全球半导体微控制器的短缺让使用微控制器的人的生活变得艰难,现在的交货时间有时很短引用年份.但也有一个亮点:4美元π皮科,一种基于单片机的新型RP2040芯片。RP2040不仅有很多的计算能力,它没有像其他芯片那样出现短缺.因此,当我决定自制一个便宜的闪烁伽玛光谱仪时,这是一个自然的选择——尽管我没有意识到我发现自己会遇到经常影响第一代集成电路的那种初期问题。

我对伽马射线光谱学的兴趣来自于我的物理学习。我发现,你可以从一台设备中获得如此多的信息,这很令人着迷。伽玛射线能谱仪可以像盖革计数器一样使用,具有更高的灵敏度,但与盖革计数器不同的是,你可以识别任何伽玛发射放射性同位素的精确组成,精确到皮克图(或更少)。当我看到即使是最便宜的商业设备价格也很高时,我开始考虑创建自己的伽玛射线光谱仪。我想看看我能不能让建造一个分光仪变得简单实惠。


第一步是选择光谱仪中心的闪烁体。简而言之,闪烁体可以测量伽马射线通量的能量和强度,这要归功于透明晶体。一个伽马射线在晶体中产生一个自由电子,这个电子的能量与伽马射线的能量成正比。当电子穿过晶体时,它会激发原子。原子反过来发射可见光子,发射的光子总数与激发电子的能量成正比。因此,通过计算光子的数量,你可以测量原始伽马射线的能量。计算你在一段时间内探测到的伽马射线的数量,你就能得到辐射的强度,观察伽马射线的能量,你就能得到放射性同位素的光谱指纹。

光子信号必须被放大才能被探测到。历史上,这是使用光电倍增管真空管,但硅光电倍增管(sipm)已经变得越来越普遍,对于我的项目来说,它们有许多优点,特别是在消除对高压电源的需求方面。

你可以在eBay上买到各种二手闪烁晶体,价格相当便宜:我买了一个小的碘化钠晶体,直径18毫米,长30毫米,大约花了40美元。它配有一个光电倍增管,我把它拆了下来,换成了我的SiPM,用黑色胶带包裹着整个组件,以防止外部光线漏进来,触发传感器。

3块印刷电路板和金属管内的圆柱形晶体。树莓派Pico(左)提供了计算能力和伽玛射线光谱仪的模数转换器。一个载波板(中)提供电源,并与硅光电倍增管(右上)和闪烁晶体(右下)连接,对伽马射线起反应。詹姆斯教务长

闪烁体和SiPM插入一个载波板,该载波板有一个DC/DC升压转换器,可将5伏电压转换为SiPM所需的29.3 V电压。载波板上还装有Pico微控制器和其他一些支持电路,包括一个放大器,它可以将SiPM的输出电压提高到Pico内置模数转换器(ADC)可以检测到的水平。

从纸面上看,Pi Pico的ADC看起来非常不错。但这里面隐藏着一个漏洞。

Pico RP2040芯片中的ADC是一个关键组件,从纸面上看,它看起来非常不错。
12位分辨率可以以每秒500千样本的速度在0到3.3 V之间进行测量。但在RP2040的ADC中有一个潜伏的缺陷。

直到我开始测试频谱,为Pi编写软件,将ADC的读数分解为4,096个通道,并随着时间的推移计算每个通道中的事件数量,我才意识到它的存在。我注意到一个频道一直报告非常高的计数值,在我的光谱中产生了一个细峰值。困惑的是,我做了四个小时的背景辐射测量,发现有四个有问题的频道,信号不现实地飙升。

我开始寻找可能导致这种情况的原因,并发现我不是第一个遇到ADC问题的人。一个Mark Omo的伟大网站-一位负责调查该问题的电子工程师提供了详细的分析,但总的来说,问题是:理想情况下,ADC将其可以测量的电压范围切割成相同大小的步骤序列,在输入电压和输出数值测量之间产生线性关系。当然,没有ADC在其测量范围内具有完美的线性响应,但RP2040有四个输入电压产生严重非线性响应的点。这就是我光谱中神秘尖峰的来源。

