Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C GIA HÀ NỘI T R Ư Ờ N G Đ Ạ I HỌ C K H O A HỌC T ự NHIÊN ỉ£3« $ ỉH$ 4: ỉiỉ TÊN ĐỂ TÀI NGHIÊN c ứ XÂY DỤNG THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG TIA VŨ TRỤ Mà SỐ : QT-09-11 CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI : CÁC CÁN BỘ THAM GIA: ThS NGUYEN ANH ĐỨC TS NGDYẺN MẬu CHUNG HÀ NỘI - 2009 Báo cáo tóm tắt (tiếng Việt) a Tên đề tài, mã sô Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo lường tỉa vu trụ M ãsõ: QT-09-11 ThS Nguyễn Anh Đức, Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN b Chủ trì đề tài: c Các cán tham gia: TS Nguyễn Mậu Chung, Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN d Mục tiêu nội dung nghiên cứu - Tim hiểu lý thuyết tia vũ trụ mưa rào diện rộng - Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo lường tia vũ trụ từ linh kiện rời rạc e Các két đạt - Kết khoa học: Nghiên cứu mưa rào diện rộng tia vũ trụ - Sản phẩm khoa học: +01 báo: “Setup HiSPARC Cosmic Ray Detector Station in Ha Noi”, Nguyen Mau Chung, Nguyen Anh Due, Giang Kien Trung, Nguyen Thi Xuan, Communications in Phyisics To be published + 01 thiết bị đo lường tia vũ trụ - Kết đào tạo: + 01 luận vãn cử nhân + 01 luận văn thạc sỹ f Tình hình kinh phí đề tài Chi phí hẽl kinh phí lạm ứns đé tài là: 'ITi khốn chun mơn Hội nghị - Chi phí nghiẹp vụ chun mơn nhành Vặt tư vãn phịng - Điện, nước sớ vặt chất Quan lv phí 25.0()0.()00V\Đ 15.000.000VNĐ 4.500.000VNĐ 2.000.000VNĐ 1.500.000VNĐ 1.000.000VNĐ 1.000.000VNĐ T R Ư Ờ N G ĐẠI H Ọ C K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N Summary {by English) a Project, code Code : Research and Fabricate Device measuring cosmic rays QT-09-11 b Main responsible person MS Nguyen Anh Due, Faculty of Physics, Hanoi University of Science (HUS), Hanoi National University c Incorporated members Dr Nguyen Mau Chung, Faculty of Physics, Hanoi University of Science d Purposes and contents - To study cosmic rays and air showers Research and fabricate device measuring cosmic rays from separate components e Results ■ 01 Bachelor thesis ■ 01 Master thesis ■ 01 Science article ■ 01 Device measuring cosmic rays M ỤC LỤC Lời mở đ ầ u Tia vũ trụ .7 1.1 Nguồn gốc thành phần tia vũ trụ sa cấp 1.2 Mưa rào khí diện rộng 1.3.1 Hạt mưa rào diện rộng 1.3.2 Sự phát triển mưa rào diện rộng .10 1.3.3 Hạt sơ cấp mưa rà o 11 Lắp đặt detector 12 2.1 Detector HISPARC 12 2.2 Quá trình lắp đ ặ t .15 Thiết bị đo lường tia vũ trụ .19 3.1 Hệ thu thập sô liệu (D A Q ) 19 3.1.1 Hộp H IS P A R C 19 3.1.2 Ảng ten GPS 20 3.2 Phương pháp đ o 20 3.2.1 Phương pháp đ o 20 3.2.2 Nguyên tắc đ o 3.3 Phần m ề m 22 3.3.1 Phần mềm HISPARC II LABVIEW 22 3.3.2 Bảng điều khiển Angten GPS 24 Kết 25 Kết luận .26 Tài liệu tham k h ả o 28 scientific project 29 Phiếu đăng ký kết nghiên cứu KH-CN 30 B Ả N G C H Ữ V IẾ T T Ắ T N IK H E F National Institute for Subatomic Physics H ISP A R C High School Project on Astro-Physics Research with Cosmics SSF Scintillator Signal Follower G PS Global Positioning System PM T PhotoMultiplier Tube LỜI M Ở ĐẦL' Tia vũ trụ tên chung loại hạt khác đến từ nguốn bên Trái đất Mặt trời, thiên hà siêu thiên hà biến đối nãng lượng giai lớn Các tia vũ trụ có nãng lượng cao thơng lượng tia vũ trụ đến trái đát thấp Khi vào bầu khí quyến Trái đất chúng va chạm với phân tử khí tạo thành mưa rào diện rộng hạt bán (điện từ hardron) T hành phần cua tia vũ trụ sơ cấp bao gồm proton (-8 % ), hạt alpha (11%), hạt nhân nặng (1%) electron (~2%) neutrino (< 1%) Cường độ tia vũ trụ sơ cấp có lượng cao > 10|yeV thấp (một kiện lk rrr thê ký) nén thông tin tia vũ trụ có lượng siêu cao Hiện có nhiều dự án nghiên cứu tia vũ trụ có tám cỡ quốc tẽ như: Pierre Auger Argentina, dự án với kinh phí lớn, tập trung nhiều nhà khoa học với mục đích nghiên cứu tia vũ trụ lượng siêu cao Ngồi có số dự án tận dụng sở hạ tầng cùa trường học, viện nghiên cứu đế nghiên cứu tia vũ trụ kết hợp với mục đích giáo dục như: ALTA Edmonton CH ICO S California M A R IA C H I Trong khuôn khổ hợp tác nhóm vật lv nãng lượng cao G PH E cùa khoa Vât lý viện Hạt nhân Năng lượng cao N IK H E F cưa Hà Lan cụ chương trình hợp tác thuộc dự án Hisparc chương trình nghiên cứu tia vũ trụ bãng cách đo mưa rào diện rộng thông qua trạm sử dụng detector nhấp nháy đặt trường học trẽn đất nước Hà Lan nhóm GPHE phía bạn tặng thiết bị đo lường tia vũ trụ, thiết bị tặng chi dạng linh kiện rời rạc với tổng giá trị 5.000 € Mục đích cua để tài tổ chức nghiên cứu tìm hiếu loại tia vũ trụ chúng vào k hí quyên, hình thành mưa rào diện rộng xây dựng thiết bị đo lường tia vũ trụ từ số linh kiện phía bạn tài trợ nhằm mục đích tăng cường thiết bị nghiên cứu phục vụ còng tác đào tạo nghiên cứu khoa học cua nhổm G PH E cứa khoa Vật lý N Ộ I D U N G C H ÍN H TIA V Ũ TR Ụ 1.1 Nguồn gốc thành phần tia vũ trụ sơ cấp Hầu hết tia vũ trụ bắt nguồn từ Mạt trời, thiên hà siêu thiên hà Bức xạ từ Mặt trời bao gồm proton, electron vài hạt nhân He với động bội số keV Bức xạ chí đủ mạnh đế ion hóa oxi nitơ Ví dụ tượng cực quang kết qu ả hiệu ứng ion hóa tầng trẽn khí Các hạt tích điện đến từ mặt trời có lượng khô ng cao Chúng không bắt đầu trải qua tương tác hạt nhân va chạm với phân tử khí Hơn nữa, tia nãng lượng thấp bị lệch nhiều từ trường Trái đất chúng chi có thê đến Trái đất cực gây tượng cực quang Chúng ta nghiên cứu thuật ngữ “tia vũ trụ" thay cho hạt photon ng trải qua gây tương tác hạt nhân trình va chạm Nhìn chung, động nãng tia vũ trụ lớn nhiều so với lượng nghi cứa hạt Khi khối lượng nghi hạt nhỏ nửa khối lượng tồn phán cúa nó, ta gọi hạt tương đối tính, có tốc độ gần bàng tốc độ ánh sáng Với photon khác photon hạt khơng có khối lượng nghi, có thê nói tia vũ trụ lượng photon đú lớn đế sinh hạt tương tác với vật chất Các trình Mặt trời khơng có khả tạo hạt lượng cao Vậy nguồn gốc cúa tia vũ trụ lượng cao từ bẽn hệ Mặt trời Nó đặt cho m ột câu hỏi bán tia vũ trụ: Cơ c h ế có khả nãng tạo tia vũ trụ nãng lượng cao m quan sát đâu có the tìm thấy chê đó? Các tia vũ trụ nãng lượng lớn 1015eV có nguồn gốc từ thiên hà cho tạo từ vụ Hầu hết lượng giải phóng dạng phát neutrino xạ g a m m a hạt tích điện lượng cao Tốc độ nổ thông lượng hạt nãng lượng cao giai phóng liẽn quan mật thiết với thông lưựnq tia vũ trụ đo trẽn trái đất Trên nâng lượng dường khơng có chế mạnh đú khả đê’ tạo tia lượng cao ta quan sát dược Kết la m o ng đợi mợt điểm phố lượng c tia vũ trụ trẽn 1016eV Tia vũ trụ nãng lượng xuất so với tia vũ trụ có mức lượng m ta q uan sát Để quan sát kiện lạ mức lượng cao 5*1019eV hạt ta quan sát không truyền qua khoảng cách lớn Tại lượng 5*10 19 eV hạt bị nãng lượng chúng tương tác với phông xạ điện từ 2.7K lấp đầy vũ trụ Những photon lượng thấp xuất photon lượng cao qua dịch chuyên Doppler Giới hạn lượng biết điểm cắt GZK Dải lượng >1016eV phán phổ lượng tia vũ trụ nghiên cứu tranh luận Phổ lượng tia vũ trụ chi hình sau: X, 104 » 102 1o'4 10 1 Hình l l : P h ố nâng lượng tia v/7 trụ Phó nãng lượng tổng hợp từ kết nhiều thí nghiệm tiên hành irong suốt nửa sau kỷ 20 Theo hạt co nãng lượng giải lOGeV đến l0 G e V thông lượng giảm theo hàm mũ lượng (E-2.7) Với tia vũ trụ có