Praktický návrh detektorů záření

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra fyziky

Anotace:

1.Úvod do záření a detekčních metod

Studenti se seznámí se základními typy ionizujícího záření (alfa, beta, gama, kosmické miony) a s jejich interakcí s látkou. Budou diskutovány různé druhy detektorů od plynových přes scintilační až po polovodičové. V rámci praktické části proběhnou ukázky detekce záření pomocí jednoduchých přístrojů, jako je mlžná komora nebo Geigerův čítač, aby studenti viděli projevy záření na vlastní oči.

2.Základy polovodičových detektorů

Vysvětlíme princip činnosti p-n přechodu a jak v polovodičích vzniká elektrický signál při průchodu záření. Studenti se naučí, proč se diody připojují v závěrném směru a jak tím vzniká citlivá oblast pro detekci záření. V praktické části si sami vyzkouší, jak lze běžnou fotodiodu použít nejprve jako světelný senzor a následně ji připraví pro detekci záření.

3.Základy práce s mikrokontrolérem

Studenti se seznámí s prací s mikrokontrolérem a naučí se jej používat pro sběr dat ze senzorů. Vysvětlíme základní pojmy, jako jsou analogové a digitální vstupy a výsupy, přerušení a práce se sériovým portem. Každý si vyzkouší nahrát vlastní jednoduchý program na mikrokontrolér a přečíst hodnoty ze senzoru, což je základ pro další práci s detektorem.

4.Zpracování signálu a sběr dat

V této části se zaměříme na úpravu slabých signálů z detektorů, které je nutné zesílit a upravit pro správné vyhodnocení. Studenti si postaví jednoduchý zesilovač s operačním zesilovačem a naučí se využívat komparátor ke spolehlivému rozpoznání detekčních impulsů. Poté si naprogramují mikrokontrolér tak, aby počítal impulzy a zaznamenával je pro další analýzu.

5.Stavba a kalibrace detektoru

Studenti sestaví kompletní detektor, ve kterém bude dioda chráněná před světlem, zesilovač a mikrokontrolér pro sběr dat. Naučí se, jak detektor správně odstínit od vnějšího rušení a jak nastavit prahovou hodnotu pro spolehlivou detekci. Následně provedou první měření pozadí a ověří funkčnost svého zařízení.

6.Analýza dat v Pythonu

V této části se studenti naučí analyzovat svá data v Pythonu. Pomocí široce využívaných knihoven si načtou zaznamenaná data, spočítají základní statistiky a vytvoří grafy zobrazující průběh měření. Naučí se rozpoznat šum a hledat reálné detekční události. Zároveň si vyzkouší, jak výsledky interpretovat a co lze z naměřených dat vyvodit.

7.Detekce shodných událostí a sledování kosmického záření

Studenti se naučí, jak lze využít více detektorů k potlačení šumu a spolehlivější detekci kosmických mionů pomocí principu shody (koincidence). Vyzkouší si umístit dva detektory nad sebe a pozorovat, jak se sníží počet náhodných impulsů. Tento princip si prakticky ověří a pochopí, jak podobné metody používají velké fyzikální experimenty ke sledování trajektorií částic.

8.Pokročilá témata a rozšíření

Tato lekce rozšíří znalosti studentů o pokročilé možnosti vylepšení detektorů, jako je použití větší plochy diod, přidání scintilátorů nebo využití citlivějších senzorů. Představíme také základy energetických měření a možnosti využití pokročilého softwaru pro zpracování dat. Studenti si vyberou krátký projekt, ve kterém si vyzkouší některé z pokročilých metod.

9.Sběr dat a experimenty

V této lekci studenti provedou vlastní měření podle vlastního návrhu experimentu. Mohou například zkoumat vliv stínění na detekci záření, rozdíly v intenzitě záření v různých prostředích nebo měřit závislost počtu detekcí na orientaci detektoru. Naučí se při tom postupovat podle vědecké metody a pracovat s experimentálními daty.

10.Prezentace a shrnutí kurzu

Na závěr kurzu studenti představí své projekty a výsledky měření. Sdílejí zkušenosti z konstrukce detektoru, řešení problémů a prezentují naměřená data. Kurz bude zakončen diskuzí o možnostech dalšího rozvoje projektů a praktickém využití získaných dovedností v oblasti vědy a techniky.

11.Volitelné rozšíření dle časových možností

Pokud zbude čas, mohou studenti dále rozvíjet své praktické dovednosti v navazujících aktivitách. Mohou se například seznámit se základy 3D tisku a navrhnout si vlastní mechanické části pro uchycení a stínění detektorů. Další možností je úvod do práce s profesionálním softwarovým prostředím LabVIEW pro pokročilé řízení měřicích systémů a zpracování dat. Tyto volitelné aktivity rozšíří technický rozhled studentů a posílí jejich schopnost pracovat s moderními technologiemi napříč obory.

Požadavky:

Znalosti se budou kontrolovat aktivní účasti na výuce a cvičeních.

Osnova přednášek:

Osnova cvičení:

Cíle studia:

Cílem předmětu je studenty naučít, jak navrhnout a postavit detektory ionizujícího záření s využitím jednoduše dostupného hardwaru a softwaru. Důraz je kladen na polovodičové detektory (jednoduché diody a fotodiody) jako snímače a na využití mikrokontrolérů Arduino nebo počítačů Raspberry Pi pro sběr a analýzu dat. Výuka je postavena na projektovém učení studenti si sami postaví a naprogramují svůj detektor záření a naučí se zpracovávat naměřená data v Pythonu.

Studijní materiály:

Doporučená literatura:

[1] Glenn F. Knoll, Radiation detection and measurement, Willey, 2010

[2] Gerhard Lutz: Semiconductor Radiation Detectors, Springer-Verlag 2007

[3] S. M. Sze and K. K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, Ltd, 2006.

[4] L. Rossi, P. Fischer, T. Rohe, and N. Wermes, Pixel Detectors: From Fundamentals to Applications, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2006

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů: