輻射偵測器 DIY

好友得了甲狀腺癌, 手術切除後還要進輻射隔離病房吃碘 131 把剩下的腫瘤細胞殺乾淨. 她問我手上有沒有輻射計之類的東西可以借她玩, 她想知道自己吃了放射性同位素之後是不是真的會嗶嗶叫.

日本剛發生福島核災時, 我曾經在淘寶上買過一批蓋格管 (Geiger tube), 做過一些簡單的輻射計, 不過因為蓋格管工作時要加直流高壓, 電路有一定的危險性, 用電池也不太容易驅動, 因此不太適合做成禮物送人. 剛好我去年去日本時, 在秋葉原買到了一個套件, 是用 PIN diode 做的簡易輻射計, 就決定把它拿出來裝.

前情提要

碘 131 治療是利用甲狀腺細胞會吸收碘的特性, 口服具有放射性的碘 131 同位素, 然後讓它在甲狀線集中, 殺死甲狀腺細胞. 碘有非常多種同位素, 但碘 131 是其中最為人所知的一種, 因為鈽反應器的裂變產物中包含了碘 131, 而當年福島核災發生時, 因為碘 131 外洩進入大氣中, 飄到東京進入自來水循環, 搞得雞飛狗跳的.

核災發生時, 我們想盡辦法不要讓碘 131 進入甲狀腺, 所以會吃碘先把甲狀腺餵飽, 讓它不會吸收碘 131. 不過做碘 131 治療時則剛好相反, 要先進行一段時間的低碘飲時, 讓甲狀腺餓一陣後, 再一次吞下高劑量的碘 131, 就像餵甲狀腺吃毒藥一樣, 一次把甲狀腺殺光光.

碘 131 的半衰期很短, 只有 8 天. 它裂變時會放出 beta 跟 gamma 射線, 因此應該可以用輻射偵測器測到它的存在.

開始組裝

這個套件是在秋葉原的秋月電子買的, 完成度很高, 只要照著裝就可以了.

不過, 我已經不知道多少年沒有裝 DIP 的電路板了. 這板子上全部的零件, 包含電阻電容統統是 DIP 的, 光是折腳就折得我一個頭兩個大.

而且, 它居然是單面板! 只有單面有銅箔! 這電路是有沒有這麼簡單啊?! 不過至少板材還是 FR-4 玻璃纖維板, 不是 FR-1 電木板.

很久沒有裝 DIP 的板子了, 讓我想起小時候裝 Apple II 的主機板時, 還會龜毛地把所有電阻的色碼排向同一邊. 裝 SMD 零件的板子完全沒有這種樂趣.

差不多快裝好了, 兩顆 IC 還很保守地用了插座, 真有種時光倒流 30 年的感覺. 18-pin 的那顆是 flash-based 的 PICMicro MCU, 因為有可能要重燒又沒有 ISP, 用插座是合理的, 但另一顆只不過是 8-pin 的 OP amp 啊, 它是有多嬌貴需要用到 socket 啊…

輻射感測器

這個套件最主要的零件就是照片中這個 PIN photodiode. 它是 Hamamatsu Photonics 的 S6775 大面積 PIN photodiode. 它的受光面積高達 26mm², 因此感度也高達 0.7A/W, 比一般的 photodiode 要高上不少.

Photodiode 當 sensor 用時, 是操作在逆偏區, 逆偏時除了 leakage current 外是不會有額外的電流的. 這顆 S6775 在 10V 的逆偏壓時, 最大的 leakge 只有 5nA, 算是特性還不錯的. 當有光子打在 diode 上時, 會撞出一個電子電洞對, 這個電子電洞對就會變成微小的電流, 產生一個可以偵測的訊號. 因為特性的關係, 除了可見光的光子外, gamma 射線的光子也能打出有效的電子電洞對, 產生可偵測的訊號. 不過為了只讓它偵測 gamma 射線, photodiode 需要做點加工.

加工的方式很簡單, 就是用不透光的導電材料把 photodiode 包起來並接地, 讓可見光進不了 photodiode. PIN photodiode 對 EMI 非常敏感, 所以為了避免它收到額外的雜訊, 包材要用導電材料製作並且接地.

剛好實驗室裡有背膠的鋁箔膠帶, 可以拿來包.

包好之後長這個樣子. Photodiode 的接腳用熱縮套管包起來, 以免跟鋁箔接觸到短路. 另外還要從鋁箔上焊一條線出來到電路板上接地, 這個動作還蠻有一點難度的, 因為鋁箔的表面有一層氧化層, 要讓它吃錫得先想辦法用助焊劑把氧化層清掉, 才能讓焊錫跟鋁箔形成共晶層.

裝箱

板子裝好後, 要幫它找個殼. 這個套件原來的設計是讓 16×2 的 LCD module 直接搭在板子上的 2.54mm 排針, 不過它的角度不太好, 因此我決定把 LCD module 跟電路板分開固定, 再跳 16 條線把它們連在一起.

我到臨江街夜市裡的生活百貨裡去找了幾個個小物盒, 試著在裡面排列電路板, LCD module, 和電池的位置, 最後決定用這個長型的盒子.

電路板跟 LCD module 用銅柱跟螺絲固定在盒子底板上, 電路板靠邊擺讓 PIN photodiode 貼在盒子邊邊上.

這個套件的設計裡包含一個 piezo buzzer, 因此當它接收到輻射時會像電影裡的輻射偵測器一樣嗶嗶叫. 我把 buzzer 固定在電路板下面的底板上, 這樣叫起來會比較大聲.

測試

東西做好了要測試, 但輻射偵測器要怎麼測 ? 我沒有輻射源啊!!! 一般平民百姓是要去哪裡弄游離輻射源啊 ?

突然想到, SMC Takumar 50mm f/1.4 那顆鏡頭不是號稱有輻射嗎 ? 剛好拿來試試看.

讀數是有比背景高一點點啦, 不過也是難得讓偵器叫個幾聲.

我實在想不到有什麼其它的東西可以拿來測試, 只好等禮物的主人親測了…