lượng lớn l0 G e V thông lượng thấp chi khoảng lhạt trẽn lm2 l năm ti lệ với E-3.1 Năng lượng cao tia vũ trụ quan sát X 020eV m ta 1.2 Mưa rào khí qu yển diện rộng Tia vũ trụ lượng cao vào bầu khí Trái đất tạo mưa rào diện rộng hạt tích điện hạt trung hồ trải rộng trẽn mật đất Mức độ m ỡ rộng mưa phụ thuộc vào nãng lượng hạt sơ cấp, mưa rào diện rộng có thè trái rộng theo đường kính l k m tới mặt đất gồm hàng ti hạt Trong phần cho m ột ng uyên tắc chung trình xuất mưa rào diện rộng đặc điểm mưa rào diện rộng phù hợp với thực nghiệm 1.3.1 H ạt tro n g m ưa rào diện rộng Sau tương tác hạt sơ cấp, số hạt mưa rào diện rộng tâng lên tương tác hadronic Đ ó tương tác mạnh tương tác hạt meson tạo thành M eson hạt tạo nên liên kết cặp quark phản quark Các hạt meson nặng phân rã tạo thành m eson nhẹ hơn, photon m uon chi sau phần nhỏ cua giây M eson nhẹ nhất, ỗ meson, có thê chí phân rã tạo thành (phán)m uon với (phán) neutrino muon photon 71 => ụ ụ- => e +V.+ v„ + V, L1 => e + v„ + V X => Cả m eson f t m eson f t nhanh chi 8.3*10 phân rã vòng 2.6*10 8S M eson phân rã s tạo thành hai photon M uon sinh lại tiếp tục phân rã tạo (phán)electron Cá m uon phán muon có thời gian phân rã trung bình 2.2#s, lâu 100 lần so với m eson f t meson K chúng xem tương đối so với meson Trong mưa rào diện rộng m eson tạo muon Quá trình meson phân rã thành photon trình đánh dấu bát đầu thành phần điện từ m ưa rào diện rộng Những photon lượng cao tương tác với hat tích điện có khả nâng tạo m ột cặp electron positron irong trình tạo cặp Khối lượng điện tích hạt lớn tương tác với photon lớn Hạt nhân ví dụ rõ ràng cho phán ứng tạo cặp A(z) + ã => e + e + A (Z) Các electron positron lượng cao lại phát photon chúng bị lệch điện trường hạt nhân Các photon phát gọi xạ hãm Với lượng vừa đủ, photon lại tham gia phản ứng tạo cặp Chuỗi tương tác điện từ dừng lại phôtôn lượng thấp (< IM e V ) khơng cịn đủ khả tiep tục tham gia trình tạo cặp Cuối hạt positron tham gia phán ứng hủy với vật chất phát photon Cặp sản phẩm electron positron thành phần lớn m ưa rào diện rộng Các electron nhẹ meson muon, cần lượng nhỏ đủ đế tạo electron Kết thu cho thấy sô' electron nhiều m u on mưa rào diện rộng Bức xạ sinh hủy thành phần tiêu biểu cho photon mưa rào diện rộng Thành phần cụ mưa rào diện rộng phát thực nghiệm 1.3.2 S ự p h t triển củ a m ưa rào diện rộng Chuỗi phản ứng tương tác nguyên nhân đế mưa rào diện rộng mở rộng kích thước tăng cường độ Nãng lượng cùa hạt sơ cấp phân bo nhánh hạt thứ cấp Kết qua nãng lượng trung bình hạt giám xác suất để tạo hạt tương tác Các hạt tiêu hao lượng chúng qua bầu khí hầu hết chúng biến trước xuống tới mật đất Do đó, cuối số lượng hạt mưa rào diện rộng giảm Kết quan sát cho thấy tồn độ cao m số hạt mưa rào diện rộng lớn Với tia vũ trụ lượng cao độ cao thấp phụ thuộc vào loại tia vũ trụ sơ cấp Tuy nhiên, phụ thuộc yếu số lượng hạt sinh hàm mũ khối lượng khí truyền qua khối lượng khí đơn vị thể tích tăng theo hàm luỹ thừa độ sâu khí q uyển tăng Thường độ cao vào khoảng 10km Đường biên m rộng mưa rào biểu diễn hình 1.2 10 3J.2 Bảng điểu k h iển A n g te n G P S Control Setup Monitor View Help "Tine -Tine I Status 16:02:37 UTC Dale I Feb 13 2008 Week I 1466 UTC Offset TOW I 31G971 14 seconds “ Position (Decimal Degrees] Latitude Longitude f Altitude Ị 52.355204 degrees 950058 decrees 55 GO melefs “ GPS Status — Antenna open • Antenna Shoit • Satellite Tracking Sqnal Levels sv Level 100£ Rcvt Mode : (7] Overdet Clock (Time) (0] Doing Fixes L a 106 3 150 • S e lf-S u rv e y A c t iv e • Stored Position B9 118 • Leap