Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo lường tia vũ trụ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
ỉ£ 3« $ ỉH $ 4: ỉiỉ
TÊN ĐỂ TÀI
NGHIÊN c ứ ư XÂY DỤNG THIẾT BỊ
ĐO LƯỜNG TIA VŨ TRỤ
MÃ SỐ : QT-09-11
CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI : ThS. NGUYEN ANH ĐỨC
CÁC CÁN BỘ THAM GIA: TS. NGDYẺN MẬu CHUNG
HÀ NỘI - 2009
1. Báo cáo tóm tắt (tiếng Việt)
a. Tên đề tài, mã sô
Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo lường tỉa vu trụ
M ã sõ : QT-09-11
b. Chủ trì đề tài: ThS. Nguyễn Anh Đức, Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN
c. Các cán bộ tham gia: TS. Nguyễn Mậu Chung, Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
- Tim hiểu lý thuyết về tia vũ trụ và mưa rào diện rộng.
- Nghiên cứu xây dựng thiết bị đo lường tia vũ trụ từ các linh kiện rời rạc.
e. Các két quả đạt được
- Kết quả khoa học: Nghiên cứu về mưa rào diện rộng của các tia vũ trụ
- Sản phẩm khoa học: +01 bài 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 quả đào tạo: + 01 luận vãn cử nhân
+ 01 luận văn thạc sỹ
f. Tình hình kinh phí của đề tài
Chi phí hẽl kinh phí lạm ứns của đé tài là:
'ITiuê khoán chuyên môn
25.0()0.()00V\Đ

15.000.000VNĐ
4.500.000VNĐ
2.000.000VNĐ
1.500.000VNĐ
1.000.000VNĐ
1.000.000VNĐ
Hội nghị
- Chi phí nghiẹp vụ chuyên môn từng nhành
Vặt tư vãn phòng
- Điện, nước và cơ sớ vặt chất
Quan lv phí
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
2. Summary {by English)
a. Project, code
Research and Fabricate Device measuring cosmic rays
Code : 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

MỤC LỤC
Lời mở đầu 6
1. Tia vũ trụ 7
1.1 Nguồn gốc và thành phần của tia vũ trụ sa cấp 7
1.2 Mưa rào khí quyển diện rộng 9
1.3.1. Hạt trong mưa rào diện rộng 9
1.3.2 Sự phát triển của mưa rào diện rộng 10
1.3.3. Hạt sơ cấp trong mưa rào 11
2. Lắp đặt detector 12
2.1 Detector HISPARC 12
2.2. Quá trình lắp đặt 15
3. Thiết bị đo lường tia vũ trụ 19
3.1 Hệ thu thập sô liệu (DAQ) 19
3.1.1 Hộp H ISP A R C 19
3.1.2 Ảng ten GPS 20
3.2 Phương pháp đo 20
3.2.1 Phương pháp đo 20
3.2.2 Nguyên tắc đ o 2 1
3.3 Phần m ềm 22
3.3.1 Phần mềm HISPARC II LABVIEW 22
3.3.2 Bảng điều khiển Angten GPS 24
4. Kết quả 25
5. Kết luận 26
Tài liệu tham khảo 28
scientific project 29
Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu KH-CN 30
BẢNG CH Ữ VIẾT TẮT
NIK H EF
National Institute for Subatomic Physics
HISPARC

High School Project on Astro-Physics Research with Cosmics
SSF Scintillator Signal Follower
GPS
Global Positioning System
PMT
PhotoMultiplier Tube
LỜI MỞ ĐẦL'
Tia vũ trụ là tên chung của các loại hạt khác nhau đến từ các nguốn bên ngoài
Trái đất như Mặt trời, thiên hà và các siêu thiên hà. biến đối nãng lượng trong một giai
lớn. Các tia vũ trụ có nãng lượng càng cao. thông lượng tia vũ trụ đến trái đát càng
thấp. Khi đi vào bầu khí quyến của Trái đất chúng va chạm với các phân tử khí và tạo
thành mưa rào diện rộng các hạt cơ bán (điện từ và hardron). Thành phần cua tia vũ trụ
sơ cấp bao gồm proton (-86%), hạt alpha (11%), các hạt nhân nặng (1%). electron
(~2
%) và neutrino (< 1%). Cường độ các tia vũ trụ sơ cấp có năng lượng cao > 10|yeV
rất thấp (một sự kiện trên lkrrr trong 1 thê ký) nén thông tin về các tia vũ trụ có năng
lượng siêu cao đó cho đến nay vẫn rất ít.
Hiện nay đã có nhiều dự án nghiên cứu tia vũ trụ có tám cỡ quốc tẽ như: Pierre
Auger ở Argentina, một dự án với kinh phí lớn, tập trung nhiều nhà khoa học với mục
đích nghiên cứu tia vũ trụ năng lượng siêu cao. Ngoài ra cũng có một số dự án tận
dụng cơ sở hạ tầng cùa các trường học, viện nghiên cứu đế nghiên cứu tia vũ trụ kết
hợp với mục đích giáo dục như: ALTA ớ Edmonton. CHICOS ớ California.
MARIACHI
Trong khuôn khổ hợp tác giữa nhóm vật lv nãng lượng cao GPHE cùa khoa Vât
lý và viện Hạt nhân và Năng lượng cao NIKHEF cưa Hà Lan. cụ thế là chương trình
hợp tác này thuộc dự án Hisparc đây là một chương trình nghiên cứu tia vũ trụ bãng
cách đo mưa rào diện rộng thông qua các trạm sử dụng detector nhấp nháy đặt tại các
trường học trẽn đất nước Hà Lan. nhóm GPHE đã được phía bạn tặng thiết bị đo lường
tia vũ trụ, nhưng thiết bị được tặng chi ở dưới dạng các linh kiện rời rạc với tổng giá trị
là 5.000 €.

