[導讀]全球半導體短缺讓所有微控制器使用者的生活都變得難熬了起來，如今的訂貨周期有時會長達好幾年。不過，售價4美元的樹莓派Pico是一個亮點，它是一個以新型RP2040芯片為基礎的微控制器。RP2040不僅有強大的計算能力，還沒有受到其他芯片短缺的影響。因此，在決定打造廉價的DIY伽馬閃爍光譜儀時，它就成為了理所當然的選擇，不過我沒有意識到自己會為經常影響第一代集成電路的初級問題而感到困擾。
但要小心樹莓派Pico微控制器中的一個小缺陷。
全球半導體短缺讓所有微控制器使用者的生活都變得難熬了起來，如今的訂貨周期有時會長達好幾年。不過，售價4美元的樹莓派Pico是一個亮點，它是一個以新型RP2040芯片為基礎的微控制器。RP2040不僅有強大的計算能力，還沒有受到其他芯片短缺的影響。因此，在決定打造廉價的DIY伽馬閃爍光譜儀時，它就成為了理所當然的選擇，不過我沒有意識到自己會為經常影響第一代集成電路的初級問題而感到困擾。
我對伽馬射線光譜儀的興趣源自物理學習。通過一臺設備就能獲得如此多的信息，這讓我覺得很有意思。伽馬射線光譜儀具有更高的靈敏度，可以像蓋革計數器一樣使用。但與蓋革計數器不同的是，伽馬射線光譜儀可以用于識別發(fā)射伽馬射線放射性同位素的準確成分，精確到微微克（或更低）。發(fā)現如今最便宜的商業(yè)設備的價格也很高，于是我開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價格實惠、容易制造的光譜儀。
第一步是選擇光譜儀的核心：閃爍計數器。簡而言之，閃爍計數器是一種透明的晶體，能夠測量伽馬射線通量的能量和強度。伽馬射線會在晶體中產生一個自由電子，這個電子的能量與伽馬射線的能量成正比。電子在晶體中移動時，會激發(fā)原子。原子反過來又會發(fā)出可見光子，發(fā)出光子的總數量與激發(fā)電子的能量成正比。因此，通過計算光子的數量，就可以測量原始伽馬射線的能量。計算一段時間內檢測到的伽馬射線數量就可以得出輻射的強度，了解伽馬射線的能量就能夠確定放射性同位素的特征譜。光子信號必須經過放大才能被檢測到。過去，光子信號的放大是通過光電倍增真空管來實現的，但現在硅光電倍增管（SiPM）已經越來越普遍。在我的項目中，SiPM有很多優(yōu)點，特別是不需要高壓電源。eBay上有各種價格低廉的二手閃爍計數器晶體，我花了大約40美元購買了一小塊直徑18毫米、長30毫米的碘化鈉晶體。該晶體帶有一個光電倍增管，我拆除了這個光電倍增管，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。閃爍計數器和SiPM插在一塊載板，載板上有一個直流/直流升壓轉換器，可將5伏電壓轉換為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，包括一個放大器，該放大器可將SiPM的輸出電壓提高到Pico的內置模數轉換器（ADC）可檢測的電平。Pico的RP2040芯片中的模數轉換器是一個關鍵組件，理論上來看這個組件非常好。它具有12位分辨率，每秒500K的采樣率，測量范圍為0到3.3伏。但RP2040的模數轉換器中潛藏著一個缺陷。我開始并不知道這個缺陷的存在，直到我開始測試光譜為止。我編寫樹莓派軟件，將模數轉換器讀數分到4096個通道，并計算每個通道在一段時間的事件數時，發(fā)現有一個通道報告的計數值一直非常高，在光譜中產生了一個小尖峰。我對此感到很疑惑，于是進行了一次4小時的背景輻射測量，發(fā)現了4個有問題的通道，信號峰值不真實。我開始尋找原因，發(fā)現自己并不是第一個遇到這個問題的人。電子工程師馬克?奧莫（Mark Omo）對這個問題進行了調查，并在他的網站上對此進行了詳細的分析。問題總的來說是這樣的：理想情況下，模數轉換器會將其可測量的電壓范圍切割為同樣大小的序列臺階，在輸入電壓和其輸出的數字測量結果之間建立線性關系。當然，沒有任何模數轉換器在其測量范圍內有完美的線性響應，但RP2040有4個點，輸入電壓會產生嚴重紊亂的非線性響應。這就是光譜中神秘尖峰的來源。要消除這個缺陷，除了修正RP2040外，沒有什么直接的辦法。幸運的是，我可以借助4096個通道，采用最簡單的軟件修復方法，即丟棄受影響通道中的測量結果，這對整體光譜的質量不會產生重大影響。
通過USB接口，可以控制光譜儀并從中獲取數據，USB接口還提供了運行所需的電源。我編寫了軟件，該軟件可接收一串命令，讓光譜儀進入蓋革計數器或能量測量模式，或者上傳上次開機以來獲得的所有測量結果的柱狀圖。你也可以自己寫代碼與光譜儀通信，或者使用我創(chuàng)建的可繪制光譜圖的網頁應用。（可通過GitHub獲取該網頁應用鏈接，以及完整的制作細節(jié)和印刷電路板文件。）未來，我希望制作光譜儀硬件時可以使用測量范圍更廣的SiPM和閃爍計數器，并使用它來檢測任何人們看到的東西。希望你能與我一起探索這個有趣的愛好。
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