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 cosmici 2.Principi fisici dei rivelatori Scintillatori Cerenkov 3.Elettronica Fotomoltiplicatore Moduli di acquisizione ADC 4.Software di acquisizione e raccolta dati 5.Analisi dati 6.Conclusioni

I 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 particelle Come 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

Scintillatori Sono 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 Piombo Sfrutta 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 Fotone finestra dinodi anodo alimentatore corrente in uscita elettrodo fotocatodo partitore PMT (PhotoMultiplier Tube) = Fotomoltiplicatore Il segnale è amplificato di un fattore ~10 6 di modo che sia misurabile.

Vetro al Pb Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Scintillatore 34 Scintillatore 36 Amplificatore × 10 Fan in / fan out Delay DiscriminatoreCoincidenza ADC Ch1 Ch2 Ch3 Ch ns ns ns ns Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Gate Soglia 50mV Catena di acquisizione dati Ch1 1200V Ch2 1255V Ch3 1300V Ch4 1450V Alimentatore Vetro al Pb 09926

Alimentatore Amplificatore Fan 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) ADC Out in1 in2 Gate

Software di acquisizione ADC 0ADC 1ADC 2 ADC 3ADC 4

Prima acquisizione Scintillatore 34 Vetro al piombo Vetro al piombo Scintillatore 36

Scintillatore 34 Risultati del primo run (run7) Vetro al piombo Vetro al piombo Scintillatore 36

Rivelatore HVσ Picco Piedistallo Picco meno piedistallo Scintillatore V 14.3± ± ±0.2 Scintillatore V 18.0± ± ±0.3 Vetro al piombo V 18.7± ± ±0.3 Vetro al piombo V 12.8± ± ±0.2 Run 7

Misura in funzione della distanza dal PMT 6 cm Run cm Run 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.