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Rilevatore a Scintillazione di Muoni Cosmici

PMTCosmicRay

Il rilevatore di muoni che si vuole realizzare è basato su di un cristallo plastico scintillatore accoppiato ad un fotomoltiplicatore. Questo strumento completa il rilevatore a coincidenza descritto nel post : Raggi Cosmici e Rivelatore a Coincidenza.

Cristallo plastico e PMT sono stati inseriti all’interno di un contenitore metallico cilindrico. All’interno del contenitore è stato collocato anche il driver di alta tensione per alimentare il tubo fotomoltiplicatore. Il segnale dall’anodo del PMT viene prelevato mediante un condensatore di disaccoppiamento ed inviato ad un connettore BNC posto sul coperchio del contenitore. Sul coperchio è anche collocato il connettore per l’alimentazione a bassa tensione a 5V. Nelle immagini riportate sotto si vede il detector finito e con il coperchio aperto.

CosmicRayBin

Il detector realizzato è sensibile anche alla radioattività gamma però è possibile distinguere facilmente gli impulsi prodotti dai muoni cosmici dato che questi ultimi hanno una ampiezza molto maggiore degli impulsi prodotti dalla radiazione gamma di background. Per ottimizzare la resa per i muoni è stato scelto lo scintillatore plastico BC412 particolarmente adatto a rilevare particelle cariche come muoni o elettroni. L’area dello scintillatore, 119cm2 è stata scelta elevata in modo da ottenere un elevato numero di eventi al secondo riconducibili a muoni cosmici, inoltre lo spessore dello scintillatore è stato scelto considerevole, di 114mm, in modo da aumentare lo stopping power e quindi aumentare la probabilità che i muoni vengano rallentati fino a fermarsi e quindi decadere all’interno dello scintillatore.

plasticScint
Dettaglio dello Scintillatore Plastico
PMT
PMT e Scintillatore

Elettronica

Il tubo fotomoltiplicatore viene alimentato mediante un PMT adapter Theremino collocato all’interno del contenitore metallico. In realtà viene utilizzata solo la parte di generazione della alta tensione. Il segnale viene prelevato dal condensatore C8, mentre tutta la parte di “pulse shaping” non è stata montata. L’alimentazione del driver HV avviene attraverso una tensione di 5V che può essere facilmente fornita da una serie di 4 batterie stilo da 1,5V, la cui tensione può venire un po’ ridotta ad esempio con un diodo collegato in serie.

PMTAdapter
Schema del PMT Adapter

Il tipico muone di alta energia attraversa lo scintillatore da parte a parte, in questo modo provoca un certo quantitativo di ionizzazione e deposita nello scintillatore circa 50 MeV della sua energia. Una frazione di questa energia viene convertita in fotoni luminosi e una frazione di questa luce raggiunge il tubo fotomoltiplicatore che converte il breve lampo di luce in un impulso di corrente rilevabile. Gli eventi molto più frequenti dovuti alle radiazioni beta e gamma della radiazione di fondo, hanno una energia di 1 MeV o meno e quindi possono essere facilmente filtrati da un discriminatore.

Regolando la tensione di alimentazione del fotomoltiplicatore a circa 1000V, il tipico impulso prodotto da un muone che passa nel cristallo scintillatore ha una ampiezza di circa 200-400mv; regolando la soglia di trigger dell’oscilloscopio a 200mv si selezionano automaticamente solo gli impulsi prodotto dai muoni.

pulse
Tipico impulso provocato dal passaggio di un muone su carico da 50ohm. La larghezza FWHM dell’impulso è di circa 40ns, in linea con le caratteristiche dello scintillatore plastico e del fotomoltiplicatore

Gli impulsi prodotti dal PMT possono anche essere acquisiti mediante un amplificatore a transimpedenza, come quello mostrato nello schema seguente.

TIA

Il vantaggio è che la resistenza di carico può essere posta ad esempio a 50Ω in modo da ridurre la costante di tempo del circuito, senza rinunciare alla amplificazione ottenuta con la resistenza R2 : Vout = R2 * Ipmt. Nella figura sotto si mostra un impulso acquisito mediante TIA. Si vede come la FWHM dell’impulso si attesti sui 50ns.

TIA_Cosmic_Scint

Misure

Gli impulsi prodotti dal rilevatore a scintillazione possono essere convenientemente visualizzati da un software MCA. Per fare questo si collega l’uscita BNC del detector con il “pulse shaper” del PMT adapter Theremino, l’uscita audio di questo viene collegata ad un PC sul quale gira il software Theremino MCA. Lo spettro gamma che si ottiene evidenzia un picco ad energie elevate (decine di MeV), superiore ai picchi delle normali energie gamma. Questo picco corrisponde alla energia depositata dai muoni che interagiscono con lo scintillatore plastico. Per un muone con percorso verticale la massima energia depositata vale circa 50 MeV. Naturalmente il picco che si ottiene non corrisponde alla energia dei muoni, dato che muoni con energia superiore attraversano il cristallo scintillatore e proseguono nella loro traiettoria, mentre muoni con energia inferiore vengono fermati all’interno del cristallo e subiscono il conseguente decadimento.

DSC_0258
Detector posizionato su di un lingotto di piombo utilizzato come schermo e collegato al “Pulse Shaper”
muonSpectrum
Spettro ottenuto con un software MCA nel quale si evidenzia il picco ad alte energie dovuto all’assorbimento dei muoni all’interno del cristallo plastico scintillatore. Il valore del picco di energia è stimato in circa 40-50 MeV

Misure di Flusso

Per le misure di flusso il segnale prodotto dal PMT viene inviato ad un circuito discriminatore che provvede a fornire una uscita logica TTL a livello 1 quando il segnale supera una soglia liberamente impostabile : in questo modo si selezionano solo gli impulsi di elevata ampiezza prodotti dai muoni cosmici.
Diminuendo la soglia è possibile rilevare anche la normale radioattività ambientale. Come ulteriore schermo per la radioattività ambientale lo scintillatore è stato posizionato al di sopra di un mattoncino di piombo dello spessore di 50mm.

DSC_0270
Detector posizionato su di un lingotto di piombo utilizzato come schermo e collegato al circuito discriminatore

Il flusso di particelle che raggiungono il rivelatore (al livello del mare) dovrebbe avere il seguente valore :

Area Detector = 119 cm2
Flusso particelle cosmiche = 0,011 particelle / cm²-s-sr
Flusso particelle cosmiche su area orizzontale = 0,024 particelle / cm²-s
119 cm2 x 0,024 muoni/s cm2 = 2,86 muoni/s = 171 cpm

In realtà il valore misurato, anche in questo caso, è superiore perché lo scintillatore plastico viene raggiunto da particelle cosmiche anche attraverso i fianchi. Inoltre le misurazioni sono state fatte a quote superiori al livello del mare.
Nella tabella e nel grafico seguente sono illustrati i risultati ottenuti :

Altitude (m) CPM
195 217
375 225,1
810 273,95
1070 286,22
1565 349,17
CPMvsAltitude
Grafico che illustra l’andamento del flusso muonico a diverse altitudini. E’ evidente l’aumento del valore al crescere dell’altitudine alla quale viene fatta la misurazione. Al crescere della quota aumenta il flusso perché diminuisce lo spessore di atmosfera attraversato e quindi si riduce la probabilità di assorbimento e di decadimento spontaneo dei muoni.

Documento pdf con la descrizione del progetto : RilevatoreMuoni_ITA

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