การตรวจจับรังสีนิวเคลียร์ฟังดูเหมือนเป็นเรื่องไกลตัวที่มีแต่ในหนังไซไฟหรือศูนย์วิจัยระดับโลก แต่เชื่อไหมครับว่า ด้วยความรู้ด้านอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ที่หาซื้อได้ทั่วไป เราก็สามารถสร้างเซนเซอร์ตรวจจับรังสีจากการระเบิดของนิวเคลียร์ (Nuclear Event Detector) ขึ้นมาเองได้!
โปรเจกต์นี้มีชื่อว่า BHG-2000 ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อใช้ทดแทนโมดูลรุ่นเก่า (HSN-1000L) ที่เลิกผลิตไปแล้ว โดยทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของโปรเจกต์ใหญ่อย่าง BhangmeterV2 มาดูกันครับว่าการจะตรวจจับแสงแฟลชจากนิวเคลียร์ด้วยบอร์ดเล็กๆ นี้ เขามีหลักการทำงานอย่างไร
หลักการทำงาน: นิวเคลียร์ vs ไดโอด
ตอนที่เกิดการระเบิดของนิวเคลียร์ มันจะปล่อยแสงแฟลชและรังสีแกมมา (Gamma) ออกมามหาศาล ระบบ BHG-2000 ใช้วิธีตรวจจับรังสีแกมมาเหล่านี้ผ่านอุปกรณ์ที่เรียกว่า BPW34S PIN diodes จำนวน 4 ตัว
แล้วรู้ได้ไงว่าเป็นแสงนิวเคลียร์ ไม่ใช่แสงแดด?
เคล็ดลับคือการเอาฝาครอบมาปิดไดโอดไว้ แล้วทาด้วยสี Musou Black (สีที่ดำสนิทและดูดซับแสงได้ดีที่สุดในโลก) เพื่อกันไม่ให้แสงสว่างทั่วไป (Visible light) ทะลุเข้าไปได้ จะมีก็แต่ "รังสีแกมมา" เท่านั้นที่ทะลุฝาครอบเข้าไปชนกับเนื้อซิลิคอนของไดโอด ทำให้เกิดปฏิกิริยาที่เรียกว่า Compton scattering ซึ่งจะสร้างกระแสไฟฟ้าขนาดจิ๋วขึ้นมา กระแสไฟฟ้านี้แหละครับที่จะถูกส่งไปขยายสัญญาณเพื่อแจ้งเตือนว่า "เห้ย! มีนิวเคลียร์ลง!"
คลิกเพื่อดูรูปภาพโมเดล 3D และการออกแบบ (View More)
ชำแหละแผงวงจร (The Circuit)
วงจรของ BHG-2000 ถูกออกแบบมาให้เป็นแผ่น PCB 4 เลเยอร์ (ผลิตง่ายและราคาถูก) โดยแบ่งการทำงานออกเป็น 3 ส่วนหลักๆ ดังนี้:
-
1. Transimpedance Amplifier (TIA): เป็นส่วนขยายสัญญาณ ใช้ชิป Op-amp เบอร์ LTC6244 ทำหน้าที่รับกระแสไฟฟ้าเล็กๆ จากไดโอด BPW34S (ที่ถูกป้อนไฟเลี้ยงกลับขั้ว -5V เพื่อให้ตอบสนองไวขึ้น) มาขยายให้แรงขึ้นประมาณ 38 เท่า
-
2. Active Low Pulse Generator: ใช้ชิป LT1797 ทำหน้าที่เป็น Comparator เมื่อมีสัญญาณนิวเคลียร์เข้ามา มันจะสร้างสัญญาณพัลส์ (Pulse) ออกไปแจ้งเตือนระบบหลัก
-
3. Power Stage: ระบบทั้งหมดใช้ไฟเลี้ยงแค่ 5V แต่มีวงจรจัดการพลังงานภายใน (MAX868 และ ADP7182A) เพื่อแปลงไฟเป็น -5V และ -2.5V สำหรับเลี้ยง Op-amp และไดโอด
ระบบเช็กตัวเอง (Built-In Self-Test: BIST)
เพื่อความชัวร์ว่าเซนเซอร์ไม่ได้พังไปก่อนที่ระเบิดจะลง ระบบนี้มีฟังก์ชัน BIST ติดมาด้วย หลักการคือเมื่อเราส่งสัญญาณเปิดใช้งาน (BIST_EN) ตัวบอร์ดจะสั่งให้หลอด LED ภายในส่องแสงไปที่ไดโอดโดยตรง เพื่อจำลองสถานการณ์ ถ้าวงจรขยายสัญญาณและระบบแจ้งเตือนทำงานปกติ ก็แปลว่าเครื่องพร้อมรบครับ!
การใช้งานร่วมกับ BhangmeterV2 และก้าวต่อไป
บอร์ด BHG-2000 ถูกออกแบบมาให้ "เสียบแทนที่" (Pin-for-pin replacement) โมดูล HSN-1000L บนบอร์ด BhangmeterV2 ได้ทันทีโดยไม่ต้องแก้โค้ดหรือแก้สายไฟใดๆ ขาพินหลักๆ อย่าง 5V, GND, NED (สัญญาณแจ้งเตือน) และ BIST_EN ตำแหน่งตรงกันเป๊ะ
อุปสรรคและการพัฒนาต่อ (Next Steps)
ตอนนี้โปรเจกต์ยังติดปัญหาเรื่อง "การคาลิเบรต (Calibration)" เพราะผู้พัฒนาหาแหล่งกำเนิดรังสีแกมมา (Gamma source) มาทดสอบวงจรไม่ได้ (ทำให้ยังกำหนดค่าความต้านทานและคาปาซิเตอร์ที่แน่นอนไม่ได้) หากใครในโซนยุโรปมีสารกัมมันตรังสีอย่าง Cs-137 หรือ Co-60 สามารถทักไปช่วยเขาทดสอบได้เลยครับ
เป้าหมายต่อไปคือการทำเวอร์ชันที่ตรวจจับเฉพาะ "แสง (Optical)" โดยใช้ไดโอดแค่ตัวเดียว เพื่อใช้วิเคราะห์ "Double pulse" ของแสงจากนิวเคลียร์ ซึ่งจะช่วยให้คำนวณ ขนาดของแรงระเบิด (Yield) ได้ด้วย!
สนใจบอร์ดอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์สำหรับสาย Maker?
คำเตือน: เนื้อหานี้เป็นการสรุปและเรียบเรียงจากบทความต้นฉบับภาษาอังกฤษ ข้อมูลฉบับภาษาไทยอาจมีความคลาดเคลื่อนบางประการจากการตีความหรือย่อเนื้อหา
