Astroparticelle - schegge per lo sviluppo della conoscenza...

In realtà non conosciamo nulla, perché la verità sta nel profondo. (Democrito)

 
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23/11/2017
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Un semplice rivelatore di muoni a scopo didattico.

 

muon detector
NOTA: da Marzo 2012 sono scomparsi dal mercato alcuni modelli di lampade, in particolare le Osram che erano le più indicate per questi rivelatori.
I produttori per adeguarsi alle normative ambientali hanno sostituito le miscele di gas e con i recenti modelli è diventato estremamente complicato trovare il punto di lavoro (di polarizzazione), nonostante questo l'esperimento può ancora funzionare anche se in modo meno affidabile.

Introduzione:

Con poca spesa e poco lavoro possiamo costruire un piccolo apparecchio che ci permette di "vedere" i muoni, l'unico tipo di particella carica che raggiunge il suolo terrestre, quello che otterremo è uno strumento didattico di grande suggestione e coinvolgimento scientifico.

Il rivelatore in mostra durante la visita di un liceo
Un rivelatore in mostra durante la visita di un liceo, in occasione della mostra sul sistema solare organizzata dal Gruppo Astronomico Tradatese (VA).

Il decadimento dei Muoni:

Il muone μ è una particella che ha la stessa carica e spin dell'elettrone, ma che pesa circa 200 volte di più, è altamente energetica e penetrante ma essendo carica interagisce solo debolmente ed è influenzabile dai campi elettrici e magnetici.

Nel campo delle astroparticelle il muone fa parte dei raggi cosmici secondari come decadimento dei mesoni (Pioni e Kaoni) che vengono a loro volta creati dai protoni che collidono con le molecole dell'atmosfera.

Il muone è anche molto instabile e il tipico decadimento è quello in un elettrone e due neutrini, un anti-neutrino elettronico ed un neutrino μ, per questo i muoni sono importanti anche per lo studio dei neutrini.

 

 

 

 

 

 

La vita media dei muoni è di circa 2 milionesimi di secondo, ma viaggiando a velocità relativistiche, il tempo della loro esistenza si dilata, conseguentemente riescono a raggiungere il suolo prima di decadere.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Esempio di moltiplicatore di tensione, come quello usato nel rivelatore:

triplicatore di tensione

 

FATE MOLTA ATTENZIONE A MANEGGIARE SIA I FLASH DELLE USA E GETTA SIA I CIRCUITI MOLTIPLICATORI DI TENSIONE, LE SCARICHE ELETTRICHE SONO MOLTO PERICOLOSE ANCHE AD APPARECCHIATURA SPENTA, LA BATTERIA NEI FLASH E' COLLEGATA AL CONDENSATORE AD ALTA TENSIONE, NON CI SI ASSUME ALCUNA RESPONSABILITA' IN CASO DI DANNI A COSE O PERSONE.

Principio di funzionamento:

Per realizzare un rivelatore di muoni "casalingo" ci sono due vie, uno prevede scintillatori e fotomoltiplicatori, l'altro dei tubi a luce fluorescente. Nonostante il tipo a scintillatori sia più affidabile, il costo dei fotomoltiplicatori è troppo alto per un utilizzo didattico, quindi la scelta è ricaduta sul modello a tubi, esiste anche una versione a camera di scintillazione con alcool isopropilico crio-raffreddato, ma è di scomodo utilizzo.

Il funzionamento del rivelatore a tubi è simile a quello di un contatore geiger o di un dosimetro, al passaggio di radiazione ionizzante (particelle) il gas contenuto in un ampolla viene ionizzato producendo una scarica elettrica, mentre in un dosimetro viene eseguito il conteggio delle scariche prodotte, qui otteniamo un effetto visivo con l'accensione delle lampade.

Il progetto è nato qualche anno fa' a scopi didattici al CERN, in rete si trova ancora qualche traccia, qui ne è riportato il principio di funzionamento:

Rivelatore di muoni schema

 

Devono essere posti almeno due tubi al neon uno sopra l'altro, poi si deve avvolgere della treccia di rame, due o tre giri ogni 10 cm circa di distanza, e si applica a questi un potenziale dai 600 ai 1000 Volt c.c. in questo modo abbiamo creato dei piccoli acceleratori di particelle in miniatura.

