High-School Project on Astrophysics Research with Cosmics

Pieter de Goeje, Veerle Bodewes en Brend Wanders.

Inleiding

Op de universiteit van Utrecht is de subgroep sub-atomaire fysica in samenwerking met drie scholen uit de omgeving, het Nieuwe Lyceum, het Openbaar zeister Lyceum en het Christelijk Gymnasium begonnen met het project HISPARC. De bedoeling van dit project is het meeten van hoogenergetische straling uit de ruimte waarvan de oorsprong niet duidelijk is. Het project is voor het eerst in Nederland voortgezet door de Universiteit van Nijmegen, na twee jaar ervaring is besloten het project ook te starten in Utrecht, Amsterdam, Groningen en Leiden. Om de bedoelde straling te kunnen meten zijn er meetstations nodig, onzo bijdrage aan het project was het in elkaar zetten van twee detectoren uit de losse onderdelen die beschikbaar waren. De volgende groep zal van deze losse detectoren een voledig werkend meetstation maken wat dan in het netwerk geplaatst kan worden. De uiteindelijke bedoeling is het maken van een netwerk met ongeveer tien meetstations in een gebied van tien bij tien kilometer.

Uit de vwo 6 natuurkunde 2 klas van onze school hebben drie leerlingen zich aangemeld. Van de twee andere scholen hebben zich twee leerlingen aangemeld. Samen zijn we de twee stralingsdetectoren in elkaar gaan zetten onder begeleiding van drs. Nooren. Wij zijn hier ongeveer drie maanden elke week een middag mee bezig geweest.

Eerst hebben we de theorie over kosmische straling en theorie over de meetopstelling doorgenomen. Ook hebben we een lezing over "Kosmische straling" gegeven door prof. dr. Bram Achterberg
bijgewoond. Daarna zijn we de stralingsdetector in elkaar gaan zetten.

Als deze opstelling klaar is en er genoeg sponsors zijn, dan komt er volgend jaar ook een op onze school. De meetstations op de universiteit en de deelnemende scholen worden gekoppeld zodat ze samen een groot meetstation vormen. De GPS speelt hierbij een belangrijke rol in het bepalen van de precieze tijd van een detectie, deze tijd geeft informatie over de richting van de shower.

Onze onderzoeksvraag is of we twee werkende stralingsdetectoren kunnen bouwen. Uiteraard zullen we ook testen of ze goed werken.

Theorie

Hier wordt kort de theorie van de showers behandeld, en hoe wij die kunnen meten.

Showers

Een shower is een douche van deeltjes die ontstaat doordat een hoogenergetisch deeltje botst met een deeltje uit de atmosfeer. Het hoog energetisch deeltje valt uit elkaar in meerdere deeltjes met minder energie, bijvoorbeeld muonen, elektronen, fotonen en neutronen met een lagere energie. Hoe hoger de energie van het invallende deeltje hoe hoger de energie van de ontstane deeltjes en dus ook hoe meer deeltjes er ontstaan.
Deze deeltjes met een kleinere energie botsen op hun beurt weer met andere deeltjes waarbij een cascade-effect optreedt. Het aantal deeltjes kan daardoor oplopen tot enkele miljoenen deeltjes.

Enkele ontstane deeltjes zijn elektronen, fotonen en muonen. Wij meten de muonen omdat deze deeltjes ondanks hun lading relatief rechtdoor vliegen door hen grote gewicht. Daardoor blijven zij redelijk over de invalsas van de shower vliegen dit heeft als voordeel dat we een beeld kunnen vormen van de richting van de invalsas van de shower, en daarmee dus ook waar het oorspronkelijke hoogenergetische deeltje ongeveer vandaan kwam.

De invalshoek is tot op zekere hoogte te bepalen door te kijken naar de verschillende tijden van de detecties. Als de invalshoek recht op het aardoppervlak staat, dan komt het front ongeveer over het hele aardoppervlak tegelijk aan. als het front echter scheef op het aardoppervlak staat, dan loopt het front over het aardoppervlak. In dit geval is er een verschil in tijd tussen de eerste detectie en de laatste.

Muonen

Muonen zijn deeltjes die 200 keer zo zwaar zijn als elektronen, maar hebben verder wel dezelfde eigenschappen als elektronen.

Gedistribueerd meetstation

De detector die gemaakt is tijdens dit project, dient als de detector van een meetstation. Dit meetstation vormt samen met andere meetstations een array, het doel hiervan is het vergroten van het meetoppervlak zonder dat er een oppervlak van tien bij tien kilometer compleet volgelegd hoeft te worden met meetstations. Het is niet nodig het het hele oppervlak te voorzien van detectoren omdat de daarmee verkregen preciesie niet nodig is bij het waarnemen van showers.

