В фізиці елементарних частинок існує небагато частинок котрі можна досить просто зареєструвати. Електрони і гамма кванти реєструються звичайними лічильниками Гейгера. Джерелами цих частинок є радіоактивний фон навколо нас, джерела випромінювання, прискорювальні установки. Що ж до нестабільних частинок, то ситуація інша. Вони народжуються при великих енергіях на прискорювачах (або де) і вимагають нетривіальних методів для їх реєстрації. Проте є одна нестабільна частинка, котру можна зареєструвати в «кожному домі» -- мюон. Це лептон з масою 105 МеВ і часом життя 2.2 мкс. По простому – це дуже важкий електрон (більш ніж в 200 разів важче). Він нестабільний, хоча має досить довгий час як для елементарної частинки. Це перша частинка, що була відкрита, яка не зустрічається в атомному ядрі.
Вони беруться з космічних променів. Взагалі чимало експериментів були пов'язано з ними у 30х, чимало було зроблено відкриттів. Потім почали будувати прискорювачі на високі енергії і ця тема пригальмувала. Самі космічні промені і їх історія легко гуглиться, тому тут цього не буде.
Реєструвати їх я буду телескопом лічильників, що працюють на збіг. Телескоп може бути зорієнтований під різними кутами до вертикальної площини. Такий прилад реєструє лише ті мюони, шлях яких проходить приблизно вздовж осі телескопу (тобто перетинає обидва лічильники). Мюони мають достатню енергію, щоб викликати розряд в двох лічильниках різних груп, практично, одночасно. «М’яка» складова космічного випромінювання (електрони, гамма кванти) поглинається конструкціями приміщення і нею можна знехтувати. У горизонтальному положенні телескопу реєструються лише випадкові збіги, коли від двох різних ядер одночасно попали частинки в детектор. За схему збігів та відкриття, що зроблені за допомогою неї у 1954 році отримано Нобелівську премію з фізики. На жаль зараз за таку просту схему її вже не отримаєш.
Відразу зазначу, що треба або чутливі, або великі, або багато трубок Гейгера. С двома сбм-20 за 9 годин я зареєстрував лише 12 подій. Тому змінив їх на СТС-6. Вони навіть трохи дешевші на olx. Ці трубки більші. Напруга живлення також 400В (там плато насправді (нема залежності кількості зареєстрованих імпульсів від напруги) і +- 50 В сторону не страшно).
Перш за все треба високовольтний блок живлення. Я зробив з чого було:
Схема класичний пуш-пул з помножувачем на виході. Мікросхему ключів можна замінити на IR2153 з частотою 50кГц. Можна і Atmega8 обійтись: phase correct mode. Але максимальна частота 30-35кГц. Тому треба буде перерахувати трансформатор. До речі трансформатор я рахував в ExcellonIT,але якщо ви рахуватимете за формулою
U=4fSBw.
U – напруга живлення, f – частота ключів, S – площа перерізу магнітопроводу, B – максимальна магнітна індукція (0,2 Тл для радянських феритів), w – кількість витків. На вторинній обмотці я думаю всім зрозуміло як порахувати необхідну кількість витків. Результат не сильно різнитиметься з програмою.
На помножувачі можна і звичайні 1n4007 діоди поставити (в мене невеличке падіння було), але краще швидкі. Конденсатори слід підбирати на як мінімум подвійну напругу помноження. Наприклад у мене на виході трансформатора ~130В, тому конденсатори мають бути як мінімум 260В, а в мене 400В. Ємність краще теж брати побільше, тоді більші струми і менший спад напруги буде.
Класична схема ввімкнення лічильника Гейгера: токообмежуючий резистор і розділюючий конденсатор. Далі йде обмежувач на стабілітроні і формувач сигналу на тригері Шмідта. Далі йде логічне І, вихід якого під’єднано на ногу переривань атмеги. Повна схема прикріплена до статті. Атмега слугує за лічильник імпульсів. Кварц до амтеги бажано поставити побільше. Я поставив на 16МГц, аби встигнути зареєструвати короткий імпульс. Взагалі-то в таких випадках ставлять одновібратор, але я вирішив зайве не навантажувати схему.
Плюс атмега може виставляти час вимірювання. З меню я не заморочувався сильно. Лише необхідний мінімум.
Всю електроніку я розпаяв на три макетки і з’єднав їх втулками у етажерку. На нижньому рівні регулятор напруги і блок високої напруги, на другому рівні формувач сигналу, на третьому рівні атмега.
Аби впевнитись, що я реєструю космічні промені, я зробив два виміри по годині. У вертикальному положенні – 22 події, у горизонтальному – 2.
Отже, це космічні промені!!! Потім я зробив кілька вимірювань під різними кутами (під різними кутами мюони пролітають різну відстань доки зареєструються в детекторі, чим більша відстань, тим більше їх розпадеться) і написав скрипт в матлабі muon.m.tar для обрахунку часу життя. Різниться зі справжнім приблизно в 5 разів, проте можна збільшити час вимірювань і повторити виміри. На це в мене азарту не вистачило.
На розміри обмежень нема. Лічильники мають стояти паралельно. Чим далі ви їх розсунете,тим точніше зможете визначити напрямок з якого прилетіли частинки.
Під установкою стоїть блок живлення (чорна коробка), який видає 12 В. Струм споживання 160мА.
Якщо хтось захоче повторити це, то прошу. Схему і проект в CVAVR я прикріпив: muon telescop muon_telescope
Установка потребує збільшення чутливості (наприклад збільшити кількість лічильників з 1 до 2-3 в кожному плечі). Тоді можна поставити поглинач.
По друге треба було якось автоматизувати якось повороти за допомогою серво та гіроскоп, аби кути нормально вимірювати. Бо саморобна астролябія то добре, але не солідно.
Також треба меню приємніше для роботи. Можливо написати повний контроль установкою з комп'ютера (з матлабу, наприклад).
Загальний бюджет складає 15-20 доларів. Найдорожчі трубки гейгера – обидві мені обійшлись в 10 дол. Плюс дисплейчик і атмега – разом 4 дол. Все інше дріб’язок.
Про застосування мюонів буде окрема стаття.