Misura di raggi cosmici

mediante contatori Geiger

Apparato sperimentale:

Due contatori Geiger

Sistema di acquisizione dati PASCO

Circuito logico OR

Circuito logico AND (di coincidenza)

Eventuali sorgenti radioattive

Un contatore Geiger è sensibile alla radiazione cosmica secondaria a livello del mare (elettroni e muoni), con efficienza prossima al 100%.

Un contatore di piccole dimensioni, quali quelli adoperati in laboratorio, hanno rate di conteggio per i cosmici di circa 0.3 Hz.

Attività sperimentale

1. Studio della distribuzione del numero di conteggi

Effettuando con un solo contatore Geiger una serie di misure di cosmici per brevi intervalli di tempo (ad es. 5-10 s) si può studiare la distribuzione delle misure e confrontarla con la distribuzione attesa di Poisson (per valori piccoli della media) o di Gauss (per valori più grandi)

Distribuzione di Poisson

Distribuzione di Gauss

Distribuzione delle ,misure ottenute con una sorgente di 60Co, confrontate con la distribuzione di Gauss

Il Geiger è sensibile indirettamente anche ai gamma, che producono elettroni nel materiale che circonda il contatore

2. Utilizzo di un circuito OR

Un circuito OR consente di mescolare due o più segnali, ottenendo un segnale all’uscita quando almeno un segnale è presente ad uno degli ingressi

Tavola di verità OR

In#1 In#2 OUT

0 0 0

1 0 1

0 1 1

1 1 1

Ingressi

OUT

Utilizzando un circuito OR e due contatori Geiger, effettuare delle misure di conteggi, verificando che il rate di conteggio misurato sia pari alla somma dei singoli rate dei contatori.

Misure di cosmici in coincidenza

Quando 2 rivelatori segnalano il passaggio di una particella simultaneamente (entro una certa finestra temporale), può trattarsi di un evento casuale o di un vero e proprio processo fisico.

Esempio di un evento vero di coincidenza: la stessa particella passa per entrambi i contatori

Esempio di una coincidenza casuale tra 2 particelle che attraversano i due contatori entro lo stesso intervallo temporale

Un circuito AND di coincidenza produce un segnale quando è presente un segnale ad entrambi gli ingressi.

Tavola di verità AND

In#1 In#2 OUT

0 0 0

1 0 0

0 1 0

1 1 1

IN#1

OUT

IN#2

Durata ~100 μs

Stima del rate di coincidenze casuali

3. Utilizzo di un circuito di coincidenza per misure di cosmici tramite contatori Geiger in configurazione telescopica

AND

Con i 2 rivelatori piazzati circa verticalmente l’uno sull’altro, si possono misurare i muoni cosmici che attraversano entrambi i contatori, definendo grossolanamente la direzione di provenienza.

La distanza relativa e le dimensioni dei contatori definiscono il cono angolare entro cui i muoni sono rivelati.

Distanze maggiori: migliore precisione, ma minor tasso di conteggio

Posizionando i 2 contatori ad un certo angolo rispetto alla verticale, si può misurare grossolanamente la distribuzione angolare dei muoni cosmici secondari, che segue una legge del tipo cos2 θ

Una misura dettagliata della distribuzione angolare dei cosmici, ottenuta con 2 contatori Geiger

4. Utilizzo di un circuito di coincidenza per misure di sciami atmosferici estesi (2 rivelatori sullo stesso piano orizzontale, ad una certa distanza relativa).

Riv.1 Riv.2

Queste misure sono molto lunghe, perché il tasso di coincidenze è molto basso, anche a distanze relative di pochi centimetri) e il numero di coincidenze vere è prossimo a quello delle coincidenze spurie (che vanno stimate e sottratte).

AND

Esempi di misure di coincidenza tra 2 rivelatori al variare della distanza relativa

Aspetti sperimentali:

Studio del fondo dovuto alle coincidenze casuali

Valutazione delle indeterminazioni geometriche

Indeterminazione angolare nella configurazione telescopica

Valutazione delle distanze effettive tra 2 contatori non puntiformi

Rif.: Physics Education 41(2006)204