Second Pending BB1 172 • Tesl Mode Position Questionable ESI 22 H O 154 • Almanac B 13 • PPS Generated Temperalure (deg C] 28 05 Timing Self S u v e y Progress GPS Status • Bias -15086311 m Bias Rate 823.02 ppb PPS Quanỉ Errof -8.2 ni 0.0 0.0 0.0 00 00 Log Slatus TSIP © Data o COMG 9600 8-0-1 H ình 3.4: Bảng điều khiển Angten GPS Nếu phần cứng H isparc sử dụng thời gian đầu máy thu GPS cần dược định dạng lại Q uá trình miêu ta phụ mục GPS Sau thiết bị Master bật on, máy thu GPS c ãn m ột thời gian đê vệ tinh nhân tạo có vết vã tính thời gian UTC Bạn kết nối trạm m y thu GPS thiết bị Master tới PC đẻ’ quan sát trạng thái trình p h ần m ề m DSPvGPS Timing Monitor (hình 3.4) Đê bát đầu chương trình, chạy G PS\D SPM on.exe thư mục cài đặt Sau cài đặt phần mềm Labview cần link Start M enu Dao diện chương trình cần số cúa trạm máy thu GPS COM Bạn có thê thay đổi sơ băng cách kích chuột phai vào nút thấp góc bên phải cua W in d o w ( C O M 9600 8-0-1 hình 3.4) Chương trình L a bv ie w chi thu nhận thông tin GPS nêu + Tất Status m u xanh + Thời gian U T C + Rcvr M o d e G PS Status (7) Overdet Clock(Time) + Số vệ tinh(SV ) tối thiếu Signal Levels màu xanh (hay nhiêu lơn tiến hành) 24 Đê chac ch â n lần kiêm tra bạn khởi động lại thiết bị Master trươc bạn bắt đầu chương trình Labview đế giữ số liệu Thông tin GPS không cần đỏi với thủ tục đặt, bạn kiểm tra điều trước bắt đáu trình KẾT QUẢ Nếu m ột k iện biểu diễn Events/Settings Expert Settings, giá trị vài đại lượng quan trọng tính cho kênh chương trình Hisparc cộng vào đổ thị bảng statistic (hình 3.5) Các đại lượng Number of Peaks (sô đỉnh) Pulse H eight (chiều cao xung) Integral (tích phân) tín hiệu ghi H istog ram num ber of peaks (đồ thị số đỉnh) đếm số đinh tín hiệu ghi Chỉ đỉnh lớn 60 ADC (#35mV) cho vào tài khoán, đo chiều cao khác điểm cao điểm thấp đính Pulse Height (chiều cao) xung lớn (hoặc nhỏ nhất) tín hiệu toàn thời gian ghi Giá trị tính tương đối tới ranh giới, điều xác định bới việc lấy trung bình điểm liệu đầu tiên, PM T Đổ thị thứ ba biếu diễn loàn giá trị tín hiệu thu Tồn giá trị tơng đính tín hiệu tương đối tới đường ranh giới, mồi điểm ỡ đính mở rộng ADC (#2mV) Tất đổ thị có m ột giá trị lớn Đường giới hạn biểu diễn bang Statistic kiên Giá trị nên 200 A D C counts sau thủ tục calibration Nếu tín hiệu thay đổi nhiều điểm liêu đầu tiên, chương trình khơng thê tính đường giới hạn Trong trường hợp thử lại điêm CUÔ cua tin hiẹu ghi Nêu không làm điều giá tri cho đổ thi không thê tinh va chương tnn h cho loi đường giới hạn(-999) Số lỗi kênh biêu diễn bên phải cua đường giới han Trên bảng Statistic ban xem mồi bẽn ngưỡng Đó số lẩn tín hiệu tương tự lối vào vượt ngưỡng Trong cột bên trái moi kenh moi so last second biểu diễn N nút Start Counting đươc đãt chương trình đếm mồi hèn cho chiều dài chu kỳ thời gian, ỏ cột giữa, ban co thê xem tong sô cua mo chu kỳ trung b ình/second cơt bẽn pha, Ban có thẻ đat thịi gian lớn nhái dế dèm với Time to count điều khiển, đêm đươc dừng lại việc đãt trước nút Counting MM Hstaj ffctoQrsnnư*«- rfBMW SlíRT CDUWTtXC I Hình 3.5: Bảng Statistic KẾT LUẬN Sau thời gian thực đề tài chúng tơi lăp đặt thành cóng hệ đo tia vũ trụ Hisparc H Nội g m hai detector nhấp nháy Một detector nhấp nháy hoàn chinh bao gồm nhấp nháy, dẫn sáng ơng nhân quang điện (PMT) Tín hiệu từ PMT thu nhận băng thiết bị điện tử Hisparc II Dữ liệu thu xử lý bơi phần mềm Hisparc II viết ngõn ngữ lập trình Labview Thiêl bị dã hoạt động thu kêt C |u ban đẩu Xung tín hiệu từ PM T có thê t]uan sát hình dao đ ộ n g ký Phân bố lương cua m uon thong qua