Raggi Cosmici con spettrometro gamma

[lodovico]

Ciao,
alle alte energie gamma spesso ho notato un picco sconosciuto e mi sono convinto che si tratta della traccia lasciata dai muoni cosmici.

La rivelazione dei raggi cosmici può anche essere fatta con un normale spettrometro gamma con il classico scintillatore NaI(Tl), per ottenere buoni risultati è però necessario utilizzare un cristallo piuttosto grande e raccogliere i dati per un tempo lungo (12 – 24 ore). Noi abbiamo utilizzato un sensore gamma con cristallo 63×63 mm, posizionato in verticale ed alimentato a 750 V.

Le immagini sotto riportano lo spettro gamma di background dopo qualche ora di rilevazione. Si vede come dopo il picco a 2600 KeV del Tl 208 (dalla catena di decadimento del Torio) il numero dei conteggi va praticamente a zero per poi presentare un picco pronunciato a circa 5000 KeV. Questo picco corrisponde alla energia depositata dai muoni che interagiscono con lo scintillatore. Per un muone con percorso verticale la massima energia depositata dovrebbe valere in realtà circa 20 – 30 MeV, la risposta non lineare del cristallo sposta questo picco su energie molto inferiori.

Moun4.png

Sfruttando la funzionalità ROI di BecqMoni abbiamo fatto il conteggio relativo al picco muonico ottenendo un valore di 0,82 CPS – 49,2 CPM, come si vede nella figura sotto.

muon1.png

Dato un flusso normale di particelle pari a 0,01 particelle/s cm2 steradiante, il flusso di particelle che raggiungono il rivelatore (al livello del mare) dovrebbe avere il seguente valore :
Area utile del cristallo scintillatore = 31,2 cm2
31,2 cm2 x 0,01 particelle/s cm2 = 0,312 particelle/s = 18,7 cpm teorici

In realtà il valore misurato è superiore a quello atteso perché lo scintillatore viene raggiunto da particelle cosmiche anche attraverso i fianchi. Inoltre le misurazioni sono state fatte a quote superiori al livello del mare.

Per avere altri dati si potrebbe spostare lo spettrometro gamma a quote diverse e verificare come cambia il conteggio.
Che ne pensate ?

Lodovico

[lello98]

Bell'esperimento, molto interessante...peccato per cristallo richiesto!
Cicastol tu che hai un 3x3 potresti provare...

[cipndale]

???
Come fai a dire che quel pico e dovuto ai muoni?
Se e veramente reale come posizione e intensità la prima cosa a quale si può pensare e' una attivazione con neutroni del ossigeno atmosferico o altre cose che contengono ossigeno (tipo il suolo del luogo). Vedi la Fig. 2 del articolo a questo [External Link Removed for Guests] considerando un flusso di protoni di 100 p/min a 0.5-1 km di altezza vedi questo [External Link Removed for Guests]

P.S. utile anche questo articolo [External Link Removed for Guests]
P.S. 2 da vedere [External Link Removed for Guests] e anche [External Link Removed for Guests]

[lodovico]

L'attivazione neutronica mi lascia perplesso comunque do una occhiata ai link che segnali.
La rilevazione dei raggi cosmici (principalmente muoni) si fa spesso con cristalli scintillatori, di solito plastici, ma si possono usare anche cristalli tipo NaI, il conteggio corrisponde, l'energia invece non è significativa perchè i muoni sono comunque estremamente energetici e passano attraverso il cristallo cedendo sempre la stessa energia, in pratica dovrebbe essere da letteratura 5 MeV per centimetro per un totale di 20-30 MeV per un cristallo di 6 cm, poi la non linearità sposta il picco ad energie più basse.
Per avere la prova che si tratta di muoni si potrebbe fare la misura a quote diverse e vedere se il conteggio aumenta con la quota, oppure meglio fare delle prove di coincidenza con due rivelatori.
L

[cipndale]

Per muoni si fanno misure di coincidenza.

[cicastol]

Ciao Lodovico, dando una rapida occhiata sul web mi sembra ci sia qualcosa , il picco sui 5MeV sembra sia la GEE dei Neutroni da SCR, in teoria l'energia depositata dai muoni sul cristallo dovrebbe essere comunque maggiore, anche tenendo in considerazione la non linearità di risposta dovrebbe essere ben spostato più a dx IMHO.
Appena posso provo a lasciare per almeno 12h acceso lo spettrometro magari mettendo una soglia di 3MeV per tagliare fuori tutto quello che non è di origine cosmica per vedere cosa esce!

[External Link Removed for Guests]" onclick="window.open(this.href);return false;

[lodovico]

Ciao,
ho rifatto la misura , abbassando a 500V il PMT e rifacendo la calibrazione. Così facendo lo spettro viene più realistico :

muon500_2.png

[cicastol]

Complimenti, adesso si che ci siamo, quindi era proprio la compressione dello spettro alto sembrerebbe!