Torgnon (AO) 4-6 aprile 16 7-9 aprile 16 Tavolo 7 RAGGI COSMICI Materiali a cura di: Ciro Marino Paolo Tamagno Simona Tesi Giuseppina Rinaudo Luca Torchio Andrea Chiavassa
RAGGI COSMICI Indice Premessa: la radioattività naturale e la radiazione cosmica 1. Esperimento 1, parte A: la radioattività naturale esaminata con il contatore Geiger 2. Esperimento 1, parte B: la radioattività naturale esaminata con il contatore GAMMA-SCOUT 3. Esperimento 2, parte A: la radioattività naturale esaminata con lo scintillatoreiger 4. Esperimento 2, parte B: la componente cosmica della radioattività naturale 5. Esperimento 2, parte C: alcune caratteristiche della radiazione cosmica Torgnon 16
Premessa Che cosa è la radiazione cosmica? Tutti noi conosciamo bene la radiazione visibile che ci giunge da quelle zone del cosmo che possiamo vedere proprio perché riveliamo la radiazione con lo strumento che tutti noi possediamo, i nostri occhi: la luce del Sole, delle stelle, dei pianeti, della luna, ecc. Ma dal cosmo giungono sulla Terra molte altre radiazioni che non vediamo: alcune sono radiazioni elettromagnetiche, quindi dello stesso tipo della luce, ma non sono visibili perché hanno lunghezze d onda che il nostro occhio non rivela, altre sono invece delle particelle microscopiche dotate di una massa estremamente piccola che hanno altissima energia perché sono state prodotte in interazioni di alta energia che avvengono nelle stelle oppure accelerate da quegli enormi acceleratori che sono i campi magnetici presenti nel cosmo. Grazie alla loro alta energia, attraversando la materia queste radiazioni sono in grado di ionizzare gli atomi, strappando gli elettroni al legame elettrostatico esercitato dalle cariche elettriche positive dei nuclei: questo è il motivo per cui vengono chiamate radiazioni ionizzanti. Ci sono anche radiazioni ionizzanti che non provengono dal cosmo ma dalla radioattività presente sulla Terra a causa degli isotopi instabili dei nuclei instabili che decadono nel tempo secondo leggi ben note emettendo appunto radiazioni ionizzanti. La radiazione cosmica e quella dovuta ai nuclei instabili formano la radioattività naturale. Nella scheda A di approfondimento trovi maggiori informazioni sulle due componenti della radioattività naturale, quella cosmica e quella terrestre. Ci sono molti modi di rivelare la radiazione ionizzante: negli esperimenti di questo tavolo la esploreremo attraverso due diversi tipi di rivelatore: - rivelatori geiger : raccolgono gli elettroni prodotti nella ionizzazione del gas contenuto in un piccolo tubo, che vengono moltiplicati attraverso urti a valanga e inviati a opportuni elettrodi producendo una piccolissima corrente che poi viene amplificata; il numero di urti può così essere contato e visualizzato (per approfondimenti si veda la scheda B). - rivelatori a scintillazione, collegati, attraverso una fibra ottica, a un fotomoltiplicatore a semiconduttore. Il principio di funzionamento di questi rivelatori è basato sulla raccolta della luce emessa dagli atomi che rimangono in uno stato eccitato quando sono colpiti dalla radiazione primaria che li ha ionizzati oppure dagli elettroni liberati con alta energia nel processo di ionizzazione e si diseccitano per ritornare allo stato fondamentale riemettendo l energia sotto forma di luce a lunghezze d onda particolari: questa luce viene convogliata attraverso una guida di luce e focalizzata su un dispositivo elettronico (il fotomoltiplicatore a semiconduttore) che utilizza la sua energia per generare un segnale elettrico che può essere elaborato in modo simile a quanto avviene per il geiger (per approfondire il fenomeno della scintillazione e il meccanismo di raccolta del segnale si veda la scheda C). Il lavoro del tavolo si articola in due esperimenti associati ai due tipi di rivelatore, che permettono di indagare in modo diverso le caratteristiche delle radiazioni ionizzanti e separare la componente cosmica da quella terrestre: 1
