Tomografia a scattering di muoni: un'immersione profonda

La tomografia a scattering di Muoni (MST) è una tecnica che permette agli scienziati di guardare dentro oggetti grandi e fissi senza farli danni. Questo metodo usa i muoni dei raggi cosmici, che sono particelle provenienti dallo spazio e passano attraverso tutto, comprese le costruzioni e altre strutture. Quando i muoni viaggiano attraverso i materiali, possono essere deviati, e tracciando questi cambiamenti nel loro percorso, i ricercatori possono scoprire quali sono i materiali all'interno dell'oