Rivelatore di Particelle DIY basato su Webcam

Introduzione

Lo scopo di questo documento è quello di descrivere l’utilizzo di una webcam commerciale come rivelatore di particelle. Mostreremo che, a partire da una comunissima Webcam, è possibile realizzare un rivelatore “low cost” in grado di rilevare particelle beta, radiazioni gamma e raggi cosmici. L’apparecchio può essere utilizzato per effettuare interessanti esperimenti sulla radioattività ed effettuare misure di carattere qualitativo su sorgenti radioattive.

La Radioattività

La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei, non stabili, si trasformano in altri emettendo particelle. La radioattività non è stata inventata dall’uomo, anzi, al contrario, l’uomo è esposto alla radioattività fin dal momento della sua apparizione sulla Terra. La radioattività è antica quanto l’Universo ed è presente ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi.
Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, presentano nuclei instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi, e questa trasformazione si accompagna con l’emissione di particelle. Questi isotopi sono detti isotopi radioattivi, o anche radioisotopi, o anche radionuclidi.
La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch’esso radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata disintegrazione o decadimento radioattivo.
Il tempo medio che occorre aspettare per avere tale trasformazione può essere estremamente breve o estremamente lungo. Esso viene detto “vita media” del radioisotopo e può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni (per esempio, il potassio-40 ha una vita media di 1.8 miliardi di anni). Un altro tempo caratteristico di un radioisotopo è il “tempo di dimezzamento”, ovvero il tempo necessario affinché la metà degli atomi radioattivi inizialmente presenti subisca una trasformazione spontanea.

Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del decadimento : si tratta delle particelle Alfa, delle particelle Beta e della radiazione Gamma.

Radioattività α

Le particelle alfa, raggi alfa o elioni sono una forma di radiazione corpuscolare altamente ionizzante e con un basso potere di penetrazione dovuto all’elevata sezione d’urto. Consistono di due protoni e due neutroni legati insieme dalla forza forte, si tratta quindi di nuclei 4He. Da un punto di vista chimico possono anche essere identificati con il simbolo 4He++. Il decadimento beta è mediato dalla forza debole, mentre il decadimento alfa è mediato dalla forza forte.
Le particelle alfa sono tipicamente emesse da nuclidi radioattivi degli elementi pesanti, per esempio dagli isotopi dell’uranio, del torio, del radio, ecc., in un processo denominato decadimento alfa. A volte questo decadimento lascia i nuclei in uno stato eccitato, e conseguentemente l’eccesso di energia può essere rimosso con l’emissione di raggi gamma.
I raggi alfa, a causa della loro carica elettrica, interagiscono fortemente con la materia e quindi vengono facilmente assorbiti dai materiali e possono viaggiare solo per pochi centimetri nell’aria.

Radioattività β

La radiazione beta è una forma di radiazione ionizzante emessa da alcuni tipi di nuclei radioattivi. Questa radiazione assume la forma di particelle beta (β), che sono elettroni o positroni ad alta energia, espulsi da un nucleo atomico in un processo conosciuto come decadimento beta. Esistono due forme di decadimento beta, β− e β+, che emettono rispettivamente un elettrone o un positrone.
Nel decadimento β−, un neutrone viene convertito in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico (l’antiparticella del neutrino):

Nel decadimento β+ (osservabile in nuclei ricchi di protoni), un protone interagisce con un antineutrino elettronico per dare un neutrone e un positrone (il decadimento diretto del protone in positrone non è stato ancora osservato):

A causa della presenza del neutrino, l’atomo e la particella beta normalmente non rinculano in direzioni opposte. Il decadimento beta è mediato dalla forza nucleare debole.
L’interazione delle particelle beta con la materia ha generalmente un raggio d’azione dieci volte superiore, e un potere ionizzante pari a un decimo rispetto all’interazione delle particelle alfa. Vengono bloccate completamente da pochi millimetri di alluminio.

Radioattività Ƴ

In fisica nucleare i raggi gamma (spesso indicati con la corrispondente lettera greca minuscola γ) sono una forma di radiazione elettromagnetica ad alta energia, prodotta dal decadimento gamma o da processi subatomici. I raggi gamma sono più penetranti della radiazione particellare prodotta dalle altre forme di decadimento, ovvero decadimento alfa e decadimento beta, a causa della minor tendenza ad interagire con la materia essendo essi fotoni, ma meno ionizzanti.
I raggi gamma si distinguono dai raggi X per la loro origine: i gamma sono prodotti da transizioni nucleari o comunque subatomiche, mentre gli X sono prodotti da transizioni energetiche dovute ad elettroni in rapido spostamento sui loro livelli energetici quantizzati. Poiché è possibile per alcune transizioni elettroniche superare le energie di alcune transizioni nucleari, i Raggi x più energetici si sovrappongono ai raggi gamma più deboli.

La Webcam

La Webcam utilizzata è il modello C270 della Logitech, facilmente reperibile in un qualsiasi negozio di informatica oppure in rete (eBay, Amazon) per qualche decina di euro. Per l’utilizzo come particle detector, la webcam va modificata. Con un po’ di attenzione è possibile effettuare le modifiche in modo reversibile e quindi in caso ripristinare le funzionalità originali.

All’interno della webcam è presente il sensore CMOS che è l’elemento sensibile alla luce. Il sensore CMOS è in pratica costituito da una matrice di pixel. Ogni pixel comprende un fotodiodo ed un circuito di conversione / amplificazione che converte la carica originata nel fotodiodo in una tensione che viene letta, pixel per pixel, e successivamente digitalizzata in un valore numerico che va da 0 a 255.

Sopra ogni pixel viene posizionato un minuscolo filtro colorato (rosso, verde e blu) in modo da selezionare il colore, ottenendo così un “mosaico” di pixel colorati, successivamente l’immagine va elaborata in maniera opportuna (interpolazione) per ricostruire l’immagine originale.

L’elemento attivo, sensibile alle particelle, è il fotodiodo, schematizzato nella figura sotto.

La particella ionizzante entra nell’area sensibile dalla finestra “superiore” e produce, nel suo passaggio svariate centinaia di coppie elettrone/lacuna che vengono raccolte dal catodo / anodo del diodo e producono il segnale che viene successivamente digitalizzato.
Diamo alcuni dati ricavati dalla letteratura sui sensori a stato solido:

Silicio Band Gap = 1,115 eV
Energia per la produzione di una coppia e/h (300°K)  = 3,62 eV
Potere di ionizzazione di un elettrone = 80 e/μm

Come si può vedere dai dati sopra riportati, un elettrone che percorre 10 μm produce circa 1000 portatori di carica e quindi un segnale facilmente rilevabile, considerato anche che l’elettronica di rilevazione è locale sul chip.

Naturalmente il sensore CMOS non è ottimizzato per la rilevazione delle particelle e quindi l’efficienza di rilevazione  è piuttosto bassa, soprattutto a causa del fatto che la regione attiva che è quella di svuotamento a cavallo della giunzione è molto sottile. Inoltre le particelle alfa non vengono rilevate perché il sensore è protetto da uno strato di vetro (o altro materiale trasparente) che blocca completamente le particelle alfa.
Le particelle beta vengono in parte assorbite dalle protezioni superficiali ma una elevata percentuale riesce comunque a raggiungere la parte sensibile e viene rilevata. I raggi cosmici, che sono muoni ad elevata energia, vengono rilevati con alta efficienza. Per la radiazione gamma invece la sensibilità è piuttosto bassa e sembra essere maggiore alle basse energie, questo è anche dovuto al piccolo spessore della regione sensibile del sensore CMOS.

Dati del Sensore CMOS

Il sensore CMOS montato sulla Logitech C270 è caratterizzato dai seguenti dati :
Risoluzione Sensore = 1280 x 960
Dimensione Pixel = 2,8 μm x 2,8 μm
Dimensione Sensore = 3,5 mm x 2,7 mm
Superfice Sensore = 9,45 mm²
Risoluzione Immagine = 640 x 480
Dimensione Pixel Immagine = 5,6 μm x 5,6 μm

Hacking della Webcam

La modifica della Webcam è molto semplice. Come prima cosa va tolto il coperchietto anteriore facendo leva con la punta di un cacciavite, poi va smontata la base sottostante, svitando le tre piccole viti. Fatta questa operazione si trova la scheda della Webcam mostrata nella immagine sotto :

Per evitare che il sensore CMOS capti anche la luce del LED è preferibile toglierlo con un tronchesino oppure dissaldarlo. Va inoltre tolta anche la lente della webcam, come si vede nella immagine sotto.

Per evitare che il sensore CMOS venga raggiunto dalla luce ambientale è necessario schermarlo adeguatamente con un foglio di alluminio adesivo, come mostrato nella figura sotto.

Alla fine la webcam può essere rimontata utilizzando  i coperchi smontati in precedenza.

Theremino Particle Detector

Per acquisire le immagine registrate dalla Webcam è stato realizzato il software Theremino ParticleDetector. Questo software effettua semplicemente l’integrazione delle immagini in modo da realizzare una sorta di “lunga esposizione”. In questo modo le tracce delle particelle non vengono cancellate ad ogni ciclo di acquisizione ma si accumulano frame dopo frame.
Nella immagine sotto si riporta un esempio di registrazione.

L’applicazione da la possibilità di settare l’energia minima di rilevazione (0 – 255) in modo da escludere dalla rilevazione eventi spuri dovuti  al rumore del sensore CMOS.
Con il comando di START / STOP si avvia e si ferma la registrazione dei frame ed il conteggio degli eventi.
Con il comando RESET si azzera il tempo di integrazione ed il contatore di eventi.
Durante la registrazione dei frame gli eventi causati dalla rilevazione di una particella vengono conteggiati e mostrati nella casella “Particles”, ed il tempo totale di registrazione viene mostrato nella casella “Time”.
Facendo il rapporto fra questi due valori si ottiene la quantità “Counts per Seconds”, ovvero i CPS.

Per ottenere i migliori risultati consigliamo di far lavorare la Webcam con i parametri mostrati nella immagine sotto In particolare sono importanti i seguenti parametri :

Risoluzione = 640 x 480
Exposure = -7 (corrispondente a 1/10 s)
Gain = 255
Sharp = 255

Va inoltre regolato anche il parametro di “energia minima”, utilizzato per escludere dalla rilevazioni gli eventi dovuti al rumore del sensore CMOS. Da studi presenti in letteratura la distribuzione del rumore ha un andamento esponenziale, come si vede nel grafico semilogaritmico presentato sotto. Settando questa soglia a valori compresi tra 5 e 20 si elimina la maggior parte del rumore.

 Zip contenente l’applicazione Theremino Particle Detector : Theremino_ParticleDetector

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