Mục đích chính cua để tài này là tổ chức nghiên cứu tìm hiếu về các loại tia vũ
trụ khi chúng đi vào khí quyên, sự hình thành mưa rào diện rộng và xây dựng thiết bị
đo lường tia vũ trụ từ số linh kiện được phía bạn tài trợ nhằm mục đích tăng cường thiết
bị nghiên cứu. phục vụ còng tác đào tạo và nghiên cứu khoa học cua nhổm GPHE cũng
như cứa khoa Vật lý.
NỘI DUNG CH ÍNH
1. TIA VŨ TRỤ
1.1 Nguồn gốc và thành phần của tia vũ trụ sơ cấp.
Hầu hết các tia vũ trụ được bắt nguồn từ Mạt trời, thiên hà và các siêu thiên hà.
Bức xạ từ Mặt trời bao gồm proton, electron và một vài hạt nhân He với động năng là
bội số của keV. Bức xạ này chí đủ mạnh đế ion hóa oxi và nitơ. Ví dụ. hiện tượng cực
quang là kết quả của hiệu ứng ion hóa tầng trẽn khí quyển. Các hạt tích điện đến từ mặt
trời có năng lượng không quá cao. Chúng không thế bắt đầu hoặc trải qua một tương
tác hạt nhân khi va chạm với các phân tử khí. Hơn nữa, những tia nãng lượng thấp bị
lệch đi nhiều bởi từ trường của Trái đất. chúng chi có thê đến Trái đất tại các cực và
gây ra hiện tượng cực quang. Chúng ta nghiên cứu thuật ngữ “tia vũ trụ" thay cho các
hạt và photon khi chúng trải qua hoặc gây ra tương tác hạt nhân trong quá trình va
chạm. Nhìn chung, động nãng của tia vũ trụ lớn hơn rất nhiều so với năng lượng nghi
cứa hạt. Khi khối lượng nghi của hạt nhỏ hơn một nửa khối lượng toàn phán cúa nó, ta
gọi đó là hạt tương đối tính, nó có tốc độ gần bàng tốc độ ánh sáng. Với photon thì
khác vì photon là hạt không có khối lượng nghi, nhưng chúng ta có thê nói nó là một
tia vũ trụ khi năng lượng của photon đú lớn đế sinh ra hạt cơ bản khi tương tác với vật
chất. Các quá trình trong Mặt trời không có khả năng tạo ra hạt năng lượng cao đó.
Vậy nguồn gốc cúa tia vũ trụ năng lượng cao là từ bẽn ngoài hệ Mặt trời của chúng ta.
Nó đặt ra cho chúng ta một câu hỏi cơ bán về tia vũ trụ: Cơ chế nào có khả nãng tạo ra
các tia vũ trụ nãng lượng cao mà đôi khi chúng ta đã quan sát được và ớ đâu chúng
ta có the tìm thấy cơ chê đó?
Các tia vũ trụ nãng lượng lớn hơn 1015eV. có nguồn gốc từ thiên hà và được
cho là tạo ra từ các vụ nó sao. Hầu hết năng lượng được giải phóng dưới dạng phát ra
các neutrino bức xạ gamma và các hạt tích điện năng lượng cao. Tốc độ nổ sao và

thông lượng của các hạt nãng lượng cao được giai phóng liẽn quan mật thiết với thông
lưựnq tia vũ trụ đo được trẽn trái đất. Trên nâng lượng này dường như không có một cơ
chế mạnh nào đú khả năng đê’ tạo ra các tia năng lượng cao như ta đã quan sát dược.
Kết quả la chúng ta mong đợi mợt điểm trong phố năng lượng của tia vũ trụ trẽn
1016eV. Tia vũ trụ nãng lượng như vậy sẽ xuất hiện ít hơn so với các tia vũ trụ có mức
năng lượng mà ta đang quan sát. Để quan sát được một sự kiện lạ ở mức năng lượng
cao hơn 5*1019eV các hạt ta quan sát được không thế truyền qua một khoảng cách
lớn. Tại năng lượng 5*1019eV hạt bị mất nãng lượng khi chúng tương tác với phông
bức xạ điện từ 2.7K lấp đầy trong vũ trụ. Những photon năng lượng thấp xuất hiện do
một photon năng lượng cao đã qua dịch chuyên Doppler. Giới hạn năng lượng đã biết
như điểm cắt GZK. Dải năng lượng >1016eV là một phán của phổ năng lượng tia vũ
trụ đang được nghiên cứu và tranh luận. Phổ năng lượng tia vũ trụ được chi ra trong
hình sau:
X, 104
» 102
1o'4
10
1<T10
1Õ,J
lõ*1*
•0”’"
lõ ”
lõ2*
10
10* IO1 0 I011 1C12 1013 I0 14 I01S 10’* I0 Ì7 10* 10*'* 1 0 " I031
E n e r g y ( e V >
Hình l.l: P hố nâng lượng của tia v/7 trụ
Phó nãng lượng trên được tổng hợp từ kết quá của nhiều thí nghiệm được tiên
hành irong suốt nửa sau của thế kỷ 20. Theo đó. các hạt co nãng lượng trong giải
lOGeV đến l06GeV thông lượng giảm theo hàm mũ của năng lượng (E-2.7). Với các

