DIY粒子探测器

2020-05-16 05:19:35

硅探测器广泛应用于粒子和核物理中测量电离辐射。这个自己动手的项目允许使用硅光电二极管从头开始制造低成本的粒子探测器。它可以区分不同的粒子类型(阿尔法粒子和电子),并测量它们在33keV到8 MeV之间的能量。探测器必须屏蔽光线,因此最好安装在你最喜欢的糖果锡盒里。信号输出可以直接连接普通笔记本电脑和智能手机的麦克风或耳机输入。

这个项目是为学生和教育工作者设计的一个公民科学工具,允许他们发现我们环境中的天然放射性,并调查日常物品,如老式玻璃和旧陶瓷。当然,著名的香蕉和其他食物,如某些膳食食盐或坚果,都是有趣的研究对象。所有这些都有轻微的放射性,这是因为天然丰富的钾-40同位素,这使得即使是我们人类也有一点点放射性。

DIY粒子探测器是开源的科学硬件,根据CERN开放硬件许可证发布。施工细节和进行测量的软件可在相应的项目网站上找到。电路板和电子部件(约20欧元)可以通过开放的硬件设计库Kitspace轻松采购。这款探测器有两种版本,电子探测器的变种是为电子初学者推荐的。下面讨论的测量是用更先进的α谱仪变异体进行的。两个变种所需的电路板相同,但某些电子部件有所不同。

在相应的科学论文中,该探测器的性能通过多个参考测量进行了表征,并与模拟结果进行了比较。它还包括关于如何将原本用于探测光的半导体硅二极管改变用途以测量电离辐射和放射性的更多信息。

在下面所示的测量中,一个来自德国卡尔斯鲁厄的Majolika陶瓷制造厂的旧陶瓷吊坠被放在硅探测器的正下方。能谱显示了许多来自β衰变的电子,以及在3到4 MeV范围内的两条特征α能线。通过将这一测量与一块小铀石的能谱进行比较(c.f.。图9),可以得出结论,几条较高能量的α线丢失了。特别是,最右边的两个钚同位素峰并不存在。这可以用一个事实来解释,那就是铀基陶瓷涂料,即所谓的铀釉,通常是由化学提纯的铀生产的。由于这种油漆最多只有十分之几年的历史,所以只有铀衰变链的最顶端的同位素出现在油漆中。在这条链中,从镭开始的放射性同位素,包括钋,将经历几次图中没有的特征性的阿尔法衰变。通过这次测量,我们能够确认这种特殊的铀涂料是以化学加工的铀矿为基础的,并不包含纯矿物及其所有的放射性同位素(因为铀矿物有数十亿年的历史,其所有可能的同位素肯定都是随着时间的推移而产生的)。

由于源和测量装置的特性,测得的α能量值比铀同位素的实际特征α能量低约1 MeV:当粒子与陶瓷表面涂层相互作用时,一些能量损失,一些能量被硅探测器前面的短气隙吸收(在这种情况下约为2毫米)。

[*]在专业测量设置中,可以通过使用真空室和真空泵来降低周围空气的密度来改善这一点。