ArduSiPM Shield KIT, un rivelatore di raggi cosmici e radiazioni nucleari

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ArduSiPM Shield Kit è un sistema opportunamente assemblato in grado di funzionare come un rivelatore di particelle con tanto di sistema di acquisizione dati hardware e software. Il Kit si compone principalmente di Arduino Due, la più famosa piattaforma open source per lo sviluppo di progetti, un ArduSiPM, un fotomoltiplicatore, un modulo Wi-Fi ed uno scintillatore. ArduSiPM è una scheda di acquisizione software/hardware per la lettura di rivelatori SiPM attraverso l’ausilio della scheda Arduino. Il modulo Wi-Fi permette la facile condivisione dei dati e il controllo delle operazioni di set-up, il tutto anche attraverso smartphone e tablet con l'apposita app Android.

Introduzione

Il sistema di misura è costituito dai seguenti componenti:  la scheda Shield per Arduino Due, ArduSiPM sviluppata dalla sezione INFN di Roma; la scheda Arduino Due precaricata con il firmware per il controllo dello shield ArduSiPM; Silicon Photo Multiplier, fotorivelatore al silicio; uno scintillatore per la rivelazione di particelle; interfaccia Wi-Fi ESP8266 per la comunicazione e condivisione dati; un sensore di pressione e di temperatura attraverso il modulo BMP180. L’ArduSiPM è una scheda DAQ con tutta l’elettronica di controllo per un rivelatore SiPM sensibilissimo alla luce, generata a sua volta dal passaggio di radiazione ionizzante attraverso uno scintillatore. La scheda ArduSiPM dispone di un discriminatore veloce con soglia regolabile, un amplificatore in tensione, un circuito di peak hold e ulteriori uscite analogiche e digitali TTL per il controllo e la gestione attraverso l’Arduino Due. Il modulo Wi-Fi garantisce la gestione dei dati e delle operazioni di set-up da remoto per mezzo di un PC o tablet/smartphone corredato con la relativa app Android. Inoltre, i progettisti hanno previsto la possibilità di gestire il flusso dati attraverso un server centrale per la raccolta e il controllo, il tutto opportunamente gestito anche da altri dispositivi.  Il modulo BM180 integrato permette la gestione della temperatura e pressione nell'ambito del rilevamento della radiazione nucleare: il range di misura della pressione è 300-1100 hPa, mentre quello della temperatura va da  -40 °C a +85 °C.

Caratteristiche

ArduSiPM shield (figura 1) utilizza un Arduino DUE, ovvero una scheda software / hardware open basato su un microcontrollore di tipo ARM a 32bit SAM3X8E ARM Cortex-M3, come scheda processore per il rilevamento della radiazione cosmica. La Shield contiene diverse circuiterie elettroniche per monitorare e acquisire i segnali del rivelatore SiPM S13360.  I rivelatori di particelle hanno l’obiettivo di registrare il passaggio di elettroni, muoni, fotoni che tutti i giorni “scendono” dall’universo verso la terra. Il sistema idealizzato prevede l’utilizzo di materiali in grado di “scintillare” al passaggio della radiazione, ovvero emettendo dei fotoni di luce opportunamente rilevabili da un SiPM che lo converte in segnale elettrico. Il tutto in un costo decisamente contenuto: nulla da invidiare ai rivelatori di particelle del CERN! Esistono diverse tipologie di scintillatori a seconda del materiale, dei tempi di risposta e delle lunghezze d’onda emesse. Una proprietà molto importante è l’efficienza che tiene conto di quanta energia viene convertita in numero di fotoni, un valore da collegare con il rivelatore SiPM. I più comuni sono quelli realizzati con materiali inorganici, organici, liquidi e plastici. Questi ultimi sono maggiormente diffusi ed è stato utilizzato nell’ambito del sistema ArduSiPM. La serie S13360 (figura 2 e 3) dei SiPM è una famiglia di rivelatori della Hamamatsu, utilizzata principalmente nel campo della fluorescenza che richiede caratteristiche di bassa rumorosità. Sono adatti per varie misure come la citometria, sequenziatore di DNA, microscopio laser. Un'accortezza da tener in mente è la variazione del guadagno del SiPM (SiPM gain) in funzione della temperatura e della tensione di alimentazione. Utilizzando la regolazione fine nell'ArduSiPM con un convertitore DC-DC, possiamo stabilizzare il guadagno utilizzando come parametro di input quello della temperatura letto dal sensore corrispondente.

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Figura 1: Schema a blocchi di ArduSiPM [Fonte: The ArduSiPM a compact trasportable Software/Hardware Data Acquisition system for SiPM detector]

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Figura 2: Rivelatori SiPM

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Figura 3: Circuito di condizionamento del SiPM S13360

Hardware della scheda ArduSiPM

La scheda ArduSiPM dispone di circuiteria elettronica per l’acquisizione del segnale, in particolare un discriminatore veloce, un pre-amplificatore e un circuito di peak hold. Un preamplificatore in tensione legge il segnale dal rivelatore SiPM (figura 4) e lo adatta alla gamma del discriminatore veloce e a quella del convertitore analogico-digitale dell’Arduino DUE SAM3X8E. L'amplificatore è veloce per seguire la risposta del SiPM di pochi ns, ed è lineare in tutta la gamma di segnale del rivelatore, con un rumore inferiore a un SiPM single pixel per garantire una discriminazione accurata e una buona misura dell'ampiezza.  Il segnale proveniente dal SiPM è molto breve e un circuito (fast discriminator) viene utilizzato per discriminarlo ad un valore di soglia controllato in modo digitale mediante un canale dell'ADC del SAM3X8E. Un'uscita TTL replicata del discriminatore veloce è presente come trigger di uscita. L'uscita del fast discriminator è inviata successivamente ad un contatore per il conteggio degli impulsi derivanti da radiazione ionizzante. Un circuito peak hold viene utilizzato come mantenimento del picco per oltre 1 μs per essere convertito successivamente dall’ADC 12 bit.  Un segnale digitale programmabile controlla il circuito di scarica veloce per ripristinare il circuito peak hold dopo l'acquisizione dell'ADC e settare il sistema per una nuova acquisizione.

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Figura 4: Risposta del rivelatore SiPM

 

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Figura 5: Il sistema ArduSiPM assemblato

Considerazioni

Un raggio cosmico (primario) proveniente dall’universo ad alta energia (per esempio un protone) colpisce l’atmosfera e si crea così un insieme di particelle energeticamente instabili (raggi cosmici secondari). L’atmosfera assorbe parte della radiazione ma molte particelle, quelle più energetiche, arrivano sulla terra, la  maggior parte di esse (70%) sono muoni, il restante è composto da elettroni, fotoni e altre particelle. Con questo sistema (figura 5) facilmente installabile, possiamo tenere sotto controllo il flusso di radiazione che proviene dall’universo in vari punti della nostra terra. Un sistema di LED a forma di matrice può essere montato per mostrare l’effetto visivo-luminoso della radiazione non appena questa attraversa lo scintillatore.

Il sistema di misura ArduSiPM Shield Kit è disponibile a catalogo ROBOT DOMESTICI.

Realizzato dal gruppo guidato dal Dr. Valerio Bocci dell'INFN di Roma

Riferimenti:
The ArduSiPM a compact trasportable Software/Hardware Data Acquisition system for SiPM detector

A low cost network of spectrometer radiation detectors based on the ArduSiPM a compact transportable Software/Hardware Data Acquisition system with Arduino DUE

One Response

  1. Maurizio Maurizio 16 marzo 2016

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