Детектирование космических лучей

Космические лучи - это частицы различной природы и с различной энергией, приходящие к Земле из внешнего космоса (от Солнца, других звезд, новых, сверхновых и даже таких экзотических и удаленных объектов как квазары.). Космические лучи были открыты в 1912 году Виктором Гессом (Victor Franz Hess), обнаружившим эффект роста потока радиации с высотой. Энергия частиц космических лучей варьируется от 10⁹ до 10²¹ эВ. Исследователи знают о существовании в космических лучах космических частиц с чрезвычайно высокой энергией. Самые высокоэнергетические из них обладают энергией, в сотни миллионов раз превышающей энергию частиц в самых мощных ускорителях. Первая из них была детектирована в 1962 в Нью-Мехико (New Mexico). Затем такие частицы были обнаружены в обсерватории Pierre Auger Observatory в Аргентине. Причина возникновения этих частиц и механизм их ускорения до таких энергий до сих пор неизвестны. Изучение таких частиц затруднено из-за того, что они чрезвычайно редки -  за век на квадратный километр падает только одна такая частица.

С космическим лучами связаны такие частицы как мюоны. Эти частицы возникают в верхних слоях атмосферы на высоте около 15 км под воздействием космических лучей. Частицы космических лучей (протоны и альфа-частицы с небольшой примесью тяжелых ядер, позитронов и антипротонов), попадая в атмосферу, вызывают возникновение каскадов вторичных частиц, в том числе и мюонов, которые и достигают поверхности Земли. Основной причиной возникновения мюонов является распад пионов: $\pi^+ \to \mu^+ + \nu_\mu$ , $\pi^- \to \mu^- + \bar{\nu_\mu}$ . Мюоны открыты в 1936 году Карлом Андерсоном (на фотографии слева) и с тех пор привлекают внимание ученых. Интересно, что тот факт, что мюоны достигают поверхности Земли, является следствием специальной теории относительности. Время жизни этих мюонов составляет около 2,2 мкс и они бы смогли пролететь только около 660 м. Но из-за их очень высокой скорости время жизни мюонов увеличивается и они успевают пролететь намного большее расстояние. Интенсивность вызванных космическими лучами вторичных частиц составляет около 1 частицы в минуту на 1 см² площади. Средняя энергия $\mu$-лептонов (мюонов) на поверхности Земли составляет 3 ГэВ.

Проект CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets)
Когда космические лучи проникают в атмосферу Земли, мюоны ионизируют молекулы воды. Ионизация связана с изменением заряда молекул, что вызывает их взаимное притяжение. Молекулы воды конденсируются в облаках. В настоящее время CERN исследует гипотезу связи космических лучей со скоростью образования облаков (проект CLOUD) под руководством Джаспера Киркби (Jasper Kirkby):

Акроним "CLOUD" составлен Киркби из фразы "Cosmics Leaving OUtdoor Droplets" и в переводе на русский язык означает "Космические лучи оставляют после себя капельки под открытым небом".
Эксперимент проводится в камере из нержавеющей стали диаметром 3 м и объемом 26 м³:

Камера заполнена искусственным воздухом, созданным из жидких азота и кислорода. В эксперименте исследуется влияние ионизации на скорость образования аэрозольных частиц. Ионизация воздуха происходит из-за космических лучей и может быть усилена пучком высокоэнергетических частиц из CERN Proton Synchrotron и ослаблена сильным электрическим полем.

