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Rilevatore Cherenkov DIY con Cristallo Acrilico

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In questo post proponiamo la costruzione di un rilevatore Cherenkov di raggi cosmici basato su di un radiatore costituito da un blocco di plastica acrilica trasparente. In questo sito abbiamo già descritto un rilevatore Cherenkov ad acqua, nel quale il materiale radiante era costituito dall’acqua contenuta in un vaso di dewar.
Per la teoria della radiazione Cherenkov rimandiamo al post suddetto, mentre in questa sede ci occupiamo della costruzione del nuovo rilevatore e del suo utilizzo per la rilevazione dei muoni cosmici.

Realizzazione del Detector

Per la realizzazione del detector abbiamo utilizzato un fotomoltiplicatore EMI 9709KB, caratterizzato da un ampio fotocatodo di 130mm, in grado quindi di coprire una area piuttosto estesa.

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Specifiche del  PMT EMI 9709KB

Type : Head-On
Size : 130mm
Photocathode : CsSb S11
Max Voltage : 2250V
Dynodes : 9
Rise Time : 20ns
Dark Current : 10nA

Nella immagine a lato si vede il PMT montato su di un supporto in legno. Questo è stato fatto in modo da orientare verso l’alto il fotocatodo del PMT. Al di sopra del fotocatodo è stato posizionato il blocco di plastica acrilica. Al fine di far aderire bene la plastica acrilica al vetro del PMT è stato utilizzato un grasso ottico siliconico che ha anche la funzione di ottimizzare l’accoppiamento ottico delle due superfici e minimizzare le riflessioni interne.

Indice Rifrazione Acrilico = 1,49
Indice Rifrazione Vetro Borosilicato = 1,52
Indice Rifrazione Grasso Siliconico = 1,46

Il grasso siliconico va posto sul vetro del PMT e distribuito uniformemente, poi si posiziona il blocco di acrilico e lo si ruota delicatamente in modo che il grasso si distribuisca uniformemente tra le due superfici : non vi devono essere bolle d’aria o accumuli e questo lo si può verificare facilmente attraverso la faccia superiore del cristallo acrilico.

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acrilico

 

 

 

 

 

Nella immagine a lato si vede il PMT posizionato all’interno di un contenitore a tenuta di luce.

Nella immagine sopra si vedono dei cristalli acrilici dello stesso tipo utilizzato nel nostro detector. In particolare il cristallo che abbiamo utilizzato ha le seguenti dimensoni :
Lato = 150 mm
Spessore = 50 mm
Il cristallo di acrilico è stato poi avvolto in un foglio di alluminio riflettente in modo da aumentare l’efficienza di rilevazione. La radiazione Cherenkov è piuttosto debole e quindi è importante ottimizzare al massimo la capacità di raccolta di luce del detector.

Nella immagine sotto si vede l’aspetto finale del PMT e del radiatore di plastica acrilica avvolto nel foglio di alluminio.

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Partitore per il PMT ed acquisizione del Segnale

Il PMT viene alimentato da un generatore stabilizzato di HV, per avere un buon segnale in uscita è necessario far lavorare il PMT a tensioni medio-alte, con il nostro generatore arriviamo a 1400V. Il PMT ha una tensione massima dichiarata da specifica di oltre 2000V quindi si potrebbe salire ancora. Il segnale viene prelevato, con un opportuno condensatore di disaccoppiamento, a valle di una resistenza di carico da 1MΩ.
Lo schema seguente illustra i collegamenti :

PMTVoltageDivider

L’immagine sotto invece mostra il rilevatore finito collegato al generatore di HV :

SecondCherenkov1

Rilevazione Muoni Cosmici

I muoni cosmici, essendo caratterizzati da velocità relativistiche, quando attraversano il cristallo di plastica acrilica, danno luogo alla generazione di un lampo di radiazione cherenkov. Il cristallo ha uno spessore di 50mm ed il numero di fotoni generati nel passaggio di un muone con elevata energia (1GeV) è stimato essere di qualche centinaio. Il cristallo di acrilico è appoggiato al di sopra del fotocatodo del PMT quindi, dato che la radiazione Cherenkov è rivolta nella stessa direzione del muone, il fotocatodo del PMT viene raggiunto dai fotoni generati dai muoni cosmici che hanno direzione verticale (sono la maggior parte).
Lo schema riportato sotto illustra il setup sperimentale.

Cherenkov2

Nella immagine riportata sotto si vede una serie di impulsi Cherenkov acquisiti con l’oscilloscopio, su di una resistenza di carico di 1kΩ.

cherenkovPulses

Gli impulsi hanno una ampiezza che va dai 20mV ai 50mV ed hanno una frequenza di circa 1Hz (1CPS). Con una frequenza più bassa si registrano anche impulsi di ampiezza maggiore, come si vede nella immagine sotto.

cherenkovPulse

Gli impulsi spuri (rumore) generato dal PMT hanno ampiezza più bassa, al di sotto dei 10mV, quindi ponendo la soglia di rilevazione a 20mV si selezionano facilmente solo gli impulsi dovuti alla radiazione Cherenkov generata dal passaggio dei muoni cosmici attraverso il cristallo di plastica acrilica. Nella immagine sotto, acquisita con l’oscilloscopio, si mettono a confronto gli impulsi dovuti al rumore con quelli dovuti alla radiazione Cherenkov.

CherenkovNoisePulse

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_Acrylic_Cherenkov

Rilevazione in Coincidenza

SecondCherenkov6Utilizzando il rilevatore Cherenkov ad acqua già descritto nel post rilevatore Cherenkov ad acqua, insieme al rilevatore con cristallo acrilico è possibile fare rilevazioni di muoni cosmici sfruttando la coincidenza tra i segnali generati dai due rilevatori. I due rilevatori vengono posizionati in verticale uno sopra l’altro come si vede nella figura a lato.
Il rilevatore superiore è quello ad acqua, mentre quello inferiore è il rilevatore che utilizza il cristallo acrilico. Entrambi i PMT vengono alimentati dal medesimo generatore HV settato a 1400v.

Un muone con traiettoria verticale sufficientemente energetico, facilmente genera radiazione Cherenkov sia nel primo rilevatore che nel secondo. Naturalmente il rateo di eventi è piuttosto basso, qualche decina al minuto, nella immagine sotto si vede un esempio di due impulsi Cherenkov, originato dai due rilevatori : la linea gialla corrisponde al rilevatore ad acqua, mentre quella azzurra al rilevatore ad acrilico.

CherenkovCoincPulses

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