Kosmiko: From CMOS Imaging Sensors to Pixel-Calibrated Particle Instruments
本文介绍了 Kosmiko，这是一种利用树莓派控制的 CMOS 传感器，通过实时像素校准来检测并过滤自然环境中电离辐射事件，从而在不识别特定粒子种类的情况下，实现长时监测和事件率对比分析的低成本、可复现方法。
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我们头顶的天空从未真正空旷。即使在晴朗的日子里，来自深空以及地球内部天然元素衰变的不可见粒子也在不断地穿透一切。这些是宇宙射线和其他形式的电离辐射。当它们撞击物质时，会留下微弱的能量痕迹，即一个如果懂得如何寻找便能探测到的微小火花。几十年来，科学家们一直使用昂贵且专业的设备来测量这场“看不见的雨”，但这类仪器沉重、造价高昂且难以大规模部署。长期以来的疑问在于，我们口袋里携带的或安装在屋顶上的相机是否也能被引导去观察这种辐射，从而将日常设备转化为一个庞大的分布式传感器网络。
法国的一个研究小组用一种名为 Kosmiko 的新型低成本系统回答了这个问题。他们并没有从零开始制造一台复杂的机器，而是利用一块小型、廉价的计算机板和两个标准的相机模块（即常用于高质量视频拍摄的那种）构建了一个探测器。他们将这些相机置于完全黑暗的环境中，拆除了镜头和滤镜，并编写程序让它们长时间凝视虚空。其目标并非拍摄世界，而是倾听单个辐射粒子撞击相机硅传感器的瞬间所产生的微小电火花。通过将每个微小的像素点视为一个独立的探测器，该团队创造出一种方法，可以在不被相机自身内部噪声淹没的情况下捕捉到这些事件。
这一过程始于精细的校准。在相机开始漫长的守望之前，它们会在黑暗中拍摄数千张照片，以了解每一个像素点的“常态”是什么样的。这使得系统能够理解每个像素点独特的背景嗡鸣声，从而区分随机的电子故障与真实的粒子撞击。一旦相机准备就绪，它们便开始长达十二小时的运行，以大约每秒一次的频率捕捉图像。运行在小型计算机板上的软件会对每一帧中的每个像素进行检查，并将其与自身的阈值进行对比。如果某个像素突然比平时的黑暗状态更亮，系统就会将其标记为一个候选事件。至关重要的一点是，系统不会保存整张图像，否则内存卡会在几分钟内填满。相反，它仅保存触发像素的坐标、亮度以及触发时间。这种大规模的数据缩减使设备能够运行数天或数周，收集的是事件流而非堆积如山的空白图片。
研究人员在不同地点测试了这种方法，以观察相机能发现什么。他们首先在海平面开始测试，正如预期的那样，检测到的事件率很高。随后，他们将设备移至深层地下，进入一个由1500米岩石和水屏蔽的实验室。他们曾预料到检测到的事件率会大幅下降，因为岩石会阻挡大部分来自太空的宇宙射线。令人惊讶的是，下降幅度并未达到预期；相机仍在持续记录着稳定的信号流。这促使团队调查究竟是什么在产生信号。他们意识到，相机本身——特别是位于传感器正前方的玻璃透镜和红外滤光片——含有微量的天然放射性元素。这些元素的衰变直接向传感器发射粒子，产生了掩盖真实宇宙信号的背景噪声。
当研究人员移除镜头和滤镜，让传感器裸露出来时，结果立即发生了变化。在地下测试中，事件率显著下降，证实了相机的组件本身就是假信号的主要来源。去掉这些部件后，设备变得更加“洁净”。为了证明剩余的信号确实来自辐射，团队将相机暴露在已知的伽马射线和阿尔法粒子源下。相机对它们做出了截然不同的反应：伽马射线产生了细小且分散的明亮像素簇，而较重的阿尔法粒子则留下了较大的紧凑斑块。这些模式被记录为特定的形态类别——例如“轨迹状”或“紧凑簇”——而非对特定粒子类型的确定性鉴定。这证实了该系统正在按预期工作，能够根据它们留下的簇的形状和大小对电离事件进行分类。
研究的最后阶段涉及大规模可靠性测试。团队在法国六个不同的地点部署了二十台此类设备（共计四十个相机），地点涵盖了从海岸到高海拔山区的范围。他们发现，无论设备被放置在何处，其产生的结果都是一致的。位于一个城市的相机与同一时间位于另一城市的相同相机给出的读数是一致的，这证明了该方法具有可重复性和稳健性。虽然由于海拔和局部地质差异，确切的事件数量因地而异，但该系统证明了其能够以以往低成本工具无法实现的细节水平，绘制出辐射环境的分布图。
这项工作并不声称能识别每一种特定的粒子，也不旨在提供完美的宇宙射线通量测量。这些传感器过于薄弱，无法捕捉到经过的所有粒子，且系统目前还无法在没有仔细校准的情况下区分宇宙射线与局部放射源粒子。然而，这项研究成功展示了一种观察自然辐射环境的新途径。通过将标准相机转化为经过校准的粒子探测器，研究人员证明了构建一个廉价、易于部署且具有科学价值的传感器网络是可行的。该方法为监测从地球表面到地下实验室等各种环境中的辐射水平提供了一条实用的路径，而所使用的技术正是每个人都能触及的现有技术。
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