Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

HiSPARC-teknik

HiSPARC-stationerne i Århus består af 2 detektorer (nogle andre HiSPARC-stationer har 4 detektorer), hver bestående af scintillatorplade, lysleder og PMT, en elektronikboks, en GPS-antenne og en PC med internetforbindelse.

Figur 4: HiSPARC-stationerne i Århus består af 2 detektorer (nogle andre HiSPARC-stationer har 4 detektorer), hver bestående af scintillatorplade, lysleder og PMT, en elektronikboks, en GPS-antenne og en PC med internetforbindelse. Kilde: www.hisparc.nl

Scintillatorplader
Scintillatorpladerne er 50 cm brede, 100 cm lange og 2 cm tykke kunststofplader (BC-408 fra Saint-Gobain Crystals) af polyvinyltoluen med et indhold af antracen (C14H10). På toppen af pladerne er en trekantet lysleder-plade limet fast med optisk cement, og på lysleder-pladens smalle ende er et fotomultiplikatorrør (PMT) limet fast enten med optisk cement eller dobbeltklæbende optisk klæbebånd. Både scintillator- og lyslederpladerne er inderst pakket ind i reflekterende aluminiumsfolie, uden på aluminiumsfolien er både plader og PMT pakket ind i tyk, sort plastik, så lys udefra ikke kan trænge ind i detektoren. Når ioniserende stråling, enten i form af elektromagnetisk stråling eller elektrisk ladede partikler passerer igennem pladerne, mister de energi undervejs via mekanismerne ioniseringstab, Coulomb-spredning og bremsestråling, som vi ikke skal komme nærmere ind på her. Den mistede energi omdannes i i scintillatorpladen til fotoner, som reflekteres fra aluminiumsfolien via lyslederen til fotomultiplikatorrøret. Producenten oplyser at pladernes lysudsendelse er konstant i temperaturintervallet -60 °C til +20 °C, samt at lysudsendelsen ved +60 °C er 95% af lysudsendelsen ved +20 °C. Vi må altså erindre os at scintillatorpladernes egenskaber kan rumme en del af forklaringen på HiSPARC-stationernes temperaturfølsomhed.

Ladede partiklers energiafsætning i scintillatorpladerne
HiSPARC-stationerne måler ladede partiklers energiafsætning (d.v.s energitab) i scintillatorpladerne, ikke partiklernes energi. Som det fremgår af figur 1 er langt størstedelen af de ladede partikler hidrørende fra kosmiske ved havoverfladen myoner, vi vil derfor i det følgende se bort fra øvrige ladede partikler. En detaljeret gennemgang af scintillatordetektorer findes hos Akimov (1965) og Leo (1987).

Figur 5: Landau-fordeling af 2 GeV-myoners energitab i HiSPARC-stationernes scintillatorplader.Kilde: Pennink (2010)

Figur 5: Landau-fordeling af 2 GeV-myoners
energitab i HiSPARC-stationernes
scintillatorplader.Kilde: Pennink (2010)

 

Landaufordelingen
Sandsynligheden for myoners energitab ved passage af scintillatorpladen kan beregnes (Pennink, Leo) v.h.a Landau-fordelingen. Som det ses af figur 5 er det mest sandsynlige for myoner med energien 2 GeV et energitab på 3.381 MeV. Som det fremgår af tabel 1 ligger energitabet omkring 3.4 MeV for myoner med energier i intervallet 1-5 GeV. Da de fleste myoner ved havoverfladen har energier omkring 4 GeV (Gaisser og Stanev, 2008), vil vi i det følgende antage at næsten alle myoner mister omkring 3.4 MeV ved passage igennem scintillatoren.

Tabel 1: Mest sandsynlige energitab ΔE MIP i scintillator-pladen for myoner med energier 1 - 5 GeV.
Kilde: Pennink (2010).

 

Fotoners (gamma'ers) energiafsætning i scintillatorpladerne
Ud over partikler giver detektorerne også udslag når elektromagnetisk stråling (gamma'er) passerer scintillatorpladerne. Energispektret af disse gamma'er er er eksponentielt aftagende som funktion af energi. Som det ses af figur 6 er energispektrene fra HiSPARC-stationer med god tilnærmelse summen af et eksponentielt aftagende spektrum hidrørende fra gamma-stråling og et Landau-spektrum hidrørende fra partikler. Vi kan ikke umiddelbart se på pulshøjdespektrene hvilke tællinger der stammer fra gamma-stråling og hvilke der stammer fra partikler, se Pennink (2010) for en nærmere analyse.

 

 

 

 

Figur 6: Partikler, gamma'er og deres sum. Kilde: Bartels (2012)

 

 

Figur 7: Principskitse af fotomulti-plikator og scintillator. Kilde: Birks (1964)

 

Fotomultiplikatorrør (PMT)
PMT'erne (9125B fra ET Enterprises) består af hver en bialkali-fotokatode og 11 SbCs-dynoder. Når et lysglimt (en foton) med tilstrækkeligt høj energi fra scintillatorpladen rammer fotokatoden løsrives en elektron fra denne ved fotoelektrisk effekt. I PMT'en forstærkes den enkelte elektron, som forlod fotokaden, op til en strøm af elektroner som udgør det analoge udgangssignal ved anoden. Forstærkningsfaktoren G (engelsk: Gain) angives (Leo, 1987) som G = δn = (K · Vd)n, hvor Vder spændingen imellem de n dynoder og K er en konstant som afhænger af den enkelte detektor. Vi kan opfatte den sekundære emissionsfaktor δ som funktion af energien af den primære elektron, som forlod fotokatoden. Der kan i praksis være stor forskel ikke bare på forskellige typer af PMT'er, men også imellem PMT'er af nøjagtigt samme fabrikat. PMT'ens analoge udgangssignal sendes videre til elektronikboksen. Hvis begge PMT'er sender hver et signal på mindst 30 mV (svarende til 53 ADC-trin) indenfor det indstillede trigger-tidsrum til elektronikboksen registreres de indkomne signaler som en koincidens. PMT'ernes effekt afhænger dels af den elektriske spænding over dem, dels af deres temperatur.