biên độ xung tín hiệu (đã thay đổi thơng qua DAC) 2fi Thiết bị thu tín hiệu từ vệ tinh xác định tọa độ (kinh độ ví độ, cao độ) thời gian thực Các sỗ liệu thu được ghi vào hệ thu thập liệu máy tính phịng thí nghiệm sau chuyển sang máv tính chạy hệ điều hành Linux (Local D atabase) Ngoài ra, detector kết nối với thiết bị điện tư khác (Muonlab II) hoạt đ ộng thu thời gian sống muon Trong tương lai chún g tiến hành mở rộng hệ đo tia vũ trụ Hisparc với detector nhấp nháy (M a ste r Slave) Hệ điện tử lúc phải chuyến sang chế độ làm việc thứ hai (chương 3), ta đo hướng đến tín hiệu Với giúp đỡ cúa Hà Lan, ch ún g tiến hành lắp đặt trạm thứ hai tiến hành trùng phùng thực mưa rào diện rộng khoảng đường kính 2km Sau liên két với Hà Lan, tiến hành đẩy số liệu Centre Database để trao đổi két T À I L IỆU TH A M KHẢO C.T Herbschleb(2004), H iSPA R C in general, NIKHEF, Amsterdam NL Donald H.Perkins (2000), Introduction to High Energy, Cambridge University Press, 4th edition Europhysicnews(2007), n u m b e r 5, volume 38, 25-28 H.J Bulten (2004), B uiding a H iSPARC detector & Signal Processing NIKHEF Amsterdam NL J.w van H olten(2005), H iSPA R C a view from the bottom NIKHEF, Amsterdam Science(2005), Vol 310, 770- 771 C.Timmermans et al (H ISPA R C Collaboration), 29ICRC(2005) R.D.McKeown et al (CH ICO S Collaboration) 28ICRC 1057(2003) V.S.Berezinsky et al Astrophysics o f cosmic Rays, North- Holland 10 s p Sword y, Proc.24th Int Cosmic Ray Conf., Rome 2.697 (1995) 11 S.Yoshida(2004), C R /Physics 483-493 12 h ttp ://w w w e u r o p h y s ic sn e w s.o r g 13 http://www.sciencem ag.org 14 http://www.auger.org 15 http://w w w cosm ic-ray.org/index.shtm l 16 http://www.hisparc.nl 17- h tt p ://w w w n ik h e f.n l/jle e r d a m 18 Nguyễn Thị X uân, luận văn thac sỹ khoa Vát lý trường ĐH Khoa hoc Tư nhiên Ha Nội 2009 28 SCIENTIFIC PROJECT BRANCH: PHYSICS PROJECT CATEGORY: NATIONAL LEVEL Title Research and Fabricate Device Control Using Telephone C ode: QT-09-11 Managing Institution Hanoi University of Science Implementing Institution Faculty of Physics, Hanoi University of Science Collaborating Institutions Coordinator Dr Nguyen Mau Chung, Faculty of Physics, Hanoi University of Science Key implementors MS Nguyen Anh Due Duration: From 04/2009 to 04/2010 Budget 25.000.000VND from Hanoi University of Science 10 Main results: ■ 01 Bachelor thesis ■ 01 M aster thesis ■ 01 S cien ce article ■ 01 Device measuring cosmic rays 11 Evaluation grade 29 Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N K H O A VẬ T LÝ í o * o ỉ N guyễn Thị Dung XÂY DựNG HỆ ĐO TIA VŨ TRỤ HISPARC TẠI HÀ NỘI K H O Á L U Ậ N T Ó T N G IIIỆ P H Ệ Đ Ạ I H Ọ C C H ÍN H Q U Y N g n h : V ậ t lý H ạt nh ân C án h n g dẫn: T S N guyễn M ậu ( H N ộ i, 0 ^ Đ Ạ I H Ọ C Q U Ô C G IA H À NỘI TRUỜ NG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN N guy ễn Thị Xuân HỆ ĐO TIA VŨ TRỤ HISPARC TẠI HÀ NỘI * * • • C h u y ê n n g n h : V ậ t lý n g u y ê n tử, h ạt n h â n n ă n g lirợng cao Mã số: 604405 LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẢN KHOA HỌC: TS NGUYỄN MẬU CHUNG Hà N ộ i - 0 £ VÀ CỔ NG NGHE VIET NAM ■UNICATIONS IN PHYSICS i t DAO, HA N ộ] Ịp36; 70thd@ yahoo.com GIẤY XÁC NHẶN ĐÃNG BÀI Kính gửi: N h ó m T ác giả N g uyễn Anh Đức, Khoa Vật lý, T r n g Đại học K hoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Tòa soạn T p chí C o m m un icatio ns in Physics xin trân trọng thông báo tới tác giả tình trạn g báo: "Setup Hisparc Cosmic Ray Detector Station in H a n o i” n h ó m tác già N guvễn M ậu Chung, Nguyễn Anh