1) Misure ed esperimenti con rivelatori geiger. Verranno eseguiti due tipi di esperimenti: Parte A: si usano semplici contatori che utilizzano un piccolo tubo geiger in cui l energia depositata dalla radiazione ionizzante, come spiegato nella scheda B, viene raccolta e, attraverso una opportuna scheda elettronica, viene amplificata e digitalizzata permettendo così di contare il numero di particelle ionizzanti che colpiscono il rivelatore. I conteggi possono essere rilevati in diverse posizioni o in presenza di sorgenti debolmente radioattive e si possono confrontare i conteggi rilevati in situazioni diverse per studiare le variazioni della radioattività naturale; Parte B: si usa il rivelatore GAMMA-SCOUT che fornisce la misura dell attività media in unità dosimetriche permettendo così di prendere famigliarità con le unità di misura dosimetriche, cioè le unità di misura della radiazione ionizzante (per approfondimenti si veda la scheda D) 2) Misure ed esperimenti con scintillatori. Con gli scintillatori si possono costruire dei rivelatori più flessibili e più potenti di quelli basati sui geiger perché nello scintillatore l energia elettrica prodotta dalle radiazioni ionizzanti viene trasformata in energia luminosa che può essere raccolta in modo molto efficiente e, con i moderni dispositivi optoelettronici, trasformata in un segnale elettrico. Caratteristica importante è che, nella trasformazione dell energia della radiazione in energia luminosa si mantiene la proporzionalità diretta e tale proporzionalità viene mantenuta anche fra l ampiezza del segnale elettrico prodotto e l energia luminosa per cui, alla fine della trasformazione, l ampiezza del segnale elettrico è proporzionale all energia della radiazione ionizzante che ha colpito il rivelatore. Lo scintillatore ha anche altri vantaggi: - può coprire una superficie estesa, permettendo così di raccogliere un numero elevato di particelle ionizzanti in tempi brevi, - si possono disporre due scintillatori in geometrie diverse uno rispetto all altro e rivelare passaggi in coincidenza fra gli scintillatori, dovuti a particelle che hanno una energia elevata in grado di attraversarli entrambi: questa caratteristica permette di distinguere la radiazione cosmica, che è più energetica, dal resto della radioattività naturale. Le misure sono organizzate in tre parti: Parte A: si usa un solo scintillatore. Vengono eseguiti prima conteggi rilevati in diverse posizioni o in presenza di sorgenti debolmente radioattive confrontando i conteggi rilevati in situazioni diverse per studiare le variazioni della radioattività naturale, in modo simile a quanto fatto nella parte A dell esperimento 1. Si passa poi a esaminare sull oscillografo il segnale elettrico analogico la cui ampiezza, come spiegato sopra, è proporzionale all energia della particella ionizzante. Parte B: si usano due scintillatori in coincidenza. Vengono esaminati sia i conteggi dei singoli contatori che quelli delle coincidenze per capire la frazione di particelle di alta energia presenti nella radiazione che, come detto sopra, rappresenta la radiazione cosmica. I segnali vengono anche osservati sull oscillografo per verificarne la coincidenza temporale e quindi siano dovuti a alla stessa particella ionizzante che, viaggiando alla velocità della luce, ha attraversato i due scintillatori in tempi molto vicini. Parte C: si usa la scatola con i due scintillatori disponendola con orientazioni diverse rispetto alla verticale e ai punti cardinali (EST-OVEST) e ad altezze diverse nella casa per studiare la distribuzione spaziale della radiazione e il suo assorbimento nella materia. 2
Esperimento 1, parte A: la radioattività naturale esaminata con il contatore geiger Scopo dell esperimento - Misurare la radiazione di fondo in zone diverse, o in presenza di materiali radioattivamente sospetti - esprimerla in becquerel, valutare l incertezza di misura, - confrontare le misure fra di loro e valutare se le differenze sono statisticamente significative Osservazioni e misure 1. Come usare il contatore Geiger a) Osservare attentamente il rivelatore. Aiutandosi con le figure, individuare - la finestra di lettura: riporta il numero di conteggi. Per scegliere le unità, in cui si vuole che i conteggi siano espressi, occorre usare il bottone di selezione : la modalità da utilizzare è quella di conteggi totali, TOT, come in figura; - la levetta di posizione: in