Monitoraggio Flusso Raggi Cosmici

Introduzione

Un po’ di tempo fa nel nostro laboratorio abbiamo realizzato un detector per raggi cosmici basato su scintillatore plastico e su PMT : Rilevatore a Scintillazione di Muoni Cosmici. L’obiettivo era quello di sperimentare con questo tipo di rilevatori e fare delle misurazioni di flusso a varie quote di altitudine : I Raggi Cosmici sulle Dolomiti. Successivamente lo stesso strumento è stato utilizzato per evidenziare il decadimento del muone e per misurare la sua emivita : Muoni Cosmici e Tempo di Vita del Muone.
Il nostro “bidone scintillatore” ha fatto veramente un gran lavoro !
A questo punto abbiamo pensato di utilizzarlo per monitorare in continuo il flusso di raggi cosmici e provare metterlo in relazione con altri parametri come la pressione atmosferica, l’intensità del campo geomagnetico e l’attività solare.

E’ noto che il flusso di raggi cosmici (principalmente muoni) che arrivano fino sulla superficie terrestre dipende da molti fattori, tra i quali la densità dell’atmosfera ed il campo geomagnetico. All’aumentare della densità – e quindi della pressione – aumenta l’assorbimento della particelle da parte dei gas che compongono l’atmosfera; inoltre l’attività solare ed il campo geomagnetico (influenzato a sua volta dalla attività solare) deflettono le traiettorie dei raggi cosmici primari e quindi agiscono come uno schermo.

Apparecchiatura

Il detector è costituito da un cilindro di scintillatore plastico. 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. Le immagini sotto mostrano sia lo scintillatore che l’accoppiamento con il PMT.

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.

Il segnale prodotto dal PMT, impulsivo e di durata limitata, viene inviato ad un pre-amplificatore che provvede ad amplificare opportunamente il segnale, portando la sua durata a qualche decina di micro-secondi. Il dispositivo è stato descritto nel seguente post : Amplificatore Universale Micod per PMT.
L’impulso tipico, prodotto da un raggio cosmico, in uscita dall’amplificatore ha ampiezza superiore ad 1V e durata inferiore a 50μsec.
L’immagine sotto mostra l’interno dell’amplificatore e lo strumento completo.

Il segnale prodotto dall’amplificatore viene inviato ad un ingresso analogico della scheda PSoC (mostrata nella immagine di copertina del post). Il segnale viene elaborato in modo da produrre un impulso che poi viene inviato ad un contatore.
Lo schema sotto mostra la logica di programmazione del PSoC : il segnale viene inviato ad un comparatore con isteresi con soglia programmabile via SW (attualmente fissata ad 1V) che produce un fronte di salita convertito in impulso da 1 μsec dal flip-flop di tipo D, l’impulso viene poi inviato al contatore per il conteggio degli impulsi.

Risultati

Il detector ha le seguenti specifiche :

Area Detector = 119 cm²
Normal Cosmic Ray Flux= 0,019 particles/s cm²
Expected Measured Flux : 119 cm² x 0,019 particles/s cm² = 2,261 particles/s = 136 cpm

La  posizione geografica è la seguente :

Latitude = 46° 04′ 01” N
Longitude =11° 09′ 18” E
Elevation = 398 m Mean Sea Level

Andamento Odierno 

Dettaglio

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