Quando un muone colpisce i tubi, l'interazione con le molecole gli fa perdere dell'energia che ionizza il gas all'interno e produce una scarica elettrica che è visibile attraverso il tubo.

La ionizzazione in un gas può essere provocata da temperatura elevata, radioattività, fotoni ad alta frequenza, elettroni ad alta energia, e raggi cosmici (muoni)

Poichè il muone è una particella pesante ed energetica, la 'garanzia' che sia stato un muone a ionizzare il gas è dovuta al fatto che la scarica si genera contemporaneamente in più di un tubo, scariche che vengono prodotte in un singolo tubo possono essere generate da elettroni (sempre cosmici secondari) o fenomeni di energia inferiore come la radioattività residua di origine terrestre, c'è anche da considerare che se il muone entra in direzione radiale non perpendicolare, attraverserà un solo tubo producendo una singola scarica.

Decadimento del muone

 

Prototipo I - costruzione:

Vediamo un' idea di realizzazione:
Ho trovato agevole utilizzare del cavo d'antenna di buona qualità per ricavare la treccia ed anche la strisciolina di alluminnio che è ottima per fare le armature per i campi elettrici dei nostri mini acceleratori.

cavo antenna "smontato"

Si realizza un supporto adatto ai tubi, in cartone o meglio in legno.

lavorazione supporto

Si applicano quindi con del biadesivo le strisciline di alluminio sui tubi.

Si avvolge la treccia di rame, stagnandola per renderla stabile.

rivelatore muoni

Si eseguono i collegamenti elettrici la prima deve essere a potenziale positivo, la seconda negativo la terza positivo e così via.

circuito moltiplicatore

Il potenziale ad alta tensione si ricava moltiplicando e raddrizzando la tensione di casa oppure se volete potete utilizzare i circuiti dei lampeggiatori delle macchine fotografiche usa e getta, questi forniscono circa 280V-315V . e collegandone in serie tre o quattro si arriva al nostro scopo, l'unico svantaggio, ma che può essere un vantaggio è che il funzionamento è possibile solo a batteria da 1,5V.

 

Rivelatore di muoni

Per ottenere un buon funzionamento e stabilità, è necessario curare la qualità dell'alimentazione, per aumentare l'affidabilità occorrono buone batterie di condensatori oppure un alimentatore appositamente costruito, ho trovato inoltre utile la possibilità di cambiare tensione di alimentazione per trovare quella più adatta alla propria realizzazione, in questo caso la tensione ottimale è tra i 900 e 1000V.

Le scariche si vedono solo al buio totale, nelle riprese, la sensibilità della videocamera è nettamente inferiore a quella dell'occhio umano quindi rende solo una vaga idea di come sia in realtà, per vedere meglio i video, aumentate la luminosità del vostro monitor.

In questo primo prototipo, all'inizio del video si vede quanto sia problematica la stabilità, alcuni tubi rimango sempre in scarica (illuminati) altri oscillano, mentre solo una parte funziona correttamente, fortunatamente sembra che esista una soglia in cui partendo dalla tensione più alta e diminuendo progressivamente, si trova il valore di tensione adeguato ed il sistema inizia a funzionare in modo corretto.
Nella videoclip infatti, più avanti (cambiando tensione), il sistema inizia a funzionare e si nota dunque più volte l'accensione contemporanea di due tubi, segnalando il passaggio dei muoni.

 

Prototype II

Muon detector II

particolare circuiti

Prototipo II

Questa versione con soli due tubi è molto più stabile, perchè alimentata con i circuiti dei flash che forniscono una tensione più livellata e costante, inoltre è stata curata la taratura dello strumento al fine di eliminare falsi segnali, la taratura consiste nel distanziare adeguatamente le armature, e/o nel regolare in modo fine il valore di tensione applicato. Nella parte finale del video le accensioni simultanee dei tubi sono ben evidenti.

