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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Il Telescopio rivelatore e contatore di muoni. english version

 

Muon telescope gallery

Introduzione:

Bisogna fare una doverosa premessa, i rivelatori descritti nella pagina precedente, vogliono essere degli apparecchi emozionali infatti, sono uno dei pochi metodi in grado di farci "vedere" particelle elementari altrimenti rilevabili solo strumentalmente, e sono quindi un grande veicolo per introdurre la materia delle astroparticelle cosmiche a qualsiasi livello di divulgazione.
Lo strumento qui descritto è la diretta evoluzione dei precedenti ed è in grado di contare i muoni ma non vuole certo avere la pretesa di essere uno strumento perfetto o estremamente preciso, se avete necessità di uno strumento di misura ci sono altre vie da seguire (e.g. AMD5). Quello che si è cercato e voluto fare è di mantenere l'aspetto visivo-emozionale abbinato al rilevamento strumentale e l'obbiettivo è stato raggiunto.

Premessa:

Questa realizzazione mantiene la caratteristica di essere riproducibile a basso costo, a differenza delle altre però il lavoro di esecuzione è davvero impegnativo quindi è consigliabile solo a chi ha esperienza di lavori manuali e conoscenze elettroniche di buon livello.

 

Alcune fasi della costruzione:


Progettazione dell'hardware

Muon detector
montaggio dei tubi fluorescenti.

 

Muon telescope

 

 

Principio di funzionamento:

Il cuore del sistema è composto da tre comuni tubi neon circolari divisi a 120°, in tre settori, uno specchio iperbolico raccoglie la luce delle lampade che viene riflesso dallo specchio secondario come in un normale telescopio newtoniano.
Il sensore quindi è composto di 9 rivelatori dipendenti a tre a tre, lo schema qui sotto ne spiega meglio il funzionamento:

Ciò che appare osservando nell'oculare è quello visibile nell'animazione, a differenza degli altri rivelatori in cui occorre il buio totale, questo è possibile osservarlo anche in luce ambiente (meglio comunque oscurare) in quanto i tubi sono racchiusi in una camera oscura.

Il cervello del rivelatore è stata una vera sfida tecnica ai confini tra fisica classica e fisica quantistica e quindi ancora più interessante.
Basti dire che l'impedenza dei frames è di qualche giga-Ohm e la corrente da rilevare è di poche centinaia di nano-ampere. Come ci insegna il microscopio di Heisenberg, ogni tentativo di misura influisce sull'esperimento facendogli cambiare comportamento e a volte smettendo di funzionare!
Alla fine è stato comunque trovato un sistema sicuro ed affidabile per il rilevamento numerico.

Quando un muone attraversa il rivelatore con un angolo non superiore ai 12°, tutti i tubi sono interessati e si accenderanno almeno tre settori, se l'angolo incidente è tra dodici e 27° si accenderanno i settori di due tubi adiacenti, per angoli di incidenza superiore un solo settore su un solo tubo sarà interessato, quindi illuminato.
Per il conteggio si considerano come 1 muone almeno l'accensione coincidente di due settori su due tubi adiacenti, (un settore per tubo) ma lo strumento può essere impostato per registrare qualsiasi impulso ricevuto su qualunque settore.

Un semplice contatore elettronico registra gli impulsi ed un uscita audio è collegabile ad un p.c. per il conteggio ed eventuali diagrammi temporali, esiste infatti un ottimo software dedicato ai contatori geiger e freeware che si adatta perfettamente anche a questo strumento. E' stata poi predisposta una seriale rs232 per un futuro sviluppo di un ipotetico software dedicato.

Tecnica:

Per l'alta tensione sono state trovate altre soluzioni low-cost, ad esempio gli alimentatori per lampade CCFL (ad es.nelle lampade a fluorescenza portatili o nei monitor lcd) o le racchette ammazza-zanzare con le opportune modifiche, alla fine però sono stati utilizzati ancora i circuiti per le lampade flash, per la caratteristica di essere estremamente stabili e più importante la tensione in uscita mantiene il valore costante indipendentemente dallo stato di carica delle batterie.

Tre sensibili fotodiodi prelevano la scarsa illuminazione che generano i lampeggi prodotti dai muoni attraverso un ingegnoso espediente, infatti il lampo che producono i neon è talmente debole che solo un costoso diodo a valanga o fotomoltiplicatore potrebbe percepire. Altri sistemi di misurazione si sono rilevati inefficaci o invasivi oppure fanno perdere il senso di rivelatore emozionale di cui si parlava.

scheda alloggiata

La logica del rivelatore è montata su una breadboard millefori ed inserita nella parte superiore del tubo del telescopio insieme al circuito ad alta tensione e alle batterie di alimentazione.

Muon detector
primi test del 'sensore'

Test e funzionamento:

Qui sotto test relativi al funzionamento del sensore del telescopio:

Video relative al funzionamento, il software registra gli eventi:


Il contatore dopo quasi un'ora di funzionamento del primo test.

Alla prima accensione, dopo un'ora esatta di misure lo strumento segnala 563 muoni su una superficie pari a circa 18cm2 col metodo coincidente, vuol dire muoni al 99%, perfettamente in media con quello misurato in qualunque parte del mondo, 'circa' a livello del mare (qui siamo a 390mt.).
Il software di conteggio ci da' una media di 540 cph.

AMD3 Astroparticle μ detector-counter ver. III

Technical data:
-Method: Ionizing gas
- Sensor: 3 Neon tubes with 3 frames
- HV=1272 V d.c.
- S□≈51 cm2
- Detection1: [μ] Coincident ≈27°max.(2 closer tubes any frames)
- Detection2: [A] Any (any tube any frame)
- Output: 2x audio signal - 1x rs232
- Power source: 4x 1,5V. AA - 1 x 9V. E/6LR61.

Il software utilizzato è il semplice quanto completo cdv counter scritto da David Honig, oltre a produrre registrazioni e grafici dei rilevamenti contiene un webserver, è quindi possibile collegarlo in rete e produrre rilevamenti in tempo reale disponibili sul web! Nell'area riservata sono in corso i primi test in tempo reale (per ora non sempre in funzione).


Impostazione "µ"


Impostazione "A"

Risultati:

Un limite del software è che essendo stato creato per uno specifico strumento, a seconda del valore di soglia impostato interpreta un singolo impulso come più impulsi, per questo bisogna ogni volta fare una taratura, negli esempi qui esposti i dati registrati sono stati reinterpretati dividendo per il fattore di correzione (8), quelli esposi nel grafico sono quelli corretti.

Set.
Graph.
Tot.
Report
Impostazione A (qualsiasi impulso) muoni 1ora A
Impostazione μ (impulsi coincidenti) Muoni 1 ora set MU

Da altri rilevamenti i valori si aggirano dai 900 (A) a 440(μ) in media, non c'è un reale motivo per ritenere che l'impostazione A non registri solamente muoni, tuttavia l'impostazione μ "filtra" per così dire segnali impuri, sicuramente però filtra anche i muoni con angoli di incidenza che interessano un solo sensore. Ritengo perciò che facendo una ulteriore media dei due valori non si otterrebbe un risultato lontano dalla realtà.

Media/h Impostazione "A" = 942

Media/h Impostazione "µ" = 440

Per altri reports accedere all'area riservata

 

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.

AMD4 contatore di muoni a tubi Geiger >>

 

 

 

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