Figur 8: Karakteristik af scintillator, antal tællinger som funktion af triggertærskel ved forskellige spændinger
over PMT. Kilde: Olsen (2008)

Mørkestrømmens (engelsk: Dark current) primære komponent er termisk støj, hvis temperaturafhængighed angives Leo (1987) som Richardsons ligning:

hvor I er strømstyrken, T den absolutte temperatur, e elementarladningen, φ løsrivelsesarbejdet, k Boltzmanns konstant og A en konstant som afhænger af den enkelte PMT. Producenten oplyser på forespørgsel at PMT'ernes mørkestrøm stiger omkring en faktor 2 pr. 5 °C temperaturforøgelse, og at deres temperaturkoefficient er negativ og ligger omkring -0.3% pr. grad Celsius for blåt lys. Spændingen over PMT'erne for hver enkelt station findes i menuen Config på HiSPARCs dataside, eksempelvis for station 20002 her: data.hisparc.nl/show/stations/20002/config/. PMT'ers temperaturafhængighed behandles af Young (1963), Singh og Wright (1987). Temperaturafhængigheden i PMT'erne kommer til udtryk på 2 måder:

1. Antallet af talte koincidenser stiger med PMT'ens temperatur.
Dette ses i HiSPARC-stationernes målinger ved at koincidenstællinger pr. time stiger med stigende detektortemperatur. Vi kan forklare dette ved at termisk exciterede elektroner i fotokatoden behøver tilførsel af en mindre fotonenergi for at nå op på løsrivelsesenergien φ:

Ved en lavere temperatur - og dermed lavere termisk energi - vil færre fotoner have energi nok til at udføre løsrivelsesarbejdet. Bartels (2012) diskuterer dette forhold nærmere.

2. Forstærkningen af elektronstrømmen gennem PMT'en falder med stigende temperatur.
Dette ses ved at energimålingerne forskydes mod venstre, d.v.s. mod lavere energi, i både pulshøjde- og integralspektrene ved høje temperaturer. Vi må opfatte dette forhold således at forstærkningsfaktoren G = δn = (K · Vd)n falder med stigende temperatur, svarende til PMT'ernes negative temperaturkoefficienter. Da Vd antages uændret (det er muligt at elektronikboksene, som regulerer spændingsforsyningen til PMT'erne ændrer spænding med temperaturen, men dette forhold er ikke undersøgt) må en fasttoffysisk forklaringen herpå søges i at K ikke er konstant, men afhænger af temperaturen. Bartels (2012) viser at toppunktet af Landau-fordelingen (se figur 6), svarende til den hyppigst målte myonenergi (MPV, most probable value), flytter sig mod venstre ved stigende detektortemperaturer. Da myonernes energi er uafhængig af detektorens temperatur er der åbenlyst tale om en egenskab ved apparaturet, og ikke ved de målte objekter. Prøv engang at sammenligne graferne for pulshøjder og pulsintegraler for sommer- og vinterdøgn, især for station 20002. Bemærk hvorledes antal koincidenstællinger pr. time skifter med årstid og tid på døgnet, og hvorledes pulshøjder og pulsintegraler ændrer sig med årstiden. I øvelserne ser vi på middelværdier af pulshøjder og pulsintegraler som funktion af detektorens temperatur. Buisman (2011) ser bl. a. nærmere på forskelle i pulshøjdespektrene ved forskellige detektortemperaturer.

GPS-antenne
Til hver station hører en GPS-antenne, som er forbundet til elektronikboksen. GPS-systemet giver dels en nøjagtig geografisk position af hver station, dels en nøjagtig tidsstempling af stationernes målinger. De aktuelle placeringer af GPS-antennerne, for station 20001s vedkommende i et tagvindue og for stationerne 20002 og 20003s vedkommende i nordvendte gavle, er ikke optimal m.h.t. frit udsyn til flest mulig GPS-satellitter.

Elektronikboks
Til hver HiSPARC-station hører en specialbygget elektronikboks, som er forbundet med de to detektorer, GPS-antenne og PC. Elektronikboksen omsætter de analoge signaler fra PMT'erne til digitalt signal (ADC-trin), og styrer spændingen over PMT'erne efter indstillingen på HiSPARC-kontrolpanelet på PC'en. Temperaturændringer kan muligvis påvirke elektronikboksens analog-digital-konvertering og spændingsstyring, dette er ikke undersøgt.

Kontrol-PC
En almindelig PC med Windows XP, HiSPARC-programmel og internetforbindelse bruges til at styre hver HiSPARC-station. På HiSPARC-kontrolpanelet (programmeret i Labview) kan foretages indstilling af bl. a. spænding over PMT'erne og triggertider via elektronikboksen. HiSPARC-programmellet sender automatisk alle måledata via internet til den centrale HiSPARC-server. HiSPARC-stationerne i Århus har hver 2 detektorer og anvender kun én triggertærskel på 30 mV (stationer med 4 detektorer arbejder med 2 triggertærskler, 30 mV og 70 mV). Når PC'en fra elektronikboksen får besked om at 2 signaler - et fra hver PMT - overstiger triggertærsklen indenfor trigger-tidsintervallet, registrerer PC'en koincidensen og sender data til HiSPARCs centrale server.