tia vũ trụ có năng lượng lớn hơn l06GeV thông lượng rất thấp chi khoảng lhạt trẽn
lm2 trong l năm và ti lệ với E-3.1. Năng lượng cao nhất của tia vũ trụ mà ta từng
quan sát được là 3X1020eV.
1.2 Mưa rào khí quyển diện rộng
Tia vũ trụ năng lượng cao đi vào bầu khí quyển của Trái đất tạo ra mưa rào diện
rộng các hạt tích điện và các hạt trung hoà trải rộng trẽn mật đất. Mức độ mỡ rộng của
mưa phụ thuộc vào nãng lượng của hạt sơ cấp, mưa rào diện rộng đó có thè trái rộng
theo đường kính hơn lkm khi tới mặt đất và có thể gồm hàng ti hạt. Trong phần này
cho chúng ta một nguyên tắc chung của các quá trình xuất hiện trong mưa rào diện
rộng và các đặc điểm của mưa rào diện rộng phù hợp với thực nghiệm.
1.3.1. Hạt trong m ưa rào diện rộng
Sau tương tác đầu tiên của hạt sơ cấp, số hạt của một mưa rào diện rộng tâng
lên bởi các tương tác hadronic. Đó là những tương tác mạnh và trong các tương tác đó
các hạt meson được tạo thành. Meson là các hạt tạo nên do sự liên kết của một cặp
quark và phản quark. Các hạt meson nặng phân rã tạo thành các meson nhẹ hơn, các
photon và các muon chi sau một phần nhỏ cua giây. Meson nhẹ nhất, ỗ meson, có thê
chí phân rã tạo thành (phán)muon với (phán) neutrino muon và photon.
Cả meson f t và meson f t phân rã trong vòng 2.6*10 8S. Meson phân rã
nhanh hơn và chi trong 8.3*10 s tạo thành hai photon. Muon sinh ra lại tiếp tục phân
rã tạo ra các (phán)electron. Cá muon và phán muon có thời gian phân rã trung bình là
2.2#s, lâu hơn 100 lần so với các meson f t và meson K . vì vậy chúng được xem là
tương đối bển so với các meson. Trong mưa rào diện rộng các meson luôn tạo ra muon.
Quá trình meson phân rã thành photon là quá trình đánh dấu sự bát đầu thành phần
điện từ của mưa rào diện rộng. Những photon năng lượng cao tương tác với hat tích
điện có khả nâng tạo ra một cặp electron và positron irong quá trình tạo cặp. Khối
lượng và điện tích của hạt càng lớn thì khá năng tương tác với một photon sẽ càng lớn.
Hạt nhân là ví dụ rõ ràng nhất cho phán ứng tạo cặp.
71 => ụ + V ,
ụ-
=>

e +V.+ v„
X =>
L1
=>
e
+
v„
+
V
A(z) + ã => e + e + A(Z)
Các electron và positron năng lượng cao lại phát ra photon khi chúng bị lệch đi
bởi điện trường của hạt nhân. Các photon phát ra này được gọi là bức xạ hãm. Với năng
lượng vừa đủ, những photon này lại có thể tham gia phản ứng tạo cặp. Chuỗi tương tác
điện từ dừng lại ngay khi các phôtôn năng lượng thấp (< IMeV) không còn đủ khả
năng tiep tục tham gia quá trình tạo cặp. Cuối cùng các hạt positron sẽ tham gia phán
ứng hủy với vật chất và phát ra 2 photon. Cặp sản phẩm electron và positron là thành
phần lớn nhất trong mưa rào diện rộng. Các electron nhẹ hơn meson và muon, bởi vậy
chỉ cần một năng lượng nhỏ cũng đủ đế tạo ra electron. Kết quả thu được cho thấy sô'
electron nhiều hơn muon trong mưa rào diện rộng. Bức xạ sinh hủy là thành phần tiêu
biểu nhất cho các photon trong mưa rào diện rộng. Thành phần cụ thế của mưa rào diện
rộng có thể được phát hiện trong thực nghiệm.
1.3.2 Sự ph át triển của mưa rào diện rộng
Chuỗi phản ứng trong các tương tác là nguyên nhân đế mưa rào diện rộng mở
rộng kích thước và tăng cường độ. Nãng lượng cùa hạt sơ cấp được phân bo trên các
nhánh của hạt thứ cấp. Kết qua là nãng lượng trung bình trên một hạt sẽ giám cùng xác
suất để tạo ra hạt mới trong một tương tác. Các hạt tiêu hao năng lượng khi chúng đi
qua bầu khí quyển và hầu hết chúng sẽ biến mất trước khi xuống tới mật đất. Do đó,
cuối cùng số lượng hạt của mưa rào diện rộng sẽ giảm đi. Kết quả quan sát cho thấy
tồn tại một độ cao mà ớ đó số hạt trong mưa rào diện rộng lớn nhất. Với các tia vũ trụ
năng lượng cao hơn thì độ cao này thấp hơn và còn phụ thuộc vào loại tia vũ trụ sơ cấp.

Tuy nhiên, sự phụ thuộc này là yếu vì số lượng hạt sinh ra là hàm mũ của khối lượng
khí truyền qua và khối lượng khí trong một đơn vị thể tích tăng theo hàm luỹ thừa khi
độ sâu khí quyển tăng. Thường độ cao này vào khoảng 10km. Đường biên mở rộng của
mưa rào được biểu diễn như hình 1.2.
10
Top tfdu Amocpkir*
Hình 1.2: Mưa rào diện rộng
Hạt không bền phân rã tạo ra hạt nhẹ hơn. bền hơn và tất cả các hạt bị mất năng
lượng khi đi qua khí quyến. Phần lớn các hạt tới mặt đất bao gồm phỏtỏn, (phản)
electron và (phản) muon. Những photon không có khả năng tạo cặp thì tiêu hao năng
lượng qua hiệu ứng tán xạ Compton và hiệu ứng quang điện. Quá trình đầu tiên tạo ra
một photon có năng lượng thấp hơn khi quá trình tán xạ trên hạt tích điện, sau đó
photon tạo ra được hấp thụ hoàn toàn đê ion hóa một nguyên tử hoặc phân tử. Ban đáu
các electron và positron mất năng lượng bơi bức xạ hãm, khi năng lượng giảm xuống
quá trình phát bức xạ hãm giảm đi, cuối cùng hầu hết năng lượng sẽ bị mất bởi quá
trình ion hóa không khí. Positron sẽ bị huy. Các hạt muon mất năng lượng chu yếu do
ion hóa không khí. Bức xạ hãm không ảnh hường đến muon vì năng lượng mất đi bởi
bức xạ hãm phụ thuộc rất lớn vào khối lượng (mà khối lượng muon lớn hơn 200 lần
electron). Một quá trình mà tất cả các hạt tích điện đều trải qua là bức xạ Cherenkov.
Bức xạ này được tạo ra khi một hạt tích điện xuyên qua môi trường với tốc độ nhanh
hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường ấy. Hiệu ứng này phụ thuộc vào tốc độ cua hạt
tới và chiết suất môi trường khúc xạ.
1.3.3. Hạt sơ cấp trong m ua rào
Mưa rào diện rộng có thế được bãt đáu bới hạt nhân hoặc photon. Phần hạt nhãn
chú yếu là proton. Tuy nhiên các nguyên tô nặng hơn proton cho tới hạt nhân Fe cũng
đã được quan sát. Hat nhàn năng có độ cao trung bình xáy ra tương tác đáu tiên cao
11
hơn các hạt nhân nhẹ. Mưa rào bắt nguồn từ tất cả các hạt nhân đều phát triển theo một
dạng đường giống nhau. Mưa rào bất nguồn bởi phôtôn khác bản chất so với mưa rào
bắt nguồn từ các hạt nhân có xu hướng bị ảnh hưởng bởi tương tác điện từ. Như vậy