Ideal zou deze array bestaan uit identieke meetstations, omdat deze dan allemaal exacte dezelfde waardes zouden waarnemen in gelijke omstandigheden, met een onderling gelijke afstand, een rooster van meetstations dus. Dat is het ideale beeld van de array omdat er op deze manier een gelijkmatige verdeling over het oppervlak is. Aangezien dit praktisch niet haalbaar is, is er voor gekozen om op het dak van elke deelnemende school een detector te plaatsen. Dit levert een gedistribueerd meetstation: hiermee is een grote oppervlak te bestrijken, terwijl er ook enige regelmaat in de plaatsing van de meetstations zit.

De meetstations hoeven niet identiek te zijn, want het gaat om de preciese tijd van de detectie terwijl de gemeten energie niet van belang is.

De Opstelling

In de figuur is een compleet meetstation te zien, hie is ontworpen om muonen te meten. Het meetstation bestaat uit twee Scintillators, twee Lichtgeleiders, twee PMTs, een Scintillator Signal follower, een GPS ontvanger en het DAQ. Deze onderdelen worden hieronder afzonderlijk besproken. De animatie laat het detecteren van een coincidentie zien, de muonen zijn aangegeven met grijze bolletjes.

Scintillator

De scintillator is een materiaal met een speciale eigenschap. Als er een deeltje (bijvoorbeeld een muon of een foton) door de scintillator komt staat het een beetje energie af aan het scintillatormateriaal. De scintillator zet de afgestane energie om in een lichtflitsje. Het is de bedoeling het licht dat het scintillatormateriaal uitzend naar de lichtgeleider te brengen zodat het uiteindelijk in de PMT terechtkomt.

De scintillator is zo gepolijst dat het licht erin bijna totaal in gereflecteerd wordt. De scintillator mag niet aangeraakt worden met je handen, omdat dat de gepolijste laag aantast. Daardoor raakt het zijn totale reflectie kwijt en dat is niet goed voor het lichtransport naar de lichtgeleider.

Verder is de scintillator in zilverpapier en zwart landbouwplastic gewikkeld. Dat is om te zorgen dat er geen licht in de scintillator komt, want dat geeft ook een signaal af. Het zilverpapier heeft ook als doel om eventueel lichtverlies te beperken door licht dat uittreed weer terug te kaatsen.

Hoe groter het oppervlak, hoe meer muonen er door de scintillator heen gaan. De dikte van het materiaal maakt echter geen verschil uit op de meting.

Lichtgeleider

De lichtgeleider heeft als doel om het licht van de scintillator naar de PMT te brengen. Daarom mag ook de lichtgeleider niet te veel licht verliezen. Als materiaal voor de lichtgeleider is er perspex uitgekozen. Door dit materiaal kan het licht heen en de buitenkant weerspiegeld goed, zodat het lichtverlies geminimaliseerd wordt.
De lichtgeleider is op de scintillator gelijmd. Dit heeft twee doelen, een om het stevig op elkaar te houden en om te zorgen dat er geen licht weerkaatst wordt op de overgang tussen scintillator en lichtgeleider..
Aan de andere kant van de lichtgeleider is de PMT gelijmd.

PMT

Een PMT versterkt een lichtflitsje tot een waarneembaar elektrisch signaal. Een PMT bevat een aantal elektrodes, als een lichtflitsje in de PMT komt slaat het tegen een elektrode aan. Deze geeft daardoor een paar elektronen af en die gaan verder naar de volgende elektrode. Die geven op hun beurt ook weer elektronen af. Dit gebeurd een paar keer zodat het zwakke beginsignaal een sterk signaal wordt. Dit signaal kan de Scintillator Signal Follower verwerken. De PMT heeft ook een voedingsspanning nodig, deze wordt geleverd door eenn transformator. De PMT levert ook een meetsignaal dit signaal wordt gebruikt als ingangssignaal bij de SSF.

SSF

Dit apparaat kijkt of de twee signalen van de twee scintillatoren ongeveer tegelijk binnenkomen hiermee voorkom je dat een deeltje dat maar 1 scintillator aanslaat als detectie gerekend word. Dit is omdat we op zoek zijn naar een shower en niet naar bijvoorbeeld een signaal van het beton. Als het beton straalt raakt hij maar een van de scintillatoren en wordt het dus niet doorgegeven.
Ook kijkt het of het signaal aan een bepaalde energieniveau heeft. Dit is om te voorkomen dat er gemeten wordt bij kleine energieniveaus, want deze zijn waarschijnlijk niet veroorzaakt door een shower.