Đức, Giang Kiên T rung, N g u y ễ n Thị Xuân Bài báo đ a n g tro n g trình duyệt đăng Khi có kết qua nhận dăng cụ thể, Tịa soạn th n g báo tới tác giả sau X in trân tr ọ n g ca m n s ự cộ n g tác nhiệt tình cua tác g ia ' H Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2009 Thu ký Tòa soạn N guvễn X uân Giao Setup H i S P A R C Cosmic R ay D e te c to r S t a t i o n in H a Noi Ngiiyen M a n C h u n g , N g u y e n A nil D ue, G ia n g K ien T rim s Nguyen Thi Xuan F a c u l t y o j F l i j s r I ( V " r q p o f S f II ' i Cr V \'r N ọ u y c v Trill H a n o i Y i r l v n n ' A b stra c t : ỉ ỉ ì S P Ả R C ' ( H ig h S ch oo l Pri.jr I I.h lsf ./f :■,y.v ■ n stu irli u:ili' 'W/JM -/ II project Hint envisages Ihr u se o f a larqi irrũị/ o f cosmic ray dcte to n i placcd at Uiijh ckoo i ami scientific i n s t i t u t i o n s I it the N e th e r la n d s in order In measure the highl-rneriỊy (oRmir ray s h o w e r T Ì 1C ( i w i i o f lln s p ro je c t iirr d e ta ile d rqpq trrm c.vt f ovr/ I r ■ 'Ĩ/ s between the h i r e a n d the tinkle m e a s u r e cffccts o f tiir G Z K -cu toff invi t ’liuti' 'hr m - t f ’re oj n earby s m m r s I)f U lt r a H iq h E n c rq y f a c " iir r a i l II i d V Iir'ti'fi'tt h w q I'D :/ ' lit between sh owe I d etection s Ill c o o p r m t ĩ p v with N I K H E Ĩ (IV (I A t ' 1‘ Tẩcvt r ’n mrs 'ỊỊ Ihr HiI Nùi G P H E ( C r o v p c dc P h y s i q u e (Irs Haul/'S Enerijii s') hiP'r s r ’ j] H ĩ S P A B l ■ Ray Detector S t a t i o n in V ie t N a m III Asliv Particle P h y s i c s research T h i ' jiajy r IS Ike a c i i ú h / report n f the H i Not C!PHE The p r e l h n m a r y 1C'lilts with CO.," w —II II nr- a 'so presented ill tins work Introduction T h e co sm ic l a y a ro a lm o st d i a l l e d p a r tir lr s like p ro to n 1 bvr J.-t be reconstructcd HiSPARC project have setuj) ibout iO dft( t n T h a n k s to tlw h e lp of N I K H E r F =111(1 A m ftc rila m [ 'lien til r;f fh ' 11 flI lljio f f 1^1 ,tv Mil G r o u p c (lc ff University of Science have set up a HiSPARC Cosmic Ray Detector Station in Ha Noi The Ha Noi station begin to take data from cosmic ray These device will allow the GPHE to participate in HiSPARC project in the near future B u ild in g scin tillation d etecto r This section describes the building process of a Hisparc scintilation detector The main component of the detector is scintilation plate, material BC408 (this is polyvinyl toluen C 10 H 11 with some organic fluor compound) with an area of 0.5 X m2 and a thickness cm A fished tail shaped light guide, with the lenght 65 cm will be attached to the scintillator so that a tiny flash created when a charge particle pass throughout the scintillator can reach a photomultiplier tube (PM T) glued on the other side of this light guide after many internal inflections ’ 10 10 10 ' Bo J ị (J )° E n e rg y ỊeV Ị Figure 1: The cosm iL ray spectrum The scintillation plate and the light guide must be flat with tolerance of 0.02 mm in max First, vve must polish the to-be-glued edges with 1200 grain paper after that with 2400 grain paper (use water) For gluing the light guide on top the scintillation plate, the special glue EJ 500 is used This glue consists of two components which have to be mixed accuratelly in proportion : (optical cement : hardener), 10 g for each detector When the stirring is done, a vacuum pump will be used to remove the babbles of air from the glue This glue has to dry for at least 24 hour and it takes even more time for the glue to become fully transparent After glued together, the