posizione OFF il rivelatore è spento e i conteggi vengono azzerati; per avviare i conteggi portarla in posizione 2 e far partire contemporaneamente il contasecondi; - il bottone di selezione: pigiando il bottone, si attivano le varie unità in cui esprimere i conteggi; premere più volte finché nella finestra di lettura compare la modalità TOT, come in figura; - la finestra di ingresso: la parte sensibile del rivelatore è posta dietro questa finestra. b) Per eseguire la misura, collocare il contatore in un posto preciso e non muoverlo per tutta la durata della misura. Per avviare la registrazione dei conteggi, spostare la levetta di posizione sul 2 e contemporaneamente far partire il contasecondi. Pigiare poi il bottone di selezione fino a quando nella finestra di lettura compare la modalità TOT. Si consiglia di lasciar andare avanti i conteggi per una decina di minuti. rivelatore visto dall alto rivelatore visto dal lato frontale bottone di selezione indicatore di posizione conteggi totali finestra d ingresso 3
2. Conteggi: unità di misura e incertezza a) L unità di misura dell attività è il bequerel (simbolo Bq), che è il numero di conteggi per secondo. Per calcolare l attività occorre quindi dividere il numero di conteggi effettuati per la durata dell intervallo di tempo espressa in secondi. Se, ad esempio, contando per 5 minuti si sono registrati 95 conteggi, i conteggi medi in 1s sono 95/0=0,32: questo valore è una misura dell attività. Come si vede, il numero medio di conteggi e quindi anche l attività non è in generale un numero intero: infatti non rappresenta un numero effettivamente registrato dal rivelatore (che può essere solo intero!), ma un numero ottenuto facendo la media sui conteggi registrati in molti secondi (in questo esempio i secondi di registrazione sono 0). b) L incertezza sul numero di conteggi è data dalla radice quadrata del numero stesso. Ad esempio, se si sono registrati 164 conteggi, l incertezza è pari a 164 =12,8, che si può arrotondare a 13. Il numero N di conteggi si esprime perciò come: N = 164 ± 13 c) Come propagare l incertezza. Supponete di aver ottenuto il conteggio N sopra riportato misurando per 9 minuti. Se volete calcolare il conteggio medio N 1s in un intervallo di tempo di un secondo, dovete dividere N 9m per 9*60=5. Quanto varrà l incertezza su N 1s? E semplice: basterà dividere anche l incertezza per 5. Ricordate di arrotondare il valore del risultato usando un po di buon senso! 3. Misura della radiazione di fondo in due diversi posti Per ogni posizione - descrivere brevemente la locazione - registrare l intervallo di tempo, il numero di conteggi con relativa incertezza statistica, - calcolare l attività in Bq con relativa incertezza Confronto fra le misure fatte nelle due posizioni - trovare un criterio che permetta di stabilire se la differenza fra i conteggi fatti nelle due diverse posizioni è significativa, - suggerire altre prove che converrebbe fare per essere più sicuri circa le conclusioni tratte in base al criterio sopra descritto. 4. Misura dell attività di un campione di materiale da esaminare a) Disporre il rivelatore con la finestra di ingresso vicino al campione da esaminare e avviare il conteggio. Lasciar andare avanti il conteggio per una decina di minuti badando a non spostare né il rivelatore né il campione. Mentre il conteggio prosegue, registrare anche, ogni secondi, tutti i valori intermedi utilizzando la tabella predisposta per l attività 5, in modo da poter riutilizzare i dati per l analisi temporale proposta in quella attività. Alla fine calcolare l attività totale registrata, che è la somma dell attività del campione più quella ambientale dovuta alla radiazione di fondo. Per ottenere la sola attività del campione, occorre sottrarre il valore di quest ultima, usando il valore determinato nelle misure precedenti (fare la media dei due valori). campione di sabbia conteggi totali b) Ripetere la misura e i calcoli dopo aver allontanato il rivelatore di una ventina di centimetri dal campione. c) Confronto fra le due misure - trovare un criterio che permetta di stabilire se la differenza fra i conteggi fatti nelle due diverse posizioni è significativa. 4
5. Misura della distribuzione temporale e statistica di Poisson Minuti s Conteggi totali ogni s 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 Per misurare la distribuzione temporale degli eventi occorre registrare quanti conteggi si verificano in un dato intervallo di tempo. L intervallo che si suggerisce è di secondi. Per acquisire i dati, basta registrare i conteggi totali a intervalli di s come predisposto nella tabella a fianco leggendoli al volo mentre il conteggio prosegue. Nella colonna accanto si calcolano poi le differenze fra i conteggi registrati in intervalli successivi. Per costruire la distribuzione, utilizzare la tabella sottostante nel seguente modo: se, ad esempio, nel primo intervallo di s si sono registrati 3 conteggi, segnare un x nella prima casella libera, partendo dal basso, della colonna che corrisponde al 3, se nell intervallo successivo si sono verificati 2 conteggi, segnare x nella cella sopra il 2, e così via. In questo modo alla fine si otterrà la distribuzione delle frequenze. Il conto può anche essere impostato direttamente sul foglio excel del file poisson. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5
Esperimento 1, parte B: la radioattività naturale con il rivelatore GAMMA-SCOUT Scopo dell esperimento Simile a quello della parte A: cambia il rivelatore, che è più flessibile e può misurare, oltre ai conteggi singoli o accumulati nel tempo, il valore della radiazione mediato su un tempo prefissato ed espresso in micro sivert/ora (μsv/h, si veda la scheda in fondo al documento per le unità di misura dosimetriche) Osservazioni e misure 1. Come usare il contatore Geiger finestra di ingresso selezionatore a) Osservare il rivelatore. Aiutandosi con la foto, individuare - il selezionatore: posto al centro misura unicamente la radiazione γ che è la più penetrante, spostandolo verso destra accetta anche la radiazione α e β perché si sposta lo schermo posto sulla finestra di ingresso che blocca le radiazioni meno penetranti (il piccolo tubo geiger è posto subito dietro la finestra); - il display che mostra i valori misurati e le unità di misura; - per scegliere l unità di misura standard (μsv/h), in cui si vuole che i conteggi siano espressi, premere il bottone giallo in basso; - per scegliere di misurare i conteggi, premere il bottone nero centrale con il simbolo : verrà mostrato il numero di conteggi accumulato nel tempo; premendo nuovamente il bottone il conteggio si ferma; - il bottone centrale, Bq, dà i conteggi medi per secondo (che sono appunto i Bq) mediati su un minuto. b) Per eseguire la misura, collocare il contatore in un posto preciso e non muoverlo per tutta la durata della misura. Si può registrare il valor medio della radiazione in μsv/h, oppure i conteggi integrati su un tempo prefissato (da misurare separatamente con il cronometro) in modo simile a quanto fatto nella parte A. c) Si suggerisce anche di ripetere le misure di radiazione in posti diversi e confrontarle fra di loro e la misura in presenza della sorgente debolmente radioattiva come fatto nella parte A. per selezionare la misura in conteggi per selezionare la misura in (μsv/h) 6
Esperimento 2, parte A: la radioattività naturale esaminata con lo scintillatore Scopo dell esperimento - Misurare la radiazione di fondo in zone diverse, o in presenza di materiali radioattivamente sospetti - esprimerla in becquerel, valutare l incertezza di misura, - confrontare le misure fra di loro e valutare se le differenze sono statisticamente significative, - esaminare sull oscillografo il segnale analogico prodotto dalle trasformazioni dell energia della radiazione che avvengono nello scintillatore e nella scheda elettronica Osservazioni e misure Lo scintillatore e la catena di rivelazione uscita digitale scintillatore scheda elettronica SiPM SiPM uscita analogica Il rivelatore è formato da una lastra di scintillatore di 15 x 15 cm 2. La luce prodotta dal passaggio di una particella ionizzante è convogliata attraverso una fibra ottica verso un silicon PM che è un dispositivo a semiconduttore alloggiato sotto la cornice dello scintillatore. Il SiPM converte l energia luminosa in un segnale elettrico, cioè in un impulso di