photon có khả năng đâm xuyên sâu hơn hạt nhân.
Sắt và proton gây ra mưa rào diện rộng có sỗ lượng electron cực đại bằng nhau
nhưng tương tác đầu tiên xáy ra ở các độ cao khác nhau. Đối với mưa rào bắt đầu bơi
một photon thì cực đại này cao hơn và nằm tại độ cao thấp hơn. Trong trường hợp tia
vũ trụ trong dải năng lượng 1018 -1020 eV. độ cao trung bình ở tương tác đầu tiên của Fe
cỡ 35 km, đối với proton cỡ 25km và đối với photon cỡ 20km.
Các detector ghi nhận mưa rào diện rộng đều dựa trên việc ghi nhận hiệu ứng
iôn hoá của các hạt tích điện khi truyền qua vật chất. Mặc dù trong mưa rào diện rộng
muon chỉ là một thành phần nhỏ so với electron và positron nhưng là hạt phù hợp nhất
cho việc xác định. Bởi vì muon nặng hơn electron (khoáng 200 lán) nên khi đi qua bâu
khí quvển chúng bị tán xạ và khúc xạ ít hơn bởi từ trường của Trái đất. Muon ion hóa
mạnh hơn electron và như vậy có thè được xác định dễ dàng hơn.
2. LẮP ĐẶT DE T E C TO R
2.1 Detector H ISPA RC
Detector nhấp nháy mà chúng ta láp đặt bao gồm 3 bộ phận: bẫn nhấp nháy, bản
dẫn sáng, và ống nhân quang điện chúng được gắn chặt với nhau thành mộl khối bởi
một loại keo dán đặc biệt.
Bản lìhảp nháy được làm từ vật liệu mềm BC408 (đó là hợp chẩt của C10H1 I
và một vài khoáng thê Flo). Mỏi bản nhấp nháy có kích thước 0.5m X l.Om và được
bảo vệ bằng một lớp giấv để tránh va đập và tránh dấu vân tay trong quá trình vận
chuyến hav lắp đặt. Nêu một hạt tích điện đi qua vật liệu nhấp nháy nó sẽ kích thích
điện tử liên kết yêu với nguyên tứ cua tâm vật liệu. Thường các điện từ có năng lượng
khoáng 50eV. Thực nghiệm lát hiếm khi quan sát được các điện tứ có năng lượng cao
hơn. Các điện tử “tự do" này kích thích các diện tứ khác trong lớp vò ngu\ên lứ cua
tấm nhấp nháy, đưa nguyên từ lên trạng thái kích thích. Do thừi gian sống của các
trạng thái kích thích nhỏ các nguyên tứ có xu hướng trớ vé các trạng thái có năng lượng
12
thấp hơn băng cách phát ra bức xạ photon. Phần năng lượng mất đi của hạt tích điện
khi đi qua vật chất phụ thuộc khối lượng, nãng lượng của hạt tới và loại vật chất mà nó
đi qua. Do quá trình mất nãng lượng là quá trình thống kê, nên chúng ta đo phân bô các

đỉnh xung của hạt tới ứng với một nãng lượng nhất định. Phân bô nàv gọi là phân bỏ
Landau. Trong hình 2.1 biểu diễn phân bô Landau cúa nhóm số liệu lấv tại NIKHEF
đối với pion 500MeV đi qua các tấm silicon có bề dầy khác nhau.
0 - 5 0 1 .00 1 .5 0 ' 2 .0 0 ^.50
Hình 2.1: Phưn bô Landau
Điểm cực đại cua đồ thị cho ta biết giá trị năng lượng dẻ có khả năng mát nhất
trên một fim2 và phần năng lượng trung bình mất đi lớn hơn giá trị này. sỏ photon
trung bình được tạo ra trong vặt chất nhấp nháv là đại lượng rất tốt đè xác định nãng
lượng mất đi của hạt tích điện đi qua bán nhấp nháy.
Với hạt có nâng lượng thấp (<5MeV) sẽ dừng lại trong bán nhấp nháy và mất
toàn bộ năng lượng của chúng. Nhưng với hạt có năng lượng cao như các muon trong
thành phần tia vũ trụ chi mất một phần năng lượng cúa chúng. Trong mưa rào dữ kiện
mà chúng ta muốn đo sẽ là những electron có năng lượng trung bình 1.5MeV và các
muon mất một nâng lượng trung bình là -4-MeV ớ trong tấm nhấp nháy. Trong phàn bố
Landau có thế quan sát thây từ sự kiện này tới sự kiện khác có một dai nãng lượng bị
mất.
Bản dản sáng còn gọi là bán perspex có hình dang giỏng duỏi cá được bao vệ
bởi lớp giấy bóng đê tránh cọ xước.
1?
Ong nhản quang điện PMT gồm một ổng chân không, một đầu là cửa sổ trong
suốt làm bãng thạch anh hoặc thủy tinh. Bên trong của cửa sổ này được đặt một catot
đê điện thê âm. Tùy vào ống và cách sử dụng mà điện thê trên nó vào khoảng (-0.5 đến
-3kV). Catot được làm bằng vật liệu có hiệu suất cao đói với hiệu ứng quang điện. Một
photon có thể giải phóng một electron của vật liệu. Hiệu suất lượng tử của óng miêu tả
số lần điện tử được giải phóng bởi một photon như một hàm của bước sóng của photon.
Electron được giải phóng sẽ tạo ra một tín hiệu điện, tuy nhiên biên độ của tín hiệu
nhỏ. Vì vậy, ta cần khuyếch đại tín hiệu bằng cách đặt thêm nhiều dynode. Dvnode là
một đĩa kim loại được phủ ngoài bằng lớp vật liệu chứa nhiều electron liên ket lỏng léo
với nguyên tử, các electron này dễ dàng bứt ra khỏi dynode khi một electron với năng
lượng lớn hơn công thoát của vật liệu đập vào nó. Thông thường một PMT bao gồm 10

