No hay nada como la física de partículas para hacernos conscientes de que vivimos en un interminable juego de pinball tridimensional. A nuestro alrededor, las partículas subatómicas se arquean, chocan y avanzan a toda velocidad con alegre desenfreno. Algunas se originan en nuestro propio cuerpo, otras vienen de los confines del cosmos. Pero detectar este tumulto invisible requiere un equipo, que puede ser costoso. Quería crear una forma de detectar al menos algunas de las bolas de pinball por menos de 15 dólares estadounidenses. Mi principal razón era tener una nueva herramienta de enseñanza. Estoy haciendo un doctorado en el Instituto de Física III B de la Universidad RWTH de Aachen, y me di cuenta de que un detector de este tipo me ayudaría a cumplir con mis obligaciones docentes y, al mismo tiempo, a aprovechar mis intereses en física, electrónica y diseño de software. Afortunadamente, no tuve que empezar desde cero. Oliver Keller, del laboratorio S’Cool del CERN, ha creado un detector de partículas casero que se basa en fotodiodos de silicio económicos para detectar partículas alfa y beta (núcleos de helio y electrones libres que zumban por el aire, respectivamente) y estimar su energía. Normalmente, los fotodiodos se utilizan para responder a la luz, como las señales que se utilizan en las comunicaciones por fibra óptica. Pero una partícula cargada que golpea el fotodiodo también producirá un pulso de corriente, y las partículas de mayor energía generarán pulsos más grandes. En la práctica, dadas las condiciones típicas y la sensibilidad de los fotodiodos, esto significa principalmente detectar partículas beta. En el diseño de Keller, estos pulsos se amplifican, se convierten en voltajes y se transmiten a través de un cable desde un conector de audio en el detector a la entrada de micrófono de un portátil o un teléfono inteligente. Luego, los datos se digitalizan y se registran. Un colega mío había construido el dispositivo del CERN, pero me di cuenta de que había margen de mejora. Pasar la señal de pulso analógica a lo largo de un cable de audio dejaba al detector expuesto al ruido de varias fuentes. Además, el diseño requiere su propia fuente de alimentación, en forma de una batería de 9 voltios. Además de la molestia de tener una batería separada, esto también significa que si conectas mal el dispositivo, ¡enviarás un voltaje inaceptable a un teléfono inteligente caro! Reducción del ruido de amplificación Decidí resolver estos problemas llevando la digitalización a los fotodiodos. Cuanto más cerca pudiera acercarla, menos ruido tendría que soportar. Los datos digitalizados resistentes al ruido podrían entonces enviarse a través de una conexión USB, que también podría suministrar energía al detector. El BetaBoard utiliza tres tipos de placa de circuito impreso: La cubierta [top] y una tabla de bodyboard [middle] No tienen trazas de circuito y se utilizan para crear una carcasa hermética a la luz y protegida electromagnéticamente; la placa inferior alberga una matriz de detectores de fotodiodos y un microcontrolador RP2040. James ProvostPor supuesto, para digitalizar la señal de los fotodiodos, necesitaría algo de potencia de procesamiento a bordo. Me decidí por el microcontrolador RP2040. Aunque tiene algunos problemas conocidos con su convertidor analógico a digital, puedes solucionarlos y el chip tiene potencia de cómputo más que suficiente, así como un controlador USB integrado. En mi primer diseño de mi llamada BetaBoard, creé una única placa de circuito impreso llena de RP2040, una matriz de fotodiodos y un conjunto de circuitos integrados amplificadores de bajo ruido. Envolví la placa en cinta de aluminio para evitar que la luz active los fotodetectores. Los resultados demostraron el concepto, pero aunque había eliminado el ruido del cable de audio, descubrí que había introducido una nueva fuente de ruido: la fuente de alimentación USB. El ruido de mayor frecuencia (superior a 1 kilohercio) de la conexión USB proviene de los datos y las señales de sondeo que fluyen por la interfaz. El ruido de menor frecuencia se origina en la fuente de alimentación de CA del ordenador central (50 hercios aquí en Europa). Filtré el ruido de alta frecuencia insertando un filtro RC de paso bajo antes de los pines de voltaje de suministro de los amplificadores y utilizando generosamente condensadores en el resto del circuito. Filtrar el ruido de 50 Hz en el hardware es complicado, así que mi solución fue simplemente integrar un filtro de paso alto digital en el software que escribí para el RP2040. (Los archivos de hardware y software están disponibles en mi repositorio de Github). El software también proporciona una interfaz en serie con el mundo exterior: un humano o un programa puede enviar comandos a través del cable USB y obtener datos de vuelta. Escribí un script en Python para registrar datos y generar visualizaciones. Otra mejora que hice a mi diseño inicial fue eliminar la necesidad de envolver la placa en cinta de aluminio (o colocarla en un contenedor, como en la versión original de Keller). Para hacer eso, diseñé otros dos tipos de PCB con las mismas dimensiones externas que la placa original, pero sin ningún circuito. El primer tipo tiene dos recortes grandes: un área abierta sobre la matriz de fotodiodos y los amplificadores, y otra área sobre el RP2040 y su circuito de soporte. El recorte del fotodiodo está rodeado por un relleno de metal ancho en la parte posterior y frontal de la PCB, con los rellenos conectados por vías. Al apilar dos de este tipo de PCB en la placa de circuito que contiene los componentes, creé un recinto que proporciona protección contra la interferencia electromagnética. Un fotodiodo tiene una unión entre regiones dopadas positiva y negativamente, con una capa de agotamiento neutral que se forma en el medio. Luz entrante o partículas cargadas [red line] El segundo tipo de PCB actúa como una cubierta para la pila, con un recorte más pequeño sobre la matriz de fotodiodos, sobre el cual coloqué un poco de cinta negra, suficiente para bloquear la luz pero aún así permitir que las partículas beta lleguen a los fotodiodos. El resultado es un detector robusto, aunque no el más sensible del mundo. Calculo que donde un detector de grado de investigación registraría 100 cuentas por segundo de un emisor beta dado, estoy obteniendo alrededor de 10. Pero puedes hacer mediciones significativas con él. Mi próximo paso es darle la capacidad de detectar partículas alfa así como partículas beta, como puede hacer la versión de Keller. Podría hacer esto ahora modificando un fotodiodo de $10, pero estoy experimentando con formas de usar los fotodiodos más económicos utilizados en el resto del diseño. También estoy trabajando en la documentación para que pueda usarse en aulas que no tienen el lujo de tener presente al diseñador del detector.
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