 

 

 

Alta tensione dalle fotocamere monouso con flash

Schema di principio

Collegamento in serie

Recuperando delle fotocamere usa e getta (modello con lampeggiatore), anche già usate, da qualche fotografo, si può costruire un alimentatore ad alta tensione con valori multipli di 280 V, infatti collegando in serie i condensatori di questi circuiti, (vedi schemi di principio qui a fianco) si ottengono facilmente i valori di alta tensione che servono, per una distanza tra le armature di 10-12 cm servono mediamente 1200V quindi quattro di questi circuiti, ma si può provare anche con tre, accorciando la distanza degli "elettrodi".

L'alimentazione viene fornita dalle batterie da 1,5V che normalmente alimentano tali circuiti, quindi sulla schedina elettronica bisogna individurare il polo positivo e negativo di alimentazione della batteria e collegarli ad un porta batterie tipo AA oppure AAA che si trova dai rivenditori di materiale elettronico. Lo svantaggio è che i poli negativi e positivi di ogni scheda devono restare separati, non si possono collegare le masse in comune altrimenti non funziona. Occorre allora prevedere un interruttore per l'accensione a 4 vie separate, oppure semplicemente inserire e togliere le batterie all'occorrenza, facendo sempre molta attenzione poichè uno dei poli della batteria rimane collegato al condensatore ad alta tensione, ed anche a circuito spento mantengono la carica per diverso tempo, a tale proposito si consiglia di collegare una resistenza con valore tra 1 e 2 MOhm  in parallelo ai condensatori per accellerare la scarica da spenti.

FATE MOLTA ATTENZIONE A MANEGGIARE SIA I FLASH DELLE USA E GETTA SIA I CIRCUITI MOLTIPLICATORI DI TENSIONE, LE SCARICHE ELETTRICHE SONO MOLTO PERICOLOSE ANCHE AD APPARECCHIATURA SPENTA, LA BATTERIA NEI FLASH E' COLLEGATA AL CONDENSATORE AD ALTA TENSIONE, NON CI SI ASSUME ALCUNA RESPONSABILITA' IN CASO DI DANNI A COSE O PERSONE.  
 

Sorgenti radioattive come test

 

Dai test finora eseguiti con elementi radioattivi (radio 225-226-227) è emerso che la radioattività residua terrestre non può essere sufficiente a ionizzare i tubi, siamo infatti di fronte a livelli di energia completamente diversa, l'energia di un elettrone da decadimento beta è intorno ai 0,3-1,4 MeV, l'energia di un muone a livello del mare, prodotto a 20Km di altezza è minimo di 3,2 GeV(Astroparticles physic C. Grupen), più un fattore 1000!.

Limiti e problemi:

I limiti operativi riscontrati vengono di volta in volta inseriti qui:

  • Variazione della sensibilità: al variare della temperatura ambiente, in particolare con la diminuzione della temperatura durante dimostrazioni notturne, vi è un evidente progressiva diminuzione dei conteggi, è una proprietà della miscela dei gas e non c'è niente da fare, (a meno di riscaldare le lampade).
  • 'Esaurimento' delle lampade: dalle mie esperienze inoltre le lampade dopo qualche mese di funzionamento si "esauriscono" e vanno sostituite. Il sospetto che ho è che le molecole di mercurio si comportino come dipoli magnetici e rimangano polarizzati dal campo elettrico permanente e non tornando più allo stato neutro non permettano più la scarica elettrica, ma è solo una mia congettura, sta di fatto che appena si sostituisce la lampada tutto torna a funzionare.
  • Classe energetica?: da Marzo 2012 sono inspiegabilmente scomparse dal mercato alcuni tipi/marche di lampade, in particolare le Osram che erano le più indicate per questi rivelatori, con i nuovi tipi e/o altre marche è diventato estremamente complicato trovare il punto di lavoro di polarizzazione.
 

Prototipo III il telescopio-contatore

 

 

 

 

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