đến 14 dynode, hiệu điện thế giữa hai dynode liên tiếp bằng nhau va dvnode sau dương
hơn dynode trước một chút.
Electron bật ra từ catot sẽ được hút vào từ trường cua dynode đầu tiên và khi đập
vào dynode đầu tiên nó đã thu thêm một năng lượng hãng thế năng giữa catot và
dynode đầu tiên (photon có năng lượng khoảng 2eV. năng lượng liên kết cua electron
với vật liệu làm canot có giá trị nho hơn). Số electron bật ra từ dynode tý lệ với dộng
năng của electron tới. Các electron này sẽ va chạm với dynode tiếp theo, khi đó sỏ
electron được tạo ra sẽ nhiều hơn. Chúng sẽ đi qua các dynode và dừng lại ỏ anode.
Photon được tạo ra trong tấm nhấp nháy sẽ đi qua óng nhân quang điện được gắn với
tấm dẫn sáng. PMT được sử dụng để chuyển một tín hiệu ánh sáng của photon sang
một tín hiệu điện. Cấu tạo và hoạt động của PMT được mồ tả theo hình sau:
p h o to e le c tro n dynod e s
\ / \
\ i
R a diatio n ' X
seco n d ary
elec tron s
P h o to e m issive cathode
high vo ltag e (-)
500-2000V
-*A A A vAAT- v-V V'
H H
anode
to
cu rre n t-to -v o lta g e
am plifie r
Hình 2-2: Cưu tạo dill PMT
14
2.2. Quá trình lắp đặt
Đe tii :n hành bọc một detector nhấp nháy chúng ta phải chuẩn bị các dụng cụ

như sau. Một lớp chăn sáng đó là lớp elastic dầy có màu đen. Cuộn lá nhôm có chiều
rộng 60cm, đó là loại nhôm mềm phản xạ ánh sáng rất tốt. Một bản nhấp nháv. một
bản dẫn sáng và một ống nhân quang điện (PMT). Ngoài ra còn có hồ, băng dính (bãng
dính hai mặt, băng dính dẻo hai mặt), giấy ráp (loại hạt thô, loại hạt mịn), găng tav.
giấy lau, giấy tĩnh điện, cồn,
Bước 1: Ta bóc lớp giấy bảo vệ của các tấm nhấp nháy và tấm dẫn sáng tại cạnh
mà ta sẽ gắn chúng vào với nhau. Đầu tiên, ta dùng giấy ráp loại 1200 hạt đánh bóng.
Sau đó, dùng giấy ráp loại 2400 hạt đánh thật mịn đê khi gán tránh có lổ hờ dẫn đến
ánh sáng bị khúc xạ tại đó. Tiêp theo, ta dùng cồn rửa sạch bụi bẩn xung quanh chỏ
đánh bóng và hồ còn dính lại khi bóc giấy nếu có. rồi đê cho cồn bay hơi hết. Dùng
loại bãng dính có thể bóc ra mà không đê lại keo quấn xung quanh hai tấm đó. đồng
thời tạo chữ V hoặc chữ I với mục đích khi ta gãn không đê keo rớt ra làm hỏng tấm
nhấp nháy và tấm dẫn sáng (hình 2.4).
Bước 2: Ta phái cố định thật chặt tấm nhấp nháy vào giá đỡ băng các kẹp (hình
2.4) để tránh động đất trong khi gắn bới vì thời gian đế hồ khô là 24 giờ. Nếu có động
đất hay biến động địa chất thì sẽ gây ra có lỏ khí và ánh hướng tới ánh sáng đi trong
detector.
Bước 3: Để găn được bản dẫn sáng vào bán nhấp nháy chúng ta phái chế tạo
một loại keo dán đặc biệt đó là keo “EJ500” hay còn gọi là cement bao gồm 2 thành
phần với tỉ lệ (optical cement : hardener = 4 : 1). Đặc tính cúa keo là đông sau 20 phút
và cứng lại sau 24 giờ. Hơn nữa loại hổ này còn có chiết suất giống như hai tấm nhấp
nháy và dẫn sáng. Chúng ta sẽ tạo lOg hồ cho một tấm detector. Khi đã đu hai thành
phần ta dùng đũa thuý tinh khuấy thật chậm trong khoảng 3 phút đế tránh bọt khí ớ
trong hồ, ta sẽ thu được hồ trong suốt. Nếu hổ có quá nhiều bọt khí ta phái cho hó vào
buồng bọt đê loại khí.
Bước 4: Khi đã có hổ. ta hút hổ băng xi lanh to mới rỏi bơm từ từ lén chồ mép
gắn của tấm nhấp nháv và dùng ctĩui thu\ tinh dàn đêu hò ra. Ticp đó ta đat một đầu
tấm dẫn sáng xuống tâm nhấp Iiháv và hạ dãn dãn tâm đó xuõng theo góc nhó dán.
Mục đích đê’ tránh bọt khí to tại nơi gan làm cho ánh sáng sẽ b| be cong khi di trong
15

