Учебный эксперимент: Вертикальный поток мюонов на горизонтальном детекторе

Комплект оборудования:

Цель эксперимента:

Измерение вертикального потока мюонов с использованием пластиковой сцинтилляционной плитки. Оценка эффективности регистрации системы путём сравнения ожидаемой и измеренной скорости счёта.

Основа эксперимента:

Мюоны теряют около 2 ГэВ энергии за счёт ионизации до того, как достигают поверхности Земли, при этом их средняя энергия у поверхности составляет около 4 ГэВ. Спектр рождения мюонов, потери энергии в атмосфере и распад мюонов совместно формируют их энергетическое и угловое распределение. Интегральная интенсивность вертикальных мюонов составляет:

I_v ≈ 82 m^-2s^-1sr^-1

Их поток для горизонтальных детекторов составляет примерно 1 мюон/см²·мин при энергиях выше 1 ГэВ на уровне моря, как указано в научной литературе.

Проведение эксперимента:

Откройте модуль SP5608 и извлеките пластиковую сцинтилляционную плитку. Закройте SP5608 и подключите его кабель питания и кабель MCX к одному из каналов модуля SP5600. Подключите два выхода выбранного канала к дигитайзеру DT5720A: аналоговый выход — к каналу 0, цифровой выход — к входу "trigger IN" дигитайзера.

Используйте значения по умолчанию в программном обеспечении или оптимизируйте рабочее напряжение сенсора (SiPM), чтобы достичь более высокой эффективности регистрации фотонов (PDE).

Первым этапом измерений является оценка уровня шума (темновой счёт, DCR) в зависимости от порога дискриминатора. Из-за наличия темнового счёта необходимо обеспечить чувствительность системы к потоку космических лучей за счёт выбора соответствующего времени сбора сигнала от сенсора. Пороговые значения следует настроить так, чтобы случайная частота совпадений была ниже одного герца.

Выключите питание, откройте верхнюю крышку SP5608, нанесите оптическую смазку на поверхность SiPM и вставьте сцинтилляционную плитку. Закройте крышку, включите питание и восстановите ранее заданные параметры конфигурации.

Измерьте скорость счёта мюонов и оцените космический поток.

Блок-схема экспериментальной установки:

Результаты эксперимента:

Ожидаемая скорость регистрации мюонов, проходящих через сцинтилляционную плитку, очень низка, что требует тонкой настройки системы для значительного снижения уровня случайных срабатываний и повышения чувствительности регистрации.

Учитывая зенитную зависимость потока (I(θ) = Iv · cos²θ) и интегрирование по телесному углу, можно оценить ожидаемую космическую скорость, обусловленную геометрией системы, и, на основе этого, определить эффективность регистрации.

Космический вертикальный поток как функция высоты и атмосферной толщины: