Un kit per esperienze didattiche sui raggi cosmici

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1 Un kit per esperienze didattiche sui raggi cosmici Mauro Fiorini INAF IASF Milano Catania, Dipartimento di Fisica e Astronomia

2 Sommario 1) I raggi cosmici e alcuni esperimenti storici 2) Esempi di rivelatori didattici per raggi cosmici 3) Tirocinio di giugno-luglio ) Kit rivelatore 5) Distribuzione nelle scuole 6) Possibili sviluppi

3 Raggi cosmici Particelle di alta energia ( ev) di origine solare, galattica ed extragalattica che impattano sull atmosfera Raggi cosmici primari (esternamente all atmosfera): principalmente nuclei di atomi leggeri (90% protoni, 9% nuclei elio) + 1% elettroni Interazione dei raggi cosmici primari con atomi/molecole dell atmosfera creazione di una cascata (sciame) di altre particelle raggi cosmici secondari Raggi cosmici secondari: neutroni, pioni e kaoni alcuni decadono in muoni che arrivano fino alla superficie della terra e sono facilmente rilevabili Un rivelatore di raggi cosmici sul suolo è sostanzialmente un rivelatore di muoni

4 Esperimenti del passato sui raggi cosmici Variazione dei conteggi con la quota Hess (1912) 9000 metri! Hess (1912) Kolhörster (1913-4) Effetto Est-Ovest Bruno Rossi teorizzò l effetto Est-Ovest nel Sarà costretto a lasciare l Italia nel 1938 per le leggi razziali. Physical Review, V. 36, 1930, p. 606 Telescopio a due tubi GM per misure dell effetto EstOvest, effettuate da Rossi ad Asmara (Eritrea) nel Nella stessa occasione Rossi scoprì anche l esistenza degli sciami. Physical Review, V. 45, 1934, p. 212

5 Esempi di rivelatori didattici per raggi cosmici AMD5 e AMD11 Realizzati all interno del progetto ADA (Astroparticle Detectors Array) per un osservatorio di raggi cosmici distribuito a livello nazionale usa tubi Geiger-Muller ArduSIPM Una scheda (shield) realizzata dall INFN da connettere ad una scheda Arduino DUE con apposito firmware, venduto online da Robot Domestici per 547 euro (+IVA) The FermilabDetector Utilizza scintillatori e fotomoltiplicatori (semi-professionale) Maggiori dettagli sul sito

6 Rivelatore di raggi cosmici Non si vuole reinventare la ruota Caratteristiche del kit: Semplice da costruire kit con scheda e componenti da montare e saldare, oppure scheda già montata e funzionante Facilmente trasportabile alimentabile anche a batterie Facilmente interfacciabile con: oarduino UNO semplice data loggercon registrazione dati su scheda SD, eventualmente alimentabile a batterie oraspberryoppure Arduino YUN schede SBC dotate di sistema operativo Linux, consentono connessione in rete e programmazione in Python opc via USB connessione a qualsiasi computer Windows per la registrazione dati e la connessione via rete Basso costo!

7 Tubi Geiger-Muller Basso costo Utilizzo di rivelatori semplici rispetto a sistemi basati su scintillatori letti da fotomoltiplicatori classici o al silicio (SiPM) tubi Geiger-Muller(GM), inventati nel 1908 (110 anni fa!) Tubi GM Pros: Facili da utilizzare Pronti all uso Basso costo Resistenti Tubi GM Cons: Necessitano di alimentazione ad alta tensione ( V) Non hanno risoluzione energetica Pixel grande Due tubi SBM-20 russi/ucraini (СБМ-20) 22 euro

8 Tirocinio nel 2018 Giugno-Luglio 2018: richiesta di tirocinio con studente Marcello Pareschidel liceo scientifico (12 ore) realizzazione di un semplice circuito per la rilevazione dei muoni con Arduino Lo studente ha imparato alcuni concetti sui raggi cosmici e la rilevazione delle particelle, oltre a semplici nozioni di elettronica utili per la realizzazione della scheda GM2 Rivelatore di radioattività utilizzando un solo tubo GM e sorgente di Cesio 137 GM2 schermato GM1 GM1 Rivelatore di raggi cosmici mettendo in coincidenza i segnali dei tubi GM Generatore di alta tensione (5V 400V) Circuito di coincidenza Coincidenza GM2 GM1

9 Kit rivelatore + 1) Possibilità di realizzare un progetto totalmente opensource, distribuendo oltre al kit anche gli schemi elettrici e il layout delle schede realizzate con CAD open source(per esempio KiCAD). 2) Occorre un minimo di software distribuito insieme alla scheda per interfacciarsi con Arduino o Raspberry o PC (a scelta della scuola). 3) La costruzione del kit non comporta particolari problemi, se non che si utilizzano tensioni relativamente alte (circa 400 Volt) per il tubo GM occorre un disclaimer sull'uso inappropriato del kit, che solleva INAF da responsabilità su danni a cose e/o persone 4) Potrebbe essere necessario un help-desk per aiutare le scuole in caso di problemi 5) Ilcostodellaschedaelettronica(minima)coniduetubi GM e l alimentazione di alta tensione + elettronica: circa euro 6) Nulla vieta di realizzare una scheda con un micro già abordo,mainquestocasoicostiaumentanoesiperde in flessibilità d uso Arduino 21 (originale) 5 (clonicinesi) Raspberry 36 Interfaccia USB e computer

10 Distribuzione del kit alle scuole Per la distribuzione del kit si possono prevedere due possibilità: 1) vendita del kit già montato: o Realizzazione a priori di un certo numero di schede da una ditta che realizza e monta PCB e poi spedirle direttamente dall INAF a richiesta disponibilità praticamente immediata per i primi pezzi o Appoggiarsi ad un rivenditore come Futura Elettronica, Flerodo, etc. ma in questo caso i costi aumenterebbero 2) vendita del kit da montare con tutte le parti separate; in questo caso la disponibilità può essere immediata (scheda + componenti + istruzioni di montaggio e uso già pronti per la spedizione). Per quanto riguarda il costo del kit le possibilità potrebbero essere: 1) Distribuzione gratuita a chi lo richiede (magari con le sole spese di spedizione a carico della scuola). 2) Contributo parziale sul costo totale 3) Pagamento delle spese a carico totale della scheda

11 Possibili sviluppi Si possono prevedere tre passi per la realizzazione del progetto, almeno per quanto riguarda l hardware e un semplice software per Arduino/Raspberry(con l aiuto di Michela Uslenghi): 1) Novembre-febbraio2018: realizzazione di un prototipo hardware/software del kit, per effettuare dei test in laboratorio sull'acquisizione dei dati si ricava una prima versione del kit realizzata con scheda professionale. 2) Marzo-Aprile 2019: montaggio e gestione del kit all'interno di un periodo di Alternanza Scuola Lavoro con due studenti liceali, per una durata di 1-2 settimane (40-80 ore) si evidenziano pregi e difetti del kit per il montaggio e l uso del materiale da parte di studenti delle superiori supportati da un insegnante si può prevedere l'uso della registrazione e dell analisi dei dati sia con Arduino che con Raspberry. 2) Fine 2019: sulla base dell esperienza fatta con il punto 2) realizzazione del kit finale con produzione delle schede e acquisto dei componenti per un numero TBD di kit. Nel caso della realizzazione di una rete di rivelatori con la possibilità di visualizzare i risultati via internet, sarebbero necessarie altre persone per lo sviluppo e la gestione del software

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