detector. Cudĩ cùng ta dùng kẹp cõ định chặt tấm đó để cho hồ cứng lại. Sau 24 giờ ta
tháo tấm đó ra khỏi giá đỡ và tiến hành bọc.
Hình 2.3: Cân Libra
Hình 2.4: Gắn tam nhấp lìliáy V('ri lam (lơn sang
Chú ý: Đế tránh hồ cứng lại xung quanh chỗ gắn thì sau khoáng 15-20 phút ta
gỡ bỏ luôn băng dính và hình chữ V. lúc đó hô đang ờ dạng dẻo ta dê dàng dùng tav
bóc ra được.
Bước I ' Chúng ta đi găng tay đê tiên hành bọc tấm detector, cát tấm chán sáng
(170cm X 120cm) và 2 tấm lá AI kích thước ( 170cm X 60cm) trai lẽn mật bàn \a dùng
16
cồn lau sạch bụi trên từng tấm, đê ít phút cho cồn bay hết. Ta đặt tấm chấn sáng xuống
dưới sau đó đặt một tấm lá nhôm lên bên trên.
Hình 2.5: Kết quá suu khi í>an hồ
Đầu tiên ta sẽ bọc lá AI để phản xạ toàn bộ ánh sáng sinh ra trong detector. Đê
nó nhẹ nhàng lên lá AI mà ta chuan bị từ trước tránh không được đe lá AI bị rách làm
ánh sáng đi ra bẽn ngoài, do các góc của tấm rất cứng và dễ làm rách lá AI nén ta có
thể kê mỗi góc một miếng Al.
17
Hình 2.6: Bọc lú AI
Lấy tấm lá AI thứ hai đê lẽn trên tấm nhấp nháy bọc cố định lại bàng bang dính
(hình 2.6 và 2.7). Khi đã bọc xong lá AI ta bọc tấm đến tấm chán sáng màu đen bén
ngoài và dùng băng dính dính chặt. Tấm chắn sáng có tác dụng ngân toàn bộ ánh sáng
Mặt trời đi vào trong detector ảnh hương đến tín hiệu sáng.
Bước 6: Sau khi đã bọc xong tâm detector, ta tiến hành gắn ông nhân quang
điện PMT. Chúng ta lấy băng dính deo hai mặt cắt một miếng tròn vừa với đầu cùa
PMT rồi dán chúng vào đầu của detector. Do băng dính đó không đủ độ chắc chắn để
giữ nên ta dùng 4 que gỗ đặt xung quanh một nửa ở detector, một nửa ở ống nhân
quang điện và dùng băng dính đen một mặt quấn tròn theo hình xoắn ốc dọc theo ống
nhân quang điện đê tránh ánh sáng lọt vào. Làm tương tự ta cũng có detector thứ hai.
sau khi đã có hai detector ta tiến hành kẻt nối vơi thiết bị và máy tính theo đế thu thâp

sỏ' liệu ban đầu.
18
Hình 2.7: Kết qua bọc lú AI
Hình 2.8: Bọc lum chấn sáng
3. THIẾT BỊ Đ O L U Ủ M Ỉ TIA v ì TRỤ
3.1 Hệ thu thập sỏ liệu (D A Q )
3.1.1 Hộp H ISP AR C
19
0
a. Phần trước của thiết bị b. Phần sau của thiết bị
Hình 3.1: Thiết bị điện từ Hisparc II
Phần điện tử Hisparc II được kết nối với máy tính đê đọc tín hiệu ra từ PMT.
Trong phần cài đặt gốc, hệ điện tử Hisparc gồm có nhiều bộ phận kết hợp. tất cả phần
cài đật này làm thành thiết bị mà chúng ta phải thao tác ớ các số và các nút trên phẩn
cửng. Tất cả các PC phải hoạt động, đọc số liệu ra và gửi nó tới kho dữ liệu.
Thành phần của điện tử Hisparc được đê trong một thiết bị đơn. Thiếl bị Hisparc
II đọc số liệu ra máy tính, nhưng trong phần thiết lập mới. phần điện tứ được điều
khiển bởi máy tính. Phần cài đặt này có thê vào trong phần mềm LabVIEW và gui
chúng tới thiết bị Hisparc II. Phần mềm Hisparc II được viết đe hệ điện tư Hisparc II
làm việc
ở hai chế độ. Mặc định rằng phần còn lại cua các detector đã được cài đặt.
Các tấm nhấp nháy, ống PMT. cable cao thế. cable tín hiệu, anten GPS và cable anten
đã được sử dụng.
3.1.2 Ăn g ten GPS
Angten GPS được sử dụng để trùng phùng tín hiệu thời gian thực cùa sự kiện.
Thời gian thực được tính theo đơn vị quốc tế UTC. Trước khi sử dụng ta phải đặt chê
độ cho nó
3.2 Phương pháp đo
3.2.1 Phương p háp đo
Ta đã biết các tia vũ trụ năng lượng < K)14eV có thế được ghi nhận trực tiếp hăng

