Muografia Fatta in Casa

Introduzione

Il nostro amico Antonio Zanardo ha effettuato un interessante esperimento con i raggi cosmici : la muografia. In questo post descriveremo la sua realizzazione.

MUOGRAFIA cos’è ? È una tecnica  radiografica usata per ottenere immagini di oggetti, generalmente di grandi dimensioni, altrimenti irrealizzabili con altri procedimenti (Raggi X).
L’energia utilizzata nella muografia è fornita dai Raggi Cosmici (RC).

E’ noto che un flusso continuo di  RC, costituito principalmente da protoni  altamente energetici, investe il nostro pianeta. Nell’impatto con l’atmosfera queste particelle cedono la loro energia negli urti con i nuclei dei gas e generano altre particelle, e fra queste il MUONE. Il muone è una sorta di elettrone “pesante” con massa circa 200 volte quella dell’elettrone e dotato di velocità relativistica, ragione per cui possiede una elevata energia che gli consente di attraversare la materia. In questo attraversamento una parte della sua energia viene assorbita dal materiale : l’entità della diminuzione di energia dipende dallo spessore, tipologia e densità del suddetto materiale.
L’assorbimento differenziato di questa radiazione consente di formare immagini in modo molto simile a quello delle più conosciute radiografie.

Esempio recente di muografia professionale è stata la recente scoperta all’interno di una piramide egizia di un vano vuoto prima sconosciuto. E’ stata anche usata per fare lo “screening” della cupola del Duomo di Firenze al fine di stabilire qual’è la forma e lo stato dei rinforzi esistenti nelle intercapedini. Una variante di questa tecnica viene utilizzata  per il monitoraggio dello stato dei condotti magmatici e della caldera dei vulcani, come mostrato nella immagine di copertina e nella immagine seguente.

Per rilevare la radiazione muonica i professionisti usano strumenti costruiti appositamente nei  laboratori universitari e adattati all’indagine programmata. Ad esempio, nelle piramidi  si sono utilizzate principalmente speciali lastre fotografiche ma anche  strumenti elettronici, mentre in altri casi  si impiegano esclusivamente “telescopi” puramente elettronici, che usano sensori di  vari tipi. Esistono anche speciali telescopi ottici che rilevano, in notti particolarmente buie, il tenue bagliore della radiazione Cherenkov prodotta dai muoni di altissima energia che impattano nell’atmosfera.

Strumentazione e set-up Sperimentale

Riferendoci ora al nostro esperimento, se nel  flusso muonico viene posto un oggetto di alta densità, ad es. un cubo di ferro, i muoni vengono assorbiti dallo stesso assai di più rispetto all’aria circostante. I sensori registrano questa differenza, e con i dati raccolti si può formare l’ immagine dell’oggetto, come se fosse “proiettata “ su uno schermo.

Il setup è costituito da un piccolo portale che regge un cubo di Fe di circa 25 cm di lato e che lascia nella parte inferiore lo spazio per il passaggio degli strumenti. Il test è volto a verificare se e come ciascun strumento rileva differenze di flusso muonico quando si trova fuori dal tunnel rispetto a quando si trova parzialmente o totalmente coperto dal cubo di Fe.
In particolare, il test consiste nel fare una scansione con i tre strumenti, allineati e resi solidali da un apposito supporto.
Alla fine del test, si dispone di tre serie di dati. Associando i valori numerici raccolti dai tre sensori a diversi toni di grigio e rappresentando i risultati di ciascun sensore su una tabella formata da tre colonne parallele,  si ottiene una immagine dell’oggetto esaminato.

L’immagine sotto mostra il cubo formato dalle lastre di ferro, poggiato sul un piano scorrevole, mentre al di sotto vi sono i tre rilevatori di muoni affiancati.

Nella immagine si nota l’oggetto da muografare formato da otto piastre di Fe sovrapposte a formare un cubo, ed il portale che le sorregge fatto di profilati commerciali di Al e dotato di ruote per poterlo far scorrere lungo il percorso stabilito.
La scansione avviene spostando manualmente il portale in 12 passi successivi , distanti tra loro 50 mm, al di sopra del gruppo sensori che rimane fermo. In ogni passo lo stazionamento dura 2 giorni per raccogliere la radiazione incidente, per cui la durata complessiva del test ha avuto una durata di 24 giorni.

Ciascun “muometro” (non esiste un nome migliore codificato), è costituito da due tubi Geiger-Muller SBM19 di produzione russa. I tubi giacciono su un piano verticale, paralleli ed alla distanza di 100 mm.

Per discriminare i muoni provenienti dallo spazio, dalle altre particelle di origine terrestre (radiazione di fondo ) si usa un circuito elettronico  di “coincidenza”.  Questo circuito verifica se  una particella attraversa contemporaneamente i due tubi fornendo così un segnale del suo passaggio. In questo caso si tratta di un muone, mentre le particelle naturali, mille volte meno energetiche, si limitano ad ionizzare i due tubi separatamente (i ticchettii classici del Geiger), ma non riescono ad attraversare simultaneamente i due tubi, quindi niente segnale.

Oltre al fondamentale circuito di coincidenza, c’è un generatore HV per pilotare i geiger, un circuito “splitter” che suddivide la tensione sui due tubi e produce segnali quando i tubi sono investiti da radiazioni, ed infine un circuito di  squadratura del segnale stesso. L’energia per il funzionamento dell’apparecchiatura viene fornita dalla rete elettrica, ma ciascun muometro dispone di batterie al litio come backup.
L’immagine mostra i dettagli di uno strumento  simile a quelli impiegati per la muografia.

Risultati

I dati ricavati dalla misura con la rappresentazione, in toni di grigio, dei diversi valori del conteggio sono mostrati nella immagine seguente.

L’immagine ottenuta è piuttosto “grezza” e contiene poche informazioni. L’imprecisione della resa è dovuta alla strumentazione di tipo amatoriale ed al fatto che alla fine della scansione si sono raccolti comunque pochi dati utili. Fatti i conti, sarebbe come  aver fotografato  l’oggetto con una camera avente un sensore  di soli 39 pixel ! Inoltre i sensori Geiger per la loro stessa conformazione hanno dimensioni rilevanti. Non si è ritenuto di impiegare tubi più numerosi ma più piccoli allo scopo di avere una migliore risoluzione,  in quanto la sensibilità di ciascun piccolo tubo sarebbe troppo modesta e di conseguenza i tempi di integrazione crescerebbero a livelli inaccettabili.
Fatte queste premesse il risultato è comunque apprezzabile.

L’immagine presenta al centro un’ ombra scura. Essa è prodotta dal cubo di Fe, e si è formata in quanto il flusso muonico viene assorbito dal blocco di Fe, mentre l’aria circostante lascia passare la radiazione essendo praticamente trasparente. I dati che compaiono sono, a sinistra, la sommatoria di  quelli effettivamente rilevati dai tre sensori A02, F01, A00 durante i dodici passi previsti. Al centro e a destra sono gli stessi dati, rielaborati per ottenere l’immagine in toni di grigio.

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