tensione elettrica di brevissima durata (per maggiori dettagli si veda la scheda di approfondimento C), che viene inviato alla scheda elettronica visibile sulla faccia superiore a lato dello scintillatore dove viene amplificato, mantenendo la proporzionalità fra l altezza del segnale uscente e quella del segnale entrante. Dalla scheda, il segnale viene inviato lungo due strade: - da un lato viene portato direttamente a un connettore presente sul pannello frontale (uscita analogica A), collegato tramite un cavo coassiale all oscillografo, - dall altro, con un componente elettronico che funziona da comparatore, viene confrontato con una soglia impostata sul comparatore (circa 0 mv) e, se il segnale ha un altezza superiore alla soglia, viene inviato a un componente elettronico che lo trasforma in un segnale digitale. Il segnale digitale è presente sul pannello frontale (uscita digitale D). Attraverso un cavo, che contiene anche i fili per alimentare l elettronica della scheda, il segnale digitale viene portato alla scatola di conteggio, che contiene tutta la logica digitale per far partire i conteggi dei segnali dei singoli scintillatori (pulsante di start ), arrestare il conteggio (pulsante di stop ) o azzerarlo ( reset ): i conteggi possono essere fatti contemporaneamente su due rivelatori separati. 7
Il dato in basso sulla scatola di conteggio è l intervallo di tempo della registrazione misurato in secondi. Il terzo conteggio partendo dall alto riguarda le coincidenze temporali fra i due rivelatori di cui si parlerà in dettaglio nella parte B dell esperimento. Che cosa fare 1. Esaminare come funziona la catena elettronica che permette di convertire il segnale lasciato nello scintillatore dal passaggio della particella ionizzante; riconoscere e individuare i diversi elementi: lo scintillatore, l elettronica associata allo scintillatore, i cavi che portano i segnali alla scatola di conteggio e all oscillografo. 2. Conteggi. Posizionare uno scintillatore sul tavolo e non muoverlo per tutta la misura. - Far partire i conteggi e fermarli dopo un intervallo di tempo fissato (almeno s). Calcolare il conteggio per secondo (becquerel) e la relativa incertezza statistica come fatto nella parte A dell esperimento 1 (notare che i conteggi per secondo dello scintillatore sono molto maggiori di quelli del geiger a causa delle maggiori dimensioni del rivelatore). - Ripetere la misura e discutere la ripetibilità entro le fluttuazioni statistiche. - Mettere il campione di roccia debolmente radioattiva sopra lo scintillatore, eseguire i conteggi e determinare la differenza netta di conteggio dovuta alla roccia. - Capovolgere lo scintillatore, appoggiare sopra la roccia, ripetere misure e calcoli fatti per l altra posizione relativa della roccia, confrontare le due misure e, se la differenza è significativa, discutere il motivo della differenza. - Ripetere le misure, interamente o in parte, con l altro scintillatore. 3. Segnale analogico. Osservare sull oscillografo il segnale analogico prodotto dall energia depositata dalla particella. livello di soglia del trigger regolatore della soglia del trigger scala ordinate (mv/quadretto) canale 1 scala ascisse (ns/quadretto) canale 2 In particolare - esaminare l altezza tipica dei segnali (la scala in mv si legge nella scritta sotto la videata) e osservare la diversità fra i diversi segnali, dovuta alla diversa energia depositata al passaggio della particella: la maggior parte dei segnali ha un altezza molto bassa, sotto i 0 mv circa, pochi segnali hanno altezza maggiore; - operando sul livello di trigger (pomello nell ultima colonna a destra del pannello) si può variare la soglia che seleziona l altezza minima del segnale visualizzato: alzare la soglia fino a quando il numero di segnali che si vedono contemporaneamente sullo schermo è vicino al 8