các kinh khí cầu và các thí nghiệm tiến hành trong không trung. Trén mức năng luơng
20
này thông lượng cua các tia vũ trụ rất thấp, chúng được nghiên cứu trên mặt đất thông
qua mưa rào diện rộng các hạt thứ cấp mà chúng phát ra khi truyền qua lớp khí quyên.
Khó khãn chủ yếu của việc nghiên cứu tia vũ trụ nãng lượng cao là thông lượng
thấp. Trên phổ năng lượng tia vũ trụ ta thấy tại giá trị năng lượng E ~ 1019eV phổ năng
lượng gần như vuông góc, thông lượng tiến sat zero. Mặt khác, với những tia vũ trụ
năng lượng càng cao thì diện tích bao phủ của mưa rào do nó gây ra trên mặt đất càng
lớn. Những tia vũ trụ nãng lượng cao nhất đo được có diện tích bao phù lên tới hàng
chục km2. Vì vậy, để nghiên cứu tia vũ trụ năng lượng cao ta phải tiến hành đo trên
một diện tích rộng. Kết hợp giữa mục đích nghiên cứu với mục đích đào tạo dự án
Hisparc đã sử dụng hệ thống các detector nhấp nháy lắp đặt trên nóc các trường phố
thông phân bố thành từng cụm với diện tích cỡ vài km2. Mỗi cụm detector cách nhau
khoảng 50km và sử dụng phương pháp trùng phùng thời gian đế phát hiện mưa rào giữa
các trạm.
Dự án Hisparc ngoài mục đích nghiên cứu còn có mục đích giáo dục, đưa các học
sinh, sinh viên của các trường phổ thông đến với các nghiên cứu khoa học Ihực sự, khơi
dậy niềm đam mê khoa học trong thổ hệ trẻ.
Đê’ thực hiện mục đích nghiên cứu dự án Hisparc lại sứ dụng hệ thống detector
nhấp nháy, phân tán trên một diện tích rộng và sử dụng phương pháp đo trùng phùng
thời gian giữa các trạm detector để nghiên cứu tia vũ trụ.
3.2.2 Nguyên tắc đo
Hình 3.2: c ấ u hình cua một M iitter
21
Hiện tại, hệ đo tia vũ trụ tại Hà nội đang hoạt động ở chê độ thứ nhất của hệ
diện tử I spare II điêu khiên trạm Master với hai detector có cấu hình được mỏ tả trẽn
hình 3.2
Detector bao gôm ban nhâp nháy, bản dẫn sáng và ống nhân quang điện được
gắn với nhau băng một keo dán đạc biệt, ông nhán quang điện của hai detector được
nôi với bộ xư lý SSF, một hệ thống định vị toàn cầu GPS cũng được nối với SSF đê

cung cấp thời gian chính xác. SSF được sử dụng đế đặt ngưỡng, điều khiên điện thè cao
cho PMT tạo điều kiện tốt đọc tín hiệu từ PMT. Tín hiệu từ hai PMT được khuyếch đại
vả so sánh với ngưỡng. Khi cả hai tín hiệu đều vượt ngưỡng, dữ liệu sẽ được chấp nhận
vả ghi lại trên máy tính địa phương với một toạ độ thời gian theo đồng hồ chuẩn. Sau
đó dữ liệu được gửi đến máy tính trung tâm đế nghiên cứu các trùng phùng giữa các
detector khác nhau.
Chế độ thứ hai của hệ điện tử Hisparc II là điều khiển hai thiết bị tại một thời điếm
(Master và Slave) làm việc trên 4 detector nhâp nháy. Hệ đo này có thể đo được hướng
đến của tia vũ trụ sơ cấp.
Cấu trúc Slave gần giống với cấu trúc cua Master, giữa chúng chi có một diêm
khác duy nhất là trong cấu hình Slave không có GPS.
Trong hệ đo tia vũ trụ Hisparc, hai bản nhấp nháy có diện tích 0.5 m2 được đật
cách nhau 5m nên tổng diện tích khảo sát là 6 rrr với diện tích hiệu dụng là 1 m:. Ta có
thể đặt hai bản nhấp nháy cách xa nhau hơn để tăng diện tích khảo sát. Tuy nhiên việc
tãng diện tích khảo sát trong khi diện tích hiệu dụng không đổi đồng nghĩa với việc độ
chính xác trong tính toán ngoại suy sẽ giám xuống.
Khi tín hiệu hình thành trong ống nhân quang điện và cho qua bộ xư lý. Những
tín hiệu vươt qua ngưỡng sẽ đươc chấp nhận Vu phân tích. D ư licu thu được la CÍ1C
thông sô về sở lượng tín hiệu, năng lượng tín hiệu, thơi gian cua tin hiệu Va được ghi
trên máy tính tại phòng thí nghiệm. Dữ liêu có thế đươc chuyển sang trung tâm dữ liêu
tại Hà Lan. Tại đày các thành viên có thể phân tích, trùng phùng thời gian đế xác đinh
mưa rào, xác định năng lượng và bán chát cùa tia vu tiụ.
3.3 Phần mềm
3.3.1 Phần mềm HIS PA R C II L AB VIE rt.
22
3J.2 Bảng điểu khiển A ngten G PS
Control Setup Monitor View Help
"Tine

Dale I Feb 13 2008

Week I 1466 TOW I 31G971
UTC Offset 14 seconds
Tine I 16:02:37 UTC
Status
• Antenna open
• Antenna Shoit
• Satellite Tracking
• S elf-S u rv e y A c tiv e
• Stored Position
• Leap Second Pending
Sqnal Levels
sv Level
L a 106
3 3 150
B 9 118
B B 1 172
ESI 22 4
H O 154
B 3 13 2
“ Position (Decimal Degrees]
Latitude 52.355204 degrees
0 Position Questionable
• Tesl Mode
Longitude f 4 950058 decrees
Altitude Ị 55. GO melefs
• Almanac
• PPS Generated
0 0.0
0 0.0
0 0.0

0 00
0 00
“ GPS Status

—
Self Su v e y Progress 100£
Rcvt Mode : (7] Overdet Clock (Time)
GPS Status (0] Doing Fixes
Temperalure (deg C] 28 05
Timing
Bias -15086311 m
Bias Rate 823.02 ppb
PPS Quanỉ Errof -8.2 ni
Log Slatus
TSIP © Data o
COMG 9600 8-0-1
Hình 3.4: Bảng điều khiển Angten GPS
Nếu phần cứng Hisparc được sử dụng thời gian đầu. máy thu GPS cần dược
định dạng lại. Quá trình này được miêu ta ở phụ mục GPS. Sau khi thiết bị Master được
bật on, máy thu GPS cãn một thời gian đê vệ tinh nhân tạo có vết vã tính thời gian
UTC. Bạn kết nối trạm máy thu GPS của thiết bị Master tới PC đẻ’ quan sát trạng thái
của quá trình bằng phần mềm DSPvGPS Timing Monitor (hình 3.4). Đê bát đầu chương
trình, chạy GPS\DSPMon.exe trong thư mục cài đặt. Sau khi cài đặt phần mềm
Labview cần link trong Start Menu. Dao diện chương trình cần số cúa trạm máy thu
GPS COM. Bạn có thê thay đổi con sô này băng cách kích chuột phai vào nút thấp ơ
góc bên phải cua Window ( COM6 9600 8-0-1 trong hình 3.4).
Chương trình Labview chi thu nhận thông tin GPS nêu
+ Tất cả các Status màu xanh
+ Thời gian là UTC
+ Rcvr Mode trong GPS Status là (7) Overdet Clock(Time)

