Rilevazione Raggi Cosmici con Spettrometro Gamma

La rivelazione dei raggi cosmici può anche essere fatta con un normale spettrometro gamma con il classico scintillatore NaI(Tl). L’immagine riportata sopra mostra infatti una simulazione fatta con metodo Montecarlo in cui si vede come i calcoli prevedano un picco posto a energie superiori ai 10 MeV, dovuto alla interazione dei muoni con il cristallo scintillatore.
Per ottenere buoni risultati è però necessario utilizzare un cristallo piuttosto grande e raccogliere i dati per un tempo lungo (12 – 24 ore). Noi abbiamo utilizzato un sensore gamma con cristallo 63×63 mm, posizionato in verticale ed alimentato a 500 V. La descrizione dell’apparato si trova nel post : Spettrometria Gamma DIY. Come software abbiamo utilizzato l’applicazione BeqMoni adatta per effettuare conteggi.

Un muone che attraversa il cristallo di NaI deposita circa 4500 KeV di energia per centimetro, un muone con percorso verticale deposita quindi la massima energia di circa 4500 x 6,3 cm = 28 MeV. Naturalmente non tutti i muoni seguono lo stesso percorso : alcuni passando in diagonale depositano più energia, altri e sono in numero maggiore, interagiscono con il cristallo con un percorso più breve e quindi depositano meno energia. L’immagine sotto mostra lo schema dell’apparato.

Le immagini sotto riportano lo spettro gamma di background dopo qualche ora di rilevazione. Si vede come dopo i picchi a 1460 KeV del K-40, a 1764 e 2204 KeV del Bi-214 (Da U-238) e a 2614 KeV del Tl 208 (da Th-232) il numero dei conteggi si riduce di molto per poi presentare un picco a circa 28 – 30 MeV. Questo picco corrisponde alla energia depositata dai muoni che interagiscono con lo scintillatore.

Sfruttando la funzionalità ROI di BeqMoni abbiamo fatto il conteggio relativo al picco muonico ottenendo un valore di 0,42 CPS – 25,2 CPM, come si vede nella figura sotto.

Dato un flusso normale di particelle pari a 0,024 muoni/s cm², il flusso di particelle che raggiungono il rivelatore (al livello del mare) dovrebbe avere il seguente valore :
Area utile del cristallo scintillatore = 31,2 cm²
31,2 cm² x 0,024 particelle/s cm² = 0,75 particelle/s = 45 cpm teorici

Ad energie inferiori al limite della ROI troviamo anche i muoni il cui percorso incontra solo parzialmente il cristallo e quindi cedono una quantità inferiore di energia, inoltre vi è anche la componente “soft” della radiazione cosmica (gamma ed elettroni) che corrisponde ad energie inferiori. Nella figura sotto abbiamo allargato la ROI fino 4000 KeV, ottenendo un valore di 0,9 CPS = 54 CPM. Questo valore comprende i muoni provenienti da un angolo solido di 2π, quindi provenienti anche di lato e anche la “parte soft” della radiazione cosmica.

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