Costruzione di un apparato sperimentale per la misura di raggi

cosmici

A cura di:Domenico Barbato, Marco Passeri (L.S. Lazzaro Spallanzani, Tivoli), Sabina Cenciarelli, Fabrizio Pallante (L.S. Guglielmo Marconi, Colleferro), Fabrizio Avallone, Alessandro Toscano

(L.S. Ascanio Landi, Velletri)

Tutori: Marco Mirazita, Aldo Orlandi, Angelo Viticchié

Sommario

1. Raggi cosmici2. Principi fisici dei rivelatori

• Scintillatori• Cerenkov

3. Elettronica• Fotomoltiplicatore• Moduli di acquisizione• ADC

4. Software di acquisizione e raccolta dati5. Analisi dati6. Conclusioni

I raggi cosmiciI raggi cosmici• Radiazione primaria

– Prodotta dallo spazio esterno– Composta da p e α

• Radiazione secondaria– Prodotta dall’interazione

della radiazione primaria con l’atmosfera

– Composta da sciami e.m. e adronici

• Radiazione al livello del mare– Composti da muoni e

neutrini

– E= 4 GeV

– Flusso= 200 m-2 s-1

Rivelatori di particelleCome funzionano:

sfruttano l’interazione delle particelle da rivelare con la materia che li compone.

Durante l’attività sperimentale sono stati utilizzati due tipi di rivelatori:

•Scintillatori

•Vetri al piombo

ScintillatoriSono stumenti capaci di rivelare le

particelle attraverso un processo di ionizzazione che ha come risultato l’emissione di luce.

La luce è isotropa e proporzionale all’energia persa dalla particella.

Si suddividono in due categorie:

•Scintillatori organici:•~1000 pe/MeV•Molto veloci (tempo di emissione<10ns)•Più facili da lavorare

•Scintillatori inorganici: •~40000 pe/MeV, •piuttosto lenti (tempo di emissione ~100ns), •molto sensibili alla temperatura.

Vetro al PiomboSfrutta l’effetto Čerenkov, ossia

l’emissione coerente di luce da parte di particelle cariche che si muovono con velocita’ maggiore di quella della luce

La luce emessa :• è parallela alla direzione di moto della particella•è proporzionale all’energia persa della particella•È minore di quella emessa da uno scintillatore (<100pe/MeV)

Fotomoltiplicatore (PMT)Il fotomoltiplicatore è racchiuso

in un’ampolla di vetro che contiene:

• Fotocatodo che emette elettroni quando viene colpito dalla luce;

• Ottica d’ingresso per convogliare gli elettroni emessi dal fotocatodo sul primo dinodo;

• Dinodi, una serie di elettrodi in grado di aumentare il numero di elettroni

• Anodo, l’ultimo elettrodo che raccoglie tutti gli elettroni

Fotonefinestra

dinodi anodo

alimentatorecorrente in uscita

elettrodo

fotocatodo

partitore

PMT (PhotoMultiplier Tube) = Fotomoltiplicatore

Il segnale è amplificato di un fattore ~106 di modo che sia misurabile.

Vetro al Pb 65916

•Ch1

•Ch2

•Ch3

•Ch4

Scintillatore 34

Scintillatore 36

Amplificatore × 10

Fan in / fan out Delay

Discriminatore Coincidenza

ADC

•Ch1

•Ch2

•Ch3

•Ch4

•1 8.0ns•2 31.5ns•3 36.5ns•4 65.5ns

•Ch1

•Ch2

•Ch3

•Ch4

•Gate

•1•2•3•4

• Soglia 50mV•

•

•

•

• •

Catena di acquisizione dati

•Ch1 1200V

•Ch2 1255V

•Ch3 1300V

•Ch4 1450V

Alimentatore

Vetro al Pb 09926

Alimentatore

AmplificatoreFan in / fan out

Discriminatore Ritardo

Coincidenza

ADC(Analog-to-Digital Converter)

Lo strumento viene utilizzato per misurare la quantità di carica prodotta dal PMT.

La conversione in numero digitale avviene con una risoluzione di 0.25pC

Il segnale viene acquisito solo in coincidenza con il gate (trigger) di:

-ampiezza fissa (800mV)-durata variabile (scelta in base alla

durata dei segnali da misurare; Range 10ns – 200ns)

ADCOut

in1

in2

Gate

Software di acquisizione

ADC 0 ADC 1 ADC 2

ADC 3 ADC 4

Prima acquisizioneScintillatore 34

Vetro al piombo 09926

Vetro al piombo 65916

Scintillatore 36

Scintillatore 34

Risultati del primo run (run7)

Vetro al piombo 65916

Vetro al piombo 09926

Scintillatore

36

Rivelatore HV σ Picco Piedistallo Picco meno piedistallo

Scintillatore 34

1255 V 14.3±0.3 53.9±0.2 7 46.9±0.2

Scintillatore 36

1200 V 18.0±0.3 69.7±0.3 5 64.7±0.3

Vetro al piombo

65916

1300 V 18.7±0.4 99.6±0.3 7 92.6±0.3

Vetro al piombo

09926

1450 V 12.8±0.3 23.9±0.2 9 14.9±0.2

Run 7

Misura in funzione della distanza dal PMT

6 cm

Run 10

42 cm

Run 12

24 cm

Run 13

Spostamento del picco in funzione della distanza dal PMT

La risposta del vetro al piombo è stabile entro qualche %

Conclusioni•Abbiamo utilizzato i raggi cosmici per lo studio di due scintillatori e di due vetri al piombo.

•Abbiamo costruito la catena di acquisizione per registrare i segnali dei rivelatori.

•Abbiamo effettuato una serie di run di acquisizione.

•Abbiamo ottenuto i seguenti risultati:- Uno dei due vetri al piombo ha una buona

risposta stabile entro il 3-4%; - L’ altro ha mostrato una risposta molto scadente.