[導(dǎo)讀]全球半導(dǎo)體短缺讓所有微控制器使用者的生活都變得難熬了起來(lái)，如今的訂貨周期有時(shí)會(huì)長(zhǎng)達(dá)好幾年。不過(guò)，售價(jià)4美元的樹(shù)莓派Pico是一個(gè)亮點(diǎn)，它是一個(gè)以新型RP2040芯片為基礎(chǔ)的微控制器。RP2040不僅有強(qiáng)大的計(jì)算能力，還沒(méi)有受到其他芯片短缺的影響。因此，在決定打造廉價(jià)的DIY伽馬閃爍光譜儀時(shí)，它就成為了理所當(dāng)然的選擇，不過(guò)我沒(méi)有意識(shí)到自己會(huì)為經(jīng)常影響第一代集成電路的初級(jí)問(wèn)題而感到困擾。
但要小心樹(shù)莓派Pico微控制器中的一個(gè)小缺陷。
全球半導(dǎo)體短缺讓所有微控制器使用者的生活都變得難熬了起來(lái)，如今的訂貨周期有時(shí)會(huì)長(zhǎng)達(dá)好幾年。不過(guò)，售價(jià)4美元的樹(shù)莓派Pico是一個(gè)亮點(diǎn)，它是一個(gè)以新型RP2040芯片為基礎(chǔ)的微控制器。RP2040不僅有強(qiáng)大的計(jì)算能力，還沒(méi)有受到其他芯片短缺的影響。因此，在決定打造廉價(jià)的DIY伽馬閃爍光譜儀時(shí)，它就成為了理所當(dāng)然的選擇，不過(guò)我沒(méi)有意識(shí)到自己會(huì)為經(jīng)常影響第一代集成電路的初級(jí)問(wèn)題而感到困擾。
我對(duì)伽馬射線光譜儀的興趣源自物理學(xué)習(xí)。通過(guò)一臺(tái)設(shè)備就能獲得如此多的信息，這讓我覺(jué)得很有意思。伽馬射線光譜儀具有更高的靈敏度，可以像蓋革計(jì)數(shù)器一樣使用。但與蓋革計(jì)數(shù)器不同的是，伽馬射線光譜儀可以用于識(shí)別發(fā)射伽馬射線放射性同位素的準(zhǔn)確成分，精確到微微克（或更低）。發(fā)現(xiàn)如今最便宜的商業(yè)設(shè)備的價(jià)格也很高，于是我開(kāi)始考慮打造自己的伽馬射線光譜儀。我想看看能否制造一臺(tái)價(jià)格實(shí)惠、容易制造的光譜儀。
第一步是選擇光譜儀的核心：閃爍計(jì)數(shù)器。簡(jiǎn)而言之，閃爍計(jì)數(shù)器是一種透明的晶體，能夠測(cè)量伽馬射線通量的能量和強(qiáng)度。伽馬射線會(huì)在晶體中產(chǎn)生一個(gè)自由電子，這個(gè)電子的能量與伽馬射線的能量成正比。電子在晶體中移動(dòng)時(shí)，會(huì)激發(fā)原子。原子反過(guò)來(lái)又會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光子，發(fā)出光子的總數(shù)量與激發(fā)電子的能量成正比。因此，通過(guò)計(jì)算光子的數(shù)量，就可以測(cè)量原始伽馬射線的能量。計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的伽馬射線數(shù)量就可以得出輻射的強(qiáng)度，了解伽馬射線的能量就能夠確定放射性同位素的特征譜。光子信號(hào)必須經(jīng)過(guò)放大才能被檢測(cè)到。過(guò)去，光子信號(hào)的放大是通過(guò)光電倍增真空管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但現(xiàn)在硅光電倍增管（SiPM）已經(jīng)越來(lái)越普遍。在我的項(xiàng)目中，SiPM有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是不需要高壓電源。eBay上有各種價(jià)格低廉的二手閃爍計(jì)數(shù)器晶體，我花了大約40美元購(gòu)買了一小塊直徑18毫米、長(zhǎng)30毫米的碘化鈉晶體。該晶體帶有一個(gè)光電倍增管，我拆除了這個(gè)光電倍增管，把它換成了SiPM，并用黑色膠帶將裝置包好，防止泄露外部光線，觸發(fā)傳感器。閃爍計(jì)數(shù)器和SiPM插在一塊載板，載板上有一個(gè)直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器，可將5伏電壓轉(zhuǎn)換為SiPM所需的29.3伏電壓。