scintillation piates and light guide are packed in alu minium foil for internal reflection Using black pond foil we wrap all the system in order to make them light tight The main components of detector such as scintillation plate, light guidP: photiotubes were sent to Ha Noi by NIKHEF and Amsterdam University All the Hisparr cosmic ray detector station were assembled in Ha Noi by the members of GPHE group It takes abou t one week to build a scintillation detector The figure show a Vietnamese student with a detector in construction : a scintillation plate has b e e n g lu e d to a light piidp Data acq u isition sy ste m The Hisparc station in Ha Noi consists of two detectors with I he configuration shown on the right of the figure The total detector surface area of this station amounts to 0.5 + 0.5 = 1.0 m In order to minimise the angular dependence, two detectors are put in paralell, the effective size of the station in two directions will then be m2 The distance between the two detectors is meters The GPS is installed at the middle of the axis between the two scintillators centers Figure 2: s e m u la t io n p la te (le ft) a n d H isparc configuration (right) If a charged particle passes the scintillation material, its exites electron When those electron fall back into ground state, a photon is emitted (blue light in our case) High energetic particles (in our case usually muon from cosmic rays) loose only a part of their energy In air showers we want to measure electrons with an average energy of 1.5 MeV and muons which tipycally loose an average energy of 4.5 MeV in the plate The photons created in the scintillation plate will be transferred to the PMT attached to the smallest edge of the light guide The PM T is used to convert photons in an fast electronic signal about 20 nanoseconds as shown on the left of the figure High Voltage Low Thresold Offset Pos Gain Pos 1Integrator times Chanel 791 30.2 138 68 255 Chanel 796 30.2 126 60 255 Current (mA) High Thresold Offset Ncg Gain Neg Chanel Chanel 8.24 8.53 110 110 132 112 216 172 T able 1: P a m e te rs f o r two channels The PMT is collected to a scintillation signal follower (SSF; in the Hisparc II electronic box The electronic box is both controlled an I monitored via scfiware The “Wing parameters (shown on the table 1) can be entere.1 via LabView panels and can e«ily be modified by users A GPS is also collected to the SSF 10 provide an accurate Umin8- The SSF is used to set thresold, to control high voltage for the- PMT, as well as toread the signal from PM Ts The signal from both PMT's fire a m p lif ie d and compared to threshold When the both signals are above the threshoi'l, tiiB> be accepte converted in digital signal T he data are combined with a GI s time 'tamp an horded on a local computer Afterwards, the data are sen' " computer b e l i e s for coincidcncc b e t w e e n UlC I'esuil/O tu i u i i l c r III ■ ' Preliminary R esults After calibration the device begin to run and taka data The GPS system can detect seven satelites and determine exact positions : lantitude, lonẹitude and aititu^0 Onecan see on the figure the signal at output of scintillators/PM We have also obtained the spectre of energies deposited in detectors by cosmic rays Figure 3: Signal a t P M T o u u ts (le ft) a n d d is tn b u tu io n o f m uon lifetim e (right) The new buiding detector (scintillation, light guide and PM), has also been used tomeasure the lifetime of cosmic muon [4] in order to test their performance In this case, the other electronic