪声分开。通过检测脉冲信号的幅值可以得到放射性粒子的能量大小。对于一段时间内的脉冲能量进行统计分析，可以获得放射源发射的粒子能量谱。
▲ 记录的α粒子脉冲波形
▲ 对所有脉冲信号的幅值进行统计，获得放射性粒子的能量谱
05实验的意义
也许无论从电子学来看上面的电路设计，还是从高能物理学来看这个粒子探测器的性能，它都属于比较简单和初级的。但是利用这个价格低廉的小装置，可以帮助我们更好的理解我们周围环境中的各类天然放射性源，甚至我们身体无时无刻都在进行几千次的碳-14，钾-40衰变放射。这样可以纠正一些我们对于放射性现象的一些误解。
对于学生科普来讲，如果仅仅从网络、书籍、视频中看到相关介绍，也许会使得一些同学并不感兴趣。特别对于这种放射性现象，看不到、摸不着。但通过一定的步骤，通过制作简易测量工具获得相关测量数据，则会激发其同学对于科技的极大的兴趣。
除了兴趣的激发之外，实际上在日本福岛核泄漏之后，大众使用建议的工具来检测环境放射性，并将信息进行共享和讨论，在避免社会灾难恐慌方面也有着非常重要的积极意义。
实验的相关器件真的很便宜，当你有一天宅在家里的空闲时间时，不妨通过搭建它来消磨一下时间吧。
- 在家做核子研究：怎么DIY一个粒子检测器
- 文章所涉及到的资料可以在Github上下载
- 头顶上的放射源
- 古老的盖革管
- 基于硅半导体固态半导体检测放射粒子及其能量分布的原理
- 盖革管
- Github上给出的粒子检测器的信号放大电路图