Регистрируем мюоны дома!

Я хочу представить свою новую игрушку — мюонный телескоп. Вообще это телескоп счетчиков, который работает на совпадения. Его цель — регистрация мюонов (элементарных нестабильных частиц, рождающихся в атмосфере земли).

Идея

В физике элементарных частиц существует немного частиц которые можно достаточно просто зарегистрировать. Электроны и гамма кванты регистрируются обычными счетчиками Гейгера. Источниками этих частиц является радиоактивный фон вокруг нас, источники излучения, ускоряющие установки. Что касается нестабильных частиц, то ситуация иная. Они рождаются при больших энергиях на ускорителях (или еще где) и требуют нетривиальных методов для их регистрации. Однако есть одна нестабильная частица, которую можно зарегистрировать в «каждом доме» — мюон. Это лептон с массой 105 МэВ и временем жизни 2.2 мкс. По простому — это очень тяжелый электрон (более чем в 200 раз тяжелее). Он нестабилен, хотя имеет достаточно долгое время жизни как для элементарной частицы. Это первая частица, которая была открыта, что не встречается в атомном ядре.
Откуда же они берутся? Что является источником этих частиц?

Немного о физике космических лучей

К нам на Землю прилетают из космоса куча высокоэнергетических частиц — в основном протоны.

Эти протоны взаимодействуют с ядрами азота (~ 78% атмосферы — это азот) или чем-то другим. При этом рождаются куча частиц, которые рожают другие частицы и т.д. (ливни частиц). Среди них есть мюоны различных сортов и энергий (красные линии на рисунке). Они могут распасться не долетев до земли и образовать электроны или высокоэнергетические гамма-кванты. Поэтому космические лучи на высоте 10 км и на уровне моря — это разные вещи. То что долетает делят на мягкую и жесткую компоненты. Мягкая компонента — это электроны, позитроны и гамма-лучи, сильно поглощаются веществом. 10 см свинца достаточно, чтобы ее убрать. Мюоны же (жесткая компонента) таким слоем свинца не угасить и они свободно пролетают его без особого послабления.
Задача для любознательных :)
Скорость мюона примерно равна скорости света = 3е + 8 м / с. Время жизни 2.2мкс. Так что он пролетает 3е + 8 * 2.2е-6 = 660м. Мюон рождается на высоте 15-20км. Как он долетает до земли?

Как же их зарегистрировать?

Телескопом счетчик, работающих на совпадение. Телескоп может быть ориентирован под разными углами к вертикальной плоскости. Такой прибор регистрирует только те мюоны, путь которых проходит примерно вдоль оси телескопа (то есть пересекает оба счетчика). Мюоны обладают достаточной энергией, чтобы вызвать разряд в двух счетчиках практически одновременно. «Мягкая» составляющая космического излучения поглощается конструкциями помещения и ею можно пренебречь. В горизонтальном положении телескопа регистрируются лишь случайные совпадения, когда от двух разных ядер одновременно попали частицы в детектор. За схему совпадений и открытия, сделанные с помощью нее в 1954 году получено Нобелевскую премию по физике. К сожалению сейчас за такую ​​простую схему ее уже не получишь ((.

Сама установка

Сразу отмечу, что надо или чувствительные, или большие, или много трубок Гейгера. С двумя СБМ-20 за 9 часов я зарегистрировал только 12 событий. Поэтому заменил их на СТС-6. Они даже немного дешевле на olx. Эти трубки больше. Напряжение питания также 400В (там плато на самом деле (нет зависимости количества зарегистрированных импульсов от напряжения) и +-50 В сторону не страшно).