此外，載板還有Pico微控制器和其他一些支持電路，包括一個(gè)放大器，該放大器可將SiPM的輸出電壓提高到Pico的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可檢測(cè)的電平。Pico的RP2040芯片中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一個(gè)關(guān)鍵組件，理論上來(lái)看這個(gè)組件非常好。它具有12位分辨率，每秒500K的采樣率，測(cè)量范圍為0到3.3伏。但RP2040的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中潛藏著一個(gè)缺陷。我開(kāi)始并不知道這個(gè)缺陷的存在，直到我開(kāi)始測(cè)試光譜為止。我編寫(xiě)樹(shù)莓派軟件，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀數(shù)分到4096個(gè)通道，并計(jì)算每個(gè)通道在一段時(shí)間的事件數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)通道報(bào)告的計(jì)數(shù)值一直非常高，在光譜中產(chǎn)生了一個(gè)小尖峰。我對(duì)此感到很疑惑，于是進(jìn)行了一次4小時(shí)的背景輻射測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了4個(gè)有問(wèn)題的通道，信號(hào)峰值不真實(shí)。我開(kāi)始尋找原因，發(fā)現(xiàn)自己并不是第一個(gè)遇到這個(gè)問(wèn)題的人。電子工程師馬克?奧莫（Mark Omo）對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)查，并在他的網(wǎng)站上對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的分析。問(wèn)題總的來(lái)說(shuō)是這樣的：理想情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器會(huì)將其可測(cè)量的電壓范圍切割為同樣大小的序列臺(tái)階，在輸入電壓和其輸出的數(shù)字測(cè)量結(jié)果之間建立線性關(guān)系。當(dāng)然，沒(méi)有任何模數(shù)轉(zhuǎn)換器在其測(cè)量范圍內(nèi)有完美的線性響應(yīng)，但RP2040有4個(gè)點(diǎn)，輸入電壓會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重紊亂的非線性響應(yīng)。這就是光譜中神秘尖峰的來(lái)源。要消除這個(gè)缺陷，除了修正RP2040外，沒(méi)有什么直接的辦法。幸運(yùn)的是，我可以借助4096個(gè)通道，采用最簡(jiǎn)單的軟件修復(fù)方法，即丟棄受影響通道中的測(cè)量結(jié)果，這對(duì)整體光譜的質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生重大影響。
通過(guò)USB接口，可以控制光譜儀并從中獲取數(shù)據(jù)，USB接口還提供了運(yùn)行所需的電源。我編寫(xiě)了軟件，該軟件可接收一串命令，讓光譜儀進(jìn)入蓋革計(jì)數(shù)器或能量測(cè)量模式，或者上傳上次開(kāi)機(jī)以來(lái)獲得的所有測(cè)量結(jié)果的柱狀圖。你也可以自己寫(xiě)代碼與光譜儀通信，或者使用我創(chuàng)建的可繪制光譜圖的網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用。（可通過(guò)GitHub獲取該網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用鏈接，以及完整的制作細(xì)節(jié)和印刷電路板文件。）未來(lái)，我希望制作光譜儀硬件時(shí)可以使用測(cè)量范圍更廣的SiPM和閃爍計(jì)數(shù)器，并使用它來(lái)檢測(cè)任何人們看到的東西。希望你能與我一起探索這個(gè)有趣的愛(ài)好。
下載文檔
