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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.
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