Global Positioning System

Wij gebruiken de GPS niet om de positie van het meetstation vast te stellen, maar om de preciese tijd van een detectie te bepalen. Nadat de positie van het meetstation bepaald en opgeslagen is, wordt de GPS gebruikt om aan de hand van de ontvangen signalen de tijd in microseconden precies vast te leggen.

Voor het bepalen van de positie zijn er vier satelieten nodig in het zichtsveld. Maar voor het bepalen van de tijd, mits de positie vast staat, is maar een sateliet nodig. Hoogstwaarschijnlijk is het dus altijd mogelijk de tijd te bepalen, tenzij er obstakels aanwezig zijn die voorkomen dat het signaal de GPS ontvanger bereikt.

DAQ

Het data aquisitie systeem zorgt dat alle gegevens van een conincidentie bij het meetstation worden opgeslagen en verzonden naar een centraal computersysteem waar ze kunnen worden geanalyseerd. De gegevens worden dus niet real-time verzonden, maar meetstation opgeslagen in een formaat dat lokaal gebruikt kan worden voor het analyse van data van de detectoren. Dus het is mogelijk om de gegevens van het meetstation direct te gebruiken bij analyze op de school waar het station staat.

De opgeslagen data bestaat uit een aantal velden:
-tijd, de tijd van de coincidentie
-sterkte, de hoogte van de top van het gemeten golfje, dit veld heeft alleen lokaal reele betekenis
-positie, de positie van de lokale detector
-identiteitsveld, zodat het centrale systeem weet welk meetstation deze gegevens ontving.

Bouwen en testen

Inpakken

Bij het inpakken van de scintillator moesten we heel voorzichtig zijn, want het materiaal mocht niet aangeraakt worden. We pakte het eerst in met aluminiumfolie en daarna met landbouwplastic. Dit moest goed dicht geplakt worden zodat er geen lichtlekken zijn.

Solderen

Eerst hebben we twee kabels gemaakt waar voeding en signaal doorheen gingen, deze kabels bestonden uit een 5-pins connector aan de ene kant, een coax aansluiting en twee banaanstekkers aan de andere kant. Ook zijn er toen 5-pins connectors aan de PMT's gesoldeerd.

Dit bleek niet de bedoeling te zijn; het soldeer schema was niet goed. De connectors zijn losgehaald, de coaxaansluiting direct op de PMT gesoldeerd en zijn alleen de voedingssnoeren via de 5-pins connector gesoldeerd. In de voedingssnoeren zijn ook verstelbare weerstanden gemaakt, zodat het voltage op de PMT's aangepast kan worden. Dit voltage heeft invloed op de uitvoer van de PMT (o.a. hoogte van het signaal).

Overigens moet er rekening mee worden gehouden dat de coaxkabels, als zij niet goed afgesloten zijn, een electrisch signaal kunnen 'terugkaatsen'. Om dit te voorkomen moeten er terminators worden bevestigd op de losse einden van een coaxkabel. Deze bevatten bijvoorbeeld een weerstand van 50 ohm.

Lijmen

Om te bepalen welke lijm het beste gebruikt kon worden om de lichtgeleider op de scintillator te plakken, en om de PMT op de lichtgeleider te plakken hebben we de sterkte van verschillende lijmen gemeten. Op een blok perspex waren kleine stukjes scintillator op gelijmd. Elk stukje scintillator was met een andere lijm vast geplakt. We hebben gekeken hoeveel kracht (doormiddel van een veer) het kostte om zo'n stukje er af te breken door haaks tenopzichte van de scintillator te trekken. De resultaten van deze metingen staan in de volgende tabel:

Het moment is bepaald door de lengte van de arm (hoogte stukje scintillator plus de lengte van een stuk staal wat er aan vast gemaakt was) te vermenigvuldigen met de kracht die het kostte om het er af te breken. Omdat de lengte van het lijmvlak per scintillator verschilde, is vervolgens de breeksterkte berekend door het moment te delen door de lengte van het lijmvlak. De breedte van het lijmvlak hoeft niet in die berekening te worden opgenomen omdat zij bij elk stuk scintillator gelijk was. Qua breeksterkte is duidelijk te zien dat de 'ne2000' lijm het beste is.

