Fluorescerende kristallen displaystandaard - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Toen ik afstudeerde aan de universiteit, werkte ik aan een experiment voor directe detectie van donkere materie, CRESST genaamd. Dit experiment maakt gebruik van deeltjesdetectoren op basis van sprankelende calciumwolframaat (CaWO4) kristallen. Ik heb nog steeds een gebroken kristal als souvenir en heb altijd al een displaystandaard willen bouwen die de fluorescentie van het kristal opwekt.

Ik realiseer me dat mensen deze exacte build waarschijnlijk niet zullen kopiëren, omdat calciumwolframaatkristallen niet in de handel verkrijgbaar zijn en ook de UVC-LED's die ik heb gebruikt vrij duur zijn. Het kan u echter helpen als u van plan bent een displaystandaard te bouwen voor andere fluorescerende mineralen zoals barnsteen of fluoriet.

Stap 1: Verzamel materialen

• fluorescerend CaWO4-kristal
• kleine projectbox (bijv. conrad.de)
• 278 nm UVC LED (bijv. Crystal IS)
• LED stuurboord (printplaat met metalen kern) (bijv. Lumitronix)
• thermische pad (bijv. Lumitronix)
• koellichaam (bijv. Lumitronix)
• opstapmodule (bijv. ebay.de)
• LED-boost-driver (bijv. ebay.de)
• LiPo-batterij (bijv. ebay.de)
• schuifschakelaar
• 0,82 Ohm 1206 SMD-weerstand

Fluorescentie in calciumwolframaat kan worden geëxciteerd bij golflengten < 280 nm. Dit is vrij ver in de UV en LED's op deze golflengte zijn meestal vrij duur (~ 150 $/st). Gelukkig kreeg ik gratis 278 nm SMD-LED's omdat ze technische monsters waren van het bedrijf waar ik werk. Dit type LED's wordt meestal gebruikt voor desinfectie.

WAARSCHUWING: UV-licht kan schade aan de ogen en de huid veroorzaken. Zorg voor een goede bescherming, b.v. UV-bril

Volgens het specificatieblad hebben de LED's een optisch uitgangsvermogen van ~25 mW, een bedrijfsstroom van 300 mA en een hoge doorlaatspanning van ~12 V. Aangezien dit betekent dat de LED's ongeveer 3 W warmte afvoeren, moeten ze worden gemonteerd op een goede warmteafvoer. Daarom kocht ik een metalen kern-PCB (stuurboord) met de juiste footprint, een thermische pad en een klein koellichaam. Omdat LED's gemakkelijk kunnen worden beschadigd door te hoge stromen, moeten ze worden gebruikt met een constante stroomdriver. Ik heb een zeer goedkope constante stroom boost driver board op basis van de XL6003 IC die ook de uitgangsspanning verhoogt. Volgens de datasheet mag de uitgangsspanning niet hoger zijn dan 2x de ingangsspanning. Omdat ik echter alles van een LiPo-batterij van 3,7 V wilde voorzien, heb ik nog een step-up-converter toegevoegd die de batterijspanning vóór de LED-driver verhoogt tot ~ 6 V. De uitgangsstroom van de LED-driver wordt ingesteld door twee SMD-weerstanden die parallel op het bord zijn aangesloten. Volgens de datasheet van de XL6003 wordt de stroom gegeven door I = 0,22 V/Rs. Standaard zijn er twee weerstanden van 0,68 Ohm parallel geschakeld, wat neerkomt op ~650 mA. Om de stroom te verlagen, moest ik deze weerstanden vervangen door een weerstand van 0,82 Ohm die ~270 mA zal geven.

Stap 2: De LED monteren

In de volgende stap heb ik de LED aan stuurboord gesoldeerd. Zoals reeds vermeld is het belangrijk om een PCB te krijgen met de bijpassende footprint van uw LED. Solderen op een PCB met metalen kern kan moeilijk zijn omdat het bord de warmte vrij goed afvoert. Om het solderen makkelijker te maken is het aan te raden om de print op een hete plaat te leggen maar het is me ook gelukt om zonder te doen. De LED moet met koelpasta aan het bord worden gekoppeld. Na het solderen heb ik de stuurboord aan het koellichaam bevestigd met behulp van de thermische pad.

Stap 3: Sluit elektronica aan

Ik heb alle elektronische componenten op de bodemplaat van mijn behuizing gelijmd. Houd er rekening mee dat het koellichaam behoorlijk heet wordt, dus het is handig om lijm te gebruiken die bestand is tegen hoge temperaturen. De batterij wordt aangesloten op de step-upmodule die de spanning verhoogt tot ongeveer 6 V. De uitgang wordt dan aangesloten op de LED-boostdriver die op de LED is aangesloten. Er is een schuifschakelaar toegevoegd na de batterij, maar misschien wilt u het solderen pas doen nadat u de schuifschakelaar in de volgende stap hebt gemonteerd.

Stap 4: Behuizing wijzigen

Ik heb enkele wijzigingen aangebracht aan de behuizing met behulp van mijn dremel-gereedschap. In de bovenkant werd een spleetvormig gat gestoken om het LED-licht te laten ontsnappen. Daarnaast heb ik wat openingen in de zijkant aangebracht voor ventilatie. Er werd nog een gat gemaakt voor de schuifschakelaar die met hete lijm werd vastgezet. Ik ben niet erg blij met het uiterlijk van de behuizing, omdat de gaten er vrij ruw uitzien. Gelukkig zijn de meeste niet zichtbaar. De volgende keer zal ik waarschijnlijk een aangepaste doos maken met behulp van een lasersnijder.

Stap 5: Klaar

Na het sluiten van de overkapping was het project afgerond. Het kristal kan op de gleuf aan de bovenzijde worden geplaatst en wordt door de LED van onderaf bekrachtigd. De fluorescentie-emissie is vrij helder. Merk op dat al het licht echt van het kristal komt, aangezien het UVC-licht onzichtbaar is.

De build kan zeker op een paar manieren worden verbeterd. Allereerst is het thermisch beheer van de LED niet geweldig en wordt het koellichaam behoorlijk heet. Dit komt omdat er zeer weinig ventilatie is omdat het koellichaam in de behuizing is gemonteerd. Tot nu toe durfde ik de LED niet langer dan een paar minuten aan te laten staan. Ten tweede zou ik de volgende keer een mooiere behuizing willen maken met een op maat gemaakte lasergesneden doos gemaakt van zwart acryl. Bovendien kan een LiPo-oplaadmodule met microUSB-stekker worden toegevoegd, zodat u de doos niet hoeft te openen om op te laden.