+ Số trong vệ tinh(SV) tối thiếu là 4 trong Signal Levels màu xanh (hay nhiêu
lơn được tiến hành).
24
Đê chac chân lần này kiêm tra bạn cũng khởi động lại thiết bị Master trươc
khi bạn bắt đầu chương trình Labview đế giữ số liệu. Thông tin về GPS không cần đỏi
với thủ tục đặt, do vậy bạn không phải kiểm tra điều này trước khi bắt đáu quá trình
4. KẾT QUẢ
Nếu một sự kiện được biểu diễn trên Events/Settings và Expert Settings, giá trị
của một vài đại lượng quan trọng được tính cho mỗi kênh bởi chương trình Hisparc
được cộng vào đổ thị trên bảng statistic (hình 3.5). Các đại lượng đó là Number of
Peaks (sô đỉnh). Pulse Height (chiều cao của xung) và Integral (tích phân) của một tín
hiệu được ghi. Histogram number of peaks (đồ thị số đỉnh) đếm số đinh trong tín hiệu
ghi được. Chỉ những đỉnh lớn hơn 60 ADC (#35mV) được cho vào tài khoán, ớ đo
chiều cao là khác nhau giữa điểm cao và điểm thấp của đính. Pulse Height (chiều cao)
của xung là lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) của tín hiệu trong toàn bộ thời gian ghi. Giá trị
này được tính tương đối tới một ranh giới, điều đó được xác định bới việc lấy trung
bình của điểm dữ liệu đầu tiên, ở đó PMT là tại thế cơ bản. Đổ thị thứ ba biếu diễn loàn
bộ giá trị tín hiệu thu được. Toàn bộ giá trị này là tông các đính của tín hiệu tương đối
tới đường ranh giới, đối với mồi điểm ỡ đó đính này được mở rộng hơn 4 ADC
(#2mV). Tất cả đổ thị đều có một giá trị lớn nhất.
Đường giới hạn cũng được biểu diễn trong bang Statistic đối với mỗi sự kiên.
Giá trị này nên là 200 ADC counts sau thủ tục calibration. Nếu tín hiệu cũng thay đổi
nhiều trong điểm dữ liêu đầu tiên, chương trình không thê tính được một đường giới
hạn. Trong trường hợp đó. nó thử lại tại điêm CUÔ1 cùng cua tin hiẹu ghi được. Nêu
không làm điều này. giá tri cho đổ thi không thê tinh được va chương tnnh cho loi tại
đường giới hạn(-999). Số lỗi của mỗi kênh được biêu diễn bên phải cua đường giới han.
Trên bảng Statistic ban có thế xem mồi bẽn của ngưỡng. Đó là số lẩn tín hiệu
tương tự lối vào vượt quá ngưỡng. Trong cột bên trái trên moi kenh. moi so trong last
second được biểu diễn. Nêu nút Start Counting đươc đãt. chương trình đếm mồi hèn
cho chiều dài của chu kỳ thời gian, ỏ cột giữa, ban co thê xem tong sô cua mo. chu kỳ

này và trung bình/second trong côt bẽn pha,. Ban có thẻ đat thòi gian lớn nhái dế dèm
với Time to count điều khiển, nhưng sự đêm có thể đươc dừng lại bởi việc đãt trước nút
Counting.
M M
ffctoQrsnnư*«- rfBMW
Hstaj
NưrbvarQMU
<03 6C0
PUiihiitf't woe cojfllt)
m-A *)
I SlOfeWXf.m j I SAVE gntNgTĩ
I I Zx I
7Ĩ00 I0QCO ] SDO 1SŨOO 17000
irtij-a i (ICC court?;
-flt
Ljfecond raid
[ Chirr d J ■ I CM r ' 1 '
Chifrd ] - huh Í
ChjrrdZ-lnn p i ; | r,
C W d 2-i|*< I 13 |?12*
Avs-aga p « * ttrd
I. av
<y,.
PAS 1 Si.
I0Ũ s s
I Í H v-ih2 1
'a :
■ s
'» • Ỉ) T r* to t;«r( (S'
SlíRT CDUWTtXC I

L«t Mir id TcU
frtw
ig i pil Mcord
O i« m l I -1«
ơ ẽm d I ■ hựi
OurrH2-b»
OiírnH2-htf>
Hình 3.5: Bảng Statistic
5. KẾT LUẬN
Sau một thời gian thực hiện đề tài chúng tôi đã lăp đặt thành cóng hệ đo tia vũ
trụ Hisparc tại Hà Nội gồm hai detector nhấp nháy. Một detector nhấp nháy hoàn chinh
bao gồm bản nhấp nháy, bản dẫn sáng và ông nhân quang điện (PMT). Tín hiệu từ
PMT sẽ được thu nhận băng thiết bị điện tử Hisparc II. Dữ liệu thu được sẽ xử lý bơi
phần mềm Hisparc II viết trên ngõn ngữ lập trình Labview. Thiêl bị dã hoạt động và
chúng tôi đã thu được những kêt C|uá ban đẩu. Xung tín hiệu từ PMT có thê t]uan sát
trên màn hình dao động ký. Phân bố năng lương cua muon được thế hiện thong qua
biên độ của xung tín hiệu (đã được thay đổi thông qua DAC).
2fi