Behalve de breeksterkte is ook de helderheid van de lijm van belang. Er moet immers zoveel mogelijk licht worden doorgelaten. Gelukkig was de sterkste lijm (ne2000) ook de helderste lijm. De helderheid is bepaald door in de scintillator, door het lijmvlak te kijken.

Doormeten

Nadat alle onderdelen aan elkaar gelijmd waren (Scintillator, Lichtgeleider, PMT) en ingepakt waren, hebben we opstelling gecontroleerd op lichtlekken. De scintillator reageerd namelijk niet alleen op muonen of andere deeltjes maar ook op licht. Aangezien wij in een ruimte zaten met tl buizen, die ongeveer 50 keer per seconde licht uitzenden, konden we al snel zien op de oscilloscoop dat het geheel niet lichtdicht was. We zagen een 50 Hertz trilling, zoals die van de TL buizen komt. We hebben daarna het licht uitgedaan, zodat het totaal donker was, en met een kleine zaklamp het oppervlak van de scintillator afgezocht. Zodra de oscilloscoop dan een uitslag gaf, wisten we dat er daar in de buurt een lichtlek moest zitten. Met tape en landbouwplastic gingen we de gaten te lijf. Het vervelende is echter dat de scintillator extreem gevoelig is en dat elk miniem gaatje een enorme hoeveelheid rommel op de oscilloscoop laat zien. De eerste scintillator hadden we in een kwartiertje lichtdicht, maar over de tweede scintillator deden we veel langer. Deze was ook slordiger ingepakt. De meeste lekken vonden we aan de grenzen van lichtgeleider naar scintillator.

Nadat de opstelling 'lekvrij' was gemaakt hebben we de gevoeligheid van de verschillende stukken van het oppervlak van de scintillator gemeten. We hielden twee kleine scintillators boven het te onderzoeken oppervlak. Als beide scintillators tegelijk een puls gaven, wisten we dat er een deeltje door heen gevlogen moest zijn, dus ook door de grote scintillator, die er immers onder lag. We registreerden de pulshoogte van de grote scintillator. Hierdoor verkregen we het volgende histogram:

Waarbij 'links' de kant het verst weg van de PMT is. Door telkens acht aangrenzenden waarden te middelen krijgen we het volgende globale diagram, wat wat leesbaarder is.

De pulshoogte is een maat voor de energie van het deeltje dat gemeten is. Doordat de energie van het deeltje omgezet word in licht, dat per gemeten positie een andere (langere/kortere) weg aflegt, veranderd de vorm van de grafiek per meet positie. Wat opvalt is de gele piek. Doordat de meetpunten niet allemaal even ver van de PMT liggen verwacht je dat de pulshoogtes verschillen (verschuiving van de grafiek langs de x as), maar niet dat de vorm van de grafiek veranderd. Het gekke is ook dat de blauwe grafiek, die aan de zelfde zijde van de scintillator gemeten is maar dan op de hoek het verst weg van de PMT, juist een dal vertoond waar de gele piekt. Wat we ook kunnen zien aan deze grafiek is dat er een aantal 'triggers' zijn waarbij geen muon gemeten word, pulsen van hoogte nul. Waarom dit gebeurt hebben we niet kunnen achterhalen.

Controleren SSF

De bedoeling is dat de Scintillator Signal Follower een puls geeft op het moment dat de beide aangesloten scintillatoren tegelijk een muon detecteren. Hiervoor is getest met behulp van twee kleine scintillatoren, die in de SSF en in een osciloscoop waren geplugged. Er werd eerst gekeken of de SSF een signaal gaf als beide scintillators een signaal detecteerden, hierna werd de osciloscoop getriggerd op het signaal van de SSF. Er werd toen geen signaal meer waar genomen, dit was te verhelpen door de minimale pulshoogte waarop de SSF triggerd aan te passen op de SSF.

Conclusie

Wij hebben gedaan: twee scintillatoren ingepakt, de lichtgeleiders en de PMT's bevestigd, de beide scintillatoren plus toebehoren in een skibox gedaan. Bovendien hebben wij uitgebreide tests gedaan met de scintillatoren, en met de scintillatoren plus de SSF. De groep die verder gaat bouwen, kan verder gaan bij het implementeren van de DAQ. Onze opstelling is dus in zo verre af, dat je er (mini) showers mee kan detecteren.

Appendix

Evaluatie

Het werken aan de scintillator was leuk. Dat was ook goed geregeld. Wat minder was dat we soms bezig gehouden werden met proefjes die niet altijd evenveel met de meetopstelling te maken hadden. Ook kon de planning beter van te voren afgesproken worden in plaats van een maand na aanvang.

Logboek