Генератор ВН

Прежде всего надо высоковольтный блок питания. Я сделал из чего было:


Схема классический пуш-пул с умножителем на выходе. Микросхему ключей можно заменить на IR2153 с частотой 50кГц. Можно и Atmega8 обойтись: phase correct mode. Но максимальная частота 30-35кГц. Поэтому надо будет пересчитать трансформатор. Кстати трансформатор я считал в ExcellentIT, но если вы будете считать по формуле
U = 4fSBw.
U — напряжение питания, f — частота ключей, S — площадь сечения магнитопровода, B — максимальная магнитная индукция (0,2 Тл для советских ферритов), w — количество витков. На вторичной обмотке я думаю всем понятно как посчитать необходимое количество витков. Результат не сильно отличаться по программе.
 На умножители можно и обычные 1n4007 диоды поставить (у меня небольшое падение было), но лучше быстрые. Конденсаторы следует подбирать как минимум двойного напряжения умножения. Например у меня на выходе трансформатора ~ 130В, так конденсаторы должны быть как минимум 260В, у меня 400В. Емкость лучше тоже брать побольше, тогда большие токи и меньше падение напряжения будет.

Формирователь сигнала

Классическая схема включения счетчика Гейгера: токоограничительный резистор и разделяющий конденсатор. Далее идет ограничитель на стабилитроне и формирователь сигнала на триггере Шмидта. Далее следует логическое И, выход которого подключен на ногу прерываний атмеги. При отладке схеми было удобно смотреть сигналы по отдельности на каждой трубке. Поетому я сделал маленьй хидер 3х2 и перемичку: в первом положении работает на совпадения, во втором и третьем — сигналы с трубок. Полная схема прикреплена к статье. Атмега служит за счетчик импульсов. Кварц к амтеге желательно поставить побольше. Я поставил на 16МГц, чтобы успеть зарегистрировать короткий импульс. Вообще-то в таких случаях ставят одновибратор, но я решил лишний раз не нагружать схему.
Плюс атмега может выставлять время измерения. Из меню я не заморачивался сильно. Лишь необходимый минимум.

Всю электронику я раcпаял на три макетки и соединил их втулками в компактную коробочку. На нижнем уровне регулятор напряжения и блок высокого напряжения, на втором уровне формирователь сигнала, на третьем уровне атмега. Под установкой стоит блок питания (черная коробка), который выдает 12 В. Ток потребления 160мА.

Чтобы убедиться, что я регистрирую космические лучи, я сделал два измерения по часу. В вертикальном положении — 22 события, в горизонтальном — 2.
Итак, это космические лучи!!! Затем я сделал несколько измерений под разными углами (под разными углами мюоны пролетают разное расстояние пока зарегистрируются в детекторе, чем больше расстояние, тем больше их распадется) и написал скриптик в Матлаб для расчета времени жизни. Различается с настоящим примерно в 5 раз, однако можно увеличить время измерений и повторить измерения. На это у меня азарта не хватило.

Размеры телескопа

На размеры ограничений нету. Счетчики должны стоять параллельно. Чем дальше вы их раздвинете, тем точнее сможете определить направление с которого прилетели частицы.

Усовершенствования

Если кто-то захочет повторить это, то прошу. Схему и проект в CVAVR я прикрепил. Установка требует увеличения чувствительности (например увеличить количество счетчиков с 1 до 2-3 в каждом плече). Тогда можно поставить поглотитель.
Я не ставил поглотитель между детекторами чтобы отрезать мягкую компоненту, потому что тогда очень упала бы интенсивность и к тому свинцовой пластины у меня нет. Ну и плюс я делал измерения в помещении, поетому мягкая компонента от части поглащалась кришей и перекритиями здания.
Во-вторых надо было как-то автоматизировать то повороты с помощью моторчик и гироскоп, чтобы углы нормально измерять. Потому самодельная астролябия то хорошо, но не солидно.
Также надо сделать меню приятнее.

Бюджет проекта

Общий бюджет составляет 15-20 долларов.
Самые дорогие трубки Гейгера — обе мне обошлись в 10 долл. Плюс дисплейчик и атмега — вместе 4 долл. Все остальное мелочь.

Зачем?

У некоторых людей может возникнуть вполне закономерный вопрос: зачем все ето?
Пфффф! Например воду на Марсе искать. Вот был бы у того парня, который картошку с какашек выращивал такой телескоп, ситуация была бы у него гораздо лучше. Вот пруф! Или еще искать тайные комнаты в пирамидах, или реактор Фукусимы просвечивать, горы мюонами просвечивать (может быть полезным при построении туннелей). Можно еще автомобили на таможне сканировать. Как видите куча приложений!