两个图表:最上面的图表标有“家用电离烟雾探测器”。X轴范围为0到10,000个计数,y轴范围为0到600千电子伏。它显示了两个标记为Am-241的尖峰。底部图表标注为\u201cTea cup with uranite(沥青铀矿)glaze\u201d, x轴范围为0 ~ 200计数,y轴范围为0 ~ 1500 keV。一个尖峰被标记为Th-234,更宽的峰表明U-235、Pb-210和Bi-234的存在。放射性矿物比许多人想象的要普遍得多:一些用自制探测器捕捉到的样品光谱和负责其特征的同位素。每个频谱下面的方框显示了未经校准的原始数据。詹姆斯教务长

在RP2040修订以修复此故障之前,您可以直接做的事情并不多。幸运的是,对于4096个信道,我可以使用最简单的软件修复程序——丢弃受影响信道中的测量值——而不会显著影响整个频谱的质量。

通过USB接口可以控制和获取光谱仪的数据(这也提供了操作光谱仪所需的电力)。我编写的软件可以接受串行命令,例如,将光谱仪置于盖革计数器或能量测量模式,或上传自上次通电以来所有测量的直方图。你可以自己编写代码与光谱仪通信,或者使用Web应用程序我做的这个也可以画出光谱。(链接到Web应用程序,以及完整的构建细节和PCB文件可以在GitHub上找到.)

对于未来,我希望使光谱仪硬件能够使用更广泛的sipm和闪烁体,这样人们就可以使用他们能找到的任何探测器。我希望你能加入我这个迷人的爱好!

本文发表在2022年7月的印刷版上,题为“DIY伽马射线光谱学”.”

对话(1)
Bhavesh Kakwani 2022年6月23日
INDV

这太棒了!我记得当我在大学的时候,我必须用FPGA解码SiPM信号……I'm sure it was much harder than using a Pico even despite the ADC issue the author faced. Thanks for sharing, great read

欧洲扩大虚拟边界以阻止移民

我们的调查显示,欧洲正在转向遥感探测航海移民,以便非洲国家可以把他们拉回来

14分钟读数
一群人坐在水面上的充气船上,背景是一艘巡逻舰。

2020年2月28日,在希腊莱斯博斯岛的Skala Sikaminias村,从土耳其横渡爱琴海的移民在一艘Frontex船只的陪同下乘坐橡皮艇。

美联社

午夜过后当时一艘载有数十名移民的橡皮艇从利比亚出发,遭遇了一艘来自马德拉岛的笨重货船和一架欧洲军用飞机。船长停止了引擎,飞机对着橡皮艇闪烁着灯光。但无论是船只还是飞机都没有前来救援。相反,马耳他当局告知船长不得不等待来自马耳他的船只来接走这些移民。当这些船只到达时,三名移民在试图游向闲置的船只时溺亡。

这艘停泊在马耳他的私人船只搭载了幸存者,向南行驶约237公里,将这些移民交给了利比亚当局,而不是返回160公里外的马耳他。利比亚过去和现在都处于内战之中。另外5名移民在南行途中死亡。通过将移民送到那里,马耳他船只的船长,或许还有相关的欧洲救援当局,可能违反了国际海洋法,该法律要求船长将他们救援的人送回安全的港口。相反,在过去十年中返回利比亚的移民报告说,他们在试图穿越地中海时遭到奴役、身体虐待、勒索和谋杀。

如果将获救的移民送往利比亚是合法的,那么它的成本将与向南而不是向东多派出几公里的救援船一样低。但在过去几年里,欧洲海上军事巡逻的海上救援行动越来越少,同时增加了有人和无人的空中巡逻,并投资于遥感技术,以扩大虚拟边界,在移民接近实际边界之前阻止他们。

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