block and the software MuonLab II are used for data aquisition All thesystem run more than 30 effective days (one time for continuos days) The obtained lifetime of cosmic muon (on the the left of figure 3) is compatible with the nominal value Conclusion and A ck now ledgem ents The Ha noi have set up successfully the first HiSPARC Cosmic Ray Detector Station in Viet Nam The preliminary results involving cosmic muon have been obtained by using this station The energy deposited in detector by cosmic muon will be studied In the next step, we intend to create the local database on a computer in Ha Noi and Sind raw data by internet to central database in Amsterdam The combined data will be analysed in order to reconstruct the possible ultra extensive air shower We are very grateful to Bob Van Eijk for fruitful discussions One of authors (N.M.C.) would like to thank Jan Ondenziel for the hospitality during my stay in NIKHEF Md Amsterdam University The authors acknowledged the financial support of Vietnam Nttional University (grant QT 09-11) References M NHayashida et al., AstroPhys J 2 (1 999), 225 Í2I K Greisen, Phys Rev Lett 16, (1966), 748 I3I Bob van Eijk; Henk Jan Bulten “HiSPARC : A Joint Vi/tit.uiv f'T Research and Wucation" Nuclear Physics News, 1931-7336, Volume IÍÍ, Issue 2, 2005 M Nguyen Mau Chung et al., “Muon lifetime m e a s u r e m e n t u sin g HiSPARC detector “ be published PHIẾU Đ ẢNG KÝ K ẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u KH-CN TỈIdểtài (hoạc dự án): Nghiêncứu xây dựng thiết bị đo [ường tia vũ trụ QT-09-11 Coquan chù tr ì đề tài (hoăc d ự n ): TRUỜNG đ i h ọ c k h o a h ọ c t ự n h iê n , đ h q u ố c g ia h nô i Điachi: 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà nội Tel:_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Coquan quản lý đề tài (hoăc d ự n ): TRUỜNG ĐẠI HỌC Q u ố c GIA HÀ NỘI Địachi: 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà nội Tổng kinh phí thực chi: Trong đó: - Từ ngân sách Nhà nước: 25.000.000 đồng 25.000.000 - Kinh phí trường: - Vay tín dụng: - Vốn tự có: - Thu hổi: Thòi gian nghièn u : 12 tháng Thời gian bắt đẩu: 4/2009 Thời gian kết th úc: 2/2010 Tèncáccán phôi hợp n g h iên u: I TS Nguyễn M ậ u C h u n g , Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN Sốdâng ký đề tài So c h ứ n g n h ậ n đ ă n g ký Bảo m ật: a Phố biến rộng rãi: X kết q u ả n g h iê n u: Ngày: b Phố biên hạn chế: c Bảo mật: - Tomtât két nghiên cứu: Các kết đạt được: Tìm hiểu lý thuyết tia vũ trụ mưa rào diên rộng Xây dựng thành công thiết bị đo lường tia vũ trụ 30 Kiên nghị vê quy mỏ đối tượng áp dung nghién cứu: Chú nhiệm để tài Họ tên Thù trường quan chù trì dê tài Thú trướng quan quản ly đề tài J, _ TÍ G1AM P ' ’1 mọc ■1 Chù tích Hội dóng dánh giá thức ruỏncbà nkhoa Nguyễn Anh Đức Ci/3 ♦*- Học hàm học vị Kí tên Đóng dấu Thạc sỹ _ ly., ì *n ỏ Hlễu THỰC „ệrsrrỉ / • ': ✓ / > ' k /~ ì - ^ \ f TÚ 40 G3 I V 31 J ' w / i f ilt iiv n y ... tiêu nội dung nghiên cứu - Tim hiểu lý thuyết tia vũ trụ mưa rào diện rộng - Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo lường tia vũ trụ từ linh kiện rời rạc e Các két đạt - Kết khoa học: Nghiên cứu mưa rào... Tomtât két nghiên cứu: Các kết đạt được: Tìm hiểu lý thuyết tia vũ trụ mưa rào diên rộng Xây dựng thành công thiết bị đo lường tia vũ trụ 30 Kiên nghị vê quy mỏ đối tượng áp dung nghién cứu: Chú... trình nghiên cứu tia vũ trụ bãng cách đo mưa rào diện rộng thông qua trạm sử dụng detector nhấp nháy đặt trường học trẽn đất nước Hà Lan nhóm GPHE phía bạn tặng thiết bị đo lường tia vũ trụ, thiết