numero medio di conteggi al secondo misurato nella prova 2 (l oscillografo è infatti stato impostato chiedendo un tempo di permanenza di 1 secondo); - esaminare infine la durata del segnale (scala in nanosecondi - ns nella scritta sotto la videata): la larghezza temporale del segnale non corrisponde ovviamente alla durata del passaggio della particella ionizzante attraverso lo scintillatore (che è molto minore, perché la particella, viaggiando a velocità prossime alla velocità della luce, attraversa lo spessore dello scintillatore in una frazione di nanosecondo) e neppure alle fluttuazioni nel tempo di propagazione lungo la fibra ottica, ma è il tempo impiegato dai componenti elettronici per ritornare allo stato iniziale dopo l eccitazione dovuta all energia portata dal segnale luminoso. 9
Esperimento 2, parte B: la componente cosmica della radioattività naturale Scopo dell esperimento Misurare il numero di passaggi in coincidenza attraverso due scintillatori piani messi parallelamente a una distanza variabile. Osservazioni e misure La cosmic box e la catena di rivelazione Come spiegato sopra, la scheda elettronica presente nella scatola dei conteggi è in grado non solo di contare i segnali digitali provenienti dai due scintillatori in un certo intervallo di tempo, ma anche di metterli in coincidenza, cioè controllare se, in uno stretto intervallo temporale Δt, arrivano contemporaneamente i segnali dai due scintillatori, che è indice del passaggio di una particella ionizzante attraverso entrambi gli scintillatori. L intervallo Δt è scelto in modo tale da essere abbastanza lungo perché entrambi i segnali digitali possano formarsi, ma sufficientemente corto da evitare coincidenze casuali dovute a due diverse particelle che casualmente si trovano a passare nello stesso intervallo di tempo attraverso i due scintillatori. Che cosa fare 1. Coincidenze casuali Porre i due rivelatori sul tavolo, uno accanto all altro, - usando lo stesso intervallo di tempo scelto per le misure della parte A dell esperimento, registrare i conteggi singoli e le coincidenze e calcolare le relative incertezze, - ripetere le misure e controllare che siano compatibili con le misure precedenti entro le incertezze statistiche, - calcolare il numero di coincidenze casuali atteso sapendo che l intervallo di tempo Δt entro il quale l elettronica accetta la coincidenza è pari a 0 ns. 2. Coincidenze dovute alla radiazione cosmica Porre i due rivelatori uno sotto l altro nella cosmic box come nella foto: - registrare i conteggi singoli e le coincidenze e calcolare le relative incertezze, - ripetere le misure e controllare che siano compatibili con le misure precedenti entro le incertezze statistiche, - scambiare i due contatori e ripetere le misure: esaminare e discutere le variazioni, - porre la roccia debolmente radioattiva sopra lo scintillatore che sta in alto, registrare le misure dei conteggi singoli e delle coincidenze e discutere le variazioni. La conclusione che si trae è che le coincidenze sono dovute alla componente di alta energia della radiazione che riesce ad attraversare entrambi gli scintillatori e che proviene dallo spazio. 3. Angolo solido sotteso dai due scintillatori La coincidenza fra i segnali dei due scintillatori può avvenire solo se la particella incide a un angolo α sufficientemente grande rispetto alla direzione orizzontale. Poiché tanα d/l (dove d è la distanza fra i due scintillatori ed l è la dimensione lineare che è dell ordine di 15 cm) variare la distanza fra i due scintillatori, continuando a mantenerli impilati nella cosmic box, e misurare il numero di coincidenze. d l α
Esperimento 2, parte C: alcune caratteristiche della radiazione cosmica Scopo dell esperimento Studiare la distribuzione spaziale della radiazione cosmica e il suo assorbimento nella materia. Osservazioni e misure 1. Conteggio delle coincidenze in funzione dell angolo di orientazione Misurare le coincidenze inclinando (con precauzione) di circa la cosmic box nella direzione NORD/SUD e poi EST/OVEST. Registrare i dati e discutere le differenze trovate. 2. Conteggio delle coincidenze a diverse profondità Misurare le coincidenze portando la cosmic box a diversi piani della casa, posizionandola sempre verticalmente. Registrare i dati e discutere le differenze trovate. Mettendo insieme tutti i dati registrati, costruire un grafico di attenuazione del flusso di particelle in funzione della profondità e ricavate l effetto medio di schermo del singolo piano della casa. Eseguire anche qualche misura all aperto. 11