Детектор мюонов на счетчиках Гейгера
Для детектирования мюонов используются массив из двух или трех счетчиков Гейгера, расположенных друг над другом:

Счетчики должны быть хорошо экранированы от внешних ЭМ-помех и друг от друга, например, в детекторе Theremino между двумя счетчиками Гейгера, находящимися друг над другом на расстоянии около 1 см, расположены свинцовые пластины толщиной 1,2 мм - над и под счетчиками Гейгерами и между ними:

Частица естественного земного излучения, попадая в один из счетчиков Гейгера, вызывает в нем разряд, но теряет при этом и энергию и уже не сможет вызвать разряд в другом счетчике. Но так как энергия мюонов очень высока, то они проходят через два или три счетчика, почти не теряя энергии и практически одновременно вызывая разряд в каждом из них.
схема детектора мюонов

Эта одновременность разрядов детектируется (coincidence detection) и является подтверждением того, что они вызваны мюонами (с вероятностью 99.999 %). В качестве примера такого детектора одновременности (Coincidence Detector или C-box, помечен на схеме как "&") ценой 20 € можно привести модуль для системы Theremino:

(для просмотра схемы в увеличенном масштабе щелкните по ней мышкой)

А вот комплекс из двух счетчиков Гейгера GM-10 и детектора одновременности (Black Cat Systems):

Следует отметить, что скорость счета мюонов очень низка и для счетчиков Гейгера с малой активной площадью может потребоваться час или даже больше времени для получения статистически значимых результатов. Скорость счета оказывается несколько ниже теоретической из-за ограниченного угла детектирования:

Для детектора Theremino с площадью детектора 9 см² максимальная скорость счета составляет 5,4 CPM (импульса в минуту).
Также скорость счета зависит от угла наклона счетчиков - от максимума для вертикального расположения до нуля для горизонтального.

В детекторе Hodoscope используется массив из 18 счетчиков Гейгера:

При попадании мюона происходит одновременный разряд в двух счетчиках Гейгера.

В качестве счетчика Гейгера в зарубежных изделиях часто используется трубка LND 712.

Детектор мюонов на неоновых лампах
Альтернативный способ детектирования мюонов основан на использовании в детекторе частиц ионизирующего излучения неоновой лампы. Схема детектора была предложена Peter Lay (на фото справа) (описана в статье Simple Geiger Detector uses neon Glow Lamp в Electronic Design 18 марта 2002 года):
       
Переменное сетевое напряжение выпрямляется диодом D1 и стабилизируется стабилитроном D2 на уровне 100 В. Сопротивление балластного резистора R1 определяется выражением $R1 = {{V_{ac} - 100}\over{5 мА}}$ . Потенциометр R2 используется для установки напряжения на лампе немного ниже напряжения зажигания. Лампа при этом не горит. Но при попадании радиоактивной частицы происходит зажигание лампы. При этом через лампу начинает протекать, который вызывает существенное падение напряжения на резисторе R3, и напряжение на лампе оказывается ниже напряжения поддержания разряда и разряд прекращается до попадания следующей ионизирующей частицы.

Эта схема была модифицирована Raghav Kunnawalkam Elayavalli (на фото справа) (описана в работе Looking at Cosmic Muons to verify Einstein's Special Relativity). Я изобразил модифицированную. схему в соответствии с отечественными стандартами условных графических обозначений:
    
Авторская схема рассчитана на подключение к североамериканской электросети напряжением 120 В. Параметры элементов в модифицированной схеме - R1 = 25 кОм, C1 = 1900 м(к?)Ф и 47 м(к?)Ф параллельно, R2 = 80 кОм, R3 = потенциометр 25 кОм, R4 = 75 кОм, R5 = 3 МОм, R6 = 100 кОм, HL1 = неоновая лампа, D1 = диод 1N4004, D2 = стабилитрон на 100 В.

Детектор мюонов на флуоресцентных лампах
В детекторе мюонов можно использовать и обычные бытовые флуоресцентные лампы ("лампы дневного света"). Они собираются в массив:

Пример схемы детектора мюонов приведен ниже:

Детектор мюонов на CMOS- или CCD-  сенсорах (наприимер, цифровых фотокамерах)

Для детектирования частиц космических лучей можно использовать и цифровые фото- или вебкамеры. Подробнее о моих экспериментах в этой области смотрите здесь.

Детектор мюонов на pin-диодах

Также в качестве датчика можно использовать p-i-n (PIN) диоды, например, популярный BPW34.
Примером такого проекта может служить uTelescope.