TELESCOPIO MUONICO

Hackaton 2024

G. Casanova, G. Contiero, A. Tresoldi

INDICE

I RAGGI COSMICI

OBIETTIVO

• L’obiettivo del progetto è stato di costruire un rivelatore di muoni per misurarne il flusso e la distribuzione angolare, sfruttando l'energia che depositano nella materia che attraversano.
• Si sono usati blocchi di plastiche scintillanti lette con rivelatori di luce al silicio, collegate con schede di tipo Arduino DUE + ArduSipm.
• Nel rilevatore tali scintillatori devono essere sovrapposti così da poter verificare coincidenze di segnali rilevati.

EVOLUZIONE DEL PROGETTO

PRIMI PASSI

• Inizialmente sono stati utilizzati gli scintillatori forniti dall’INFN, di dimensioni 6 cm x 6 cm, capendone e verificandone il funzionamento.
• Per farlo, sono stati collegati alle schede Arduino, opportunamente inizializzate con numero di serie e valore di tensione operativa.
• Tali schede presentano un programma apposito di acquisizione di conteggi e ADC per minuto.
• Nell’ottica, tuttavia, di implementare scintillatori di dimensioni e, dunque, di efficacia maggiori, si è deciso di attaccare gli ArduSipm all’oscilloscopio e leggerne il segnale in uscita.

OSCILLOSCOPIO: �MODALITÀ DI ACQUISIZIONE

• Le sonde dell’oscilloscopio sono state poste sulle uscite TTL delle schede Arduino: il segnale ricevuto è dunque un’onda quadra in corrispondenza di un conteggio.
• Sovrapposti gli scintillatori, si è posto il trigger sul canale collegato a quello soprastante e, in corrispondenza di esso, si sono fotografate le forme d’onda inviate dai rilevatori tramite l’acquisizione in remoto dell’oscilloscopio.
• Di queste, le coincidenze sono le onde quadre presenti nel canale non triggerato.
• Con questo metodo, tuttavia, non si ha alcuna informazione sull’intensità del segnale.

COSTRUZIONE SCINTILLATORI

• Attaccare il SiPM allo scintillatore (15x6x2 cm) tramite grasso ottico;
• Rivestimento in Teflon (fig.1);
• Schermatura dello scintillatore:
• Strato in carta d’alluminio (fig.2);
• Copertura con nastro nero isolante (fig.3).
• Collegamento alle schede Arduino.

Fig.1

Fig.2

Fig.3

PROTOTIPO DI TELESCOPIO:�UNO SCINTILLATORE GRANDE E DUE PICCOLI

• Si è utilizzato come trigger lo scintillatore più grande per verificare le coincidenze su due scintillatori piccoli.
• In questo caso, gli Arduino sono stati collegati all’uscita Scope, che restituisce un segnale di tensione proporzionale all’energia rilasciata dal passaggio rilevato.
• Si effettua così, tramite il trigger, una selezione dei segnali, distinguendo tra possibili cosmici e radiazione ambientale.
• Gli scintillatori più piccoli restituivano segnali però poco intensi e sporchi di rumori di intensità massima paragonabile a quella delle possibili coincidenze.

IL TELESCOPIO: �ASSETTO E ACQUISIZIONE DATI

• I due scintillatori così costruiti sono stati inseriti in scanalature create in una struttura di poliestere, affinché, ruotandola, fossero solidali tra di loro.
• Collegate le schede all’uscita scope, si è quindi variato l’angolo di inclinazione della struttura ed attivato l’acquisizione di dati su 500 forme d’onda triggerate sul primo canale.
• L’apertura angolare, lungo il verso di rotazione, era di 60°.

COINCIDENZE: �COME DISTINGUERLE?

La determinazione delle coincidenze avviene tramite 3 processi di selezione:

1. Trigger (132 mV) dell’oscilloscopio sullo scintillatore soprastante per tagliare i segnali meno intensi;
1. Sulle forme d’onda raccolte del restante canale:
2. Limite inferiore sull’area;
3. Range di presenza del massimo della curva.

Scintillatori

Trigger

Calcolatore

RISULTATI OTTENUTI

FLUSSO MUONICO:�CONFRONTO TRA SCINTILLATORI

T test: 1.53

DISTRIBUZIONE ANGOLARE

• A 30° gradi il rate è maggiore del valore sulla verticale che invece dovrebbe essere il massimo.
• Ciò è probabilmente dovuto all’apertura angolare del sistema (+/- 30°): a 30° dallo zenit si rilevano dunque anche i segnali relativi alla verticale.
• Inoltre lo spessore attraversato dai possibili muoni è maggiore e quindi più elevata è anche l’energia rilasciata dal plastico e l’intensità dei segnali ricevuti dall’oscilloscopio.

PROBLEMI RISCONTRATI �E POSSIBILI SOLUZIONI

• Metodi di conteggi diversi: TTL per scintillatori piccoli, Scope per quelli grandi. Il confronto sul flusso è quindi limitato in quanto con i primi non è possibile fare alcuna selezione sull’intensità del segnale ed affermare con maggiore sicurezza che esso sia imputabile al passaggio di una particella cosmica;
• Selezione coincidenze con uscita Scope: la soglia sull’area taglia segnali di intensità minori che visivamente invece riteniamo coincidenze. Al contempo, si è rilevato il metodo di distinzione migliore. Interpolando infatti le forme d’onda (sia con andamento esponenziale, sia esponenziale + retta), l’algoritmo eseguiva con successo fit anche su segnali che erano decisamente rumori;
• Malfunzionamento finale di uno degli scintillatori;
• Limitata selettività del telescopio: l’apertura angolare del telescopio è elevata. Per ridurla si sarebbero dovuti distanziare gli scintillatori, a discapito di un decremento nel numero di coincidenze rilevate.

IN UN FUTURO…