نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه فیزیک تجربی و کاربردی، پژوهشکده فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 836-14395، تهران- ایران

10.24200/nst.2023.1321

چکیده

میون‌­ها به دلیل سطح مقطع کوچک برای انجام واکنش، متداول‌­ترین تابش فضایی قابل آشکارسازی در سطح زمین هستند. میون‌­ها همانند سایر ذراتی که از طریق برخورد ذرات پرانرژی تولید می‌­شوند، ناپایدار و دارای طیف توزیع طول عمر هستند. در این مقاله، انرژی و طول عمر تابش میون با استفاده از سیستم طیف‌­سنجی دیجیتال اندازه‌­گیری شده است. در روش ارایه شده همه ماژول­ه‌ای الکترونیک هسته‌­ای آنالوگ حذف و فرایند شکل­ دهی به سیگنال‌­ها و ثبت آن­ها به صورت نرم­‌افزاری انجام شده است. در این اندازه‌­گیری، رویدادهای تابش زمینه به صورت هم­‌زمان با استفاده از دو آشکارساز NaI(Tl) که در زاویه °90 نسبت به سطح افق نصب شده­‌اند، آشکارسازی شدند. سیگنال­‌های ثبت شده در پیش‌­تقویت‌­کننده دو آشکارساز، به صورت مستقیم با استفاده از یک دیجیتایزر شکل ­دهنده موج نمونه‌­برداری و پس از پردازش به صورت لیست داده‌­ها ذخیره شدند. با برنامه‌­نویسی روی لیست داده­‌ها، در حدود 105 رویداد تابش‌­ها میون در مدت زمان دو هفته تشخیص داده شده ­اند. با اندازه‌­گیری فاصله زمانی بین رویدادهای تشخیص داده شده به عنوان تابش میون، طول عمر آن­ها استخراج و با برازش تابع نمایی بر داده‌­های تجربی، طول عمر میون sµ 03/2 تعیین شده است. مقایسه نتایج نشان می‌دهد که طول عمر به دست آمده برای ذره میون در این پژوهش با سایر داده­‌های تجربی مطابقت دارد. گذار از الکترونیک هسته‌­ای آنالوگ به دیجیتال در طیف سنجی تابش میون، سادگی، قابلیت اطمینان بالا، اندازه کوچک و وزن کم سامانه جمع‌­آوری داده و امکان نصب آن بر روی ماهواره­‌های تحقیقاتی را فراهم می‌­کند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Identification and measurement of muon cosmic radiation using digital spectroscopy system

نویسندگان [English]

  • A. Biganeh
  • O. Kakuee

Department of Experimental and Applied Physics, Physics and Accelerators Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box:14395-836, Tehran-Iran

چکیده [English]

Due to the low cross-section to perform the reaction, muons are the earth's most common detectable cosmic rays. Like the other particles produced by the collision of energetic particles, muons are unstable and have a lifetime distribution spectrum. This paper measures the energy and lifetime of the muon cosmic radiation using a digital spectroscopy system. In the presented method, all the nuclear electronics modules are omitted, and the process of forming the signals is recorded in the software. To perform this measurement, radiation events were detected in coincidence mode using two NaI (Tl) detectors installed at the angle of 90° concerning the horizon line. The signals recorded in the pre-amplifier of the two detectors were sampled directly using a waveform digitizer and, after recording, stored as the list mode data. By programming on the data list, about 105 muon events were detected over two weeks. Their lifetime is extracted by measuring the time interval between events detected as muon radiation. By fitting the exponential function to the experimental data, the muon lifetime is determined to be 2.03 µs. The results show that this study's obtained lifetime for muon is consistent with the other experimental data. The transition from analog to digital nuclear electronics in muon radiation spectroscopy provides simplicity, high reliability, small size, light weight of the acquisition system, and the possibility to be installed on the research satellites.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Identification of cosmic ray
  • Muon lifetime
  • NaI (Tl) detector
  • Digital spectroscopy
1.       M. Aguilar, et al., Towards understanding the origin of cosmic-ray electrons, Physical Review Letters, 122.10, 101101 (2019).
 
2. Ackermann, Markus, et al., Detection of the characteristic pion-decay signature in supernova remnantsScience, 339.6121, 807-811 (2013).
 
3. D. Denisov, Detection of Muons, Academic Lecture, April, (2000).
 
4. R.B. Singh, Introduction to modern physics, New Age International, (2008).‏
 
5. A.A. Petrukhin, The possibility of searching for new physics in cosmic raysPhysics of Atomic Nuclei, 66.3, 517-522 (2003).
 
6. R. Wordel, et al., Study of neutron and muon background in low-level germanium gamma-ray spectrometry, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 369.2-3, 557-562 (1996).
 
7. Morishima, Kunihiro, et al, Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muonsNature, 552.7685, 386-390 (2017).
 
8. Hu, Yushi, et al., A simple setup to measure muon lifetime and electron energy spectrum of muon decay and its Monte Carlo simulationarXiv Preprint arXiv, 1608.06936 (2016).
 
9. CAEN Electronic Instrumentation, 2018. MC2 Analyzer User Manual, vol. 3. Choudalakis, G., Gotsis, A.D., 2012. Free volume and mass transport in polymer nano-composites. Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 17 (3), 132–140.
 
10. A. Biganeh, et al., Development of a 2D digital coincidence Doppler broadening spectrometer, J. Instrum., 14, 02. P02017 (2019).
 
11. D.B. Chitwood, et al., Improved measurement of the positive-muon lifetime and determination of the Fermi constant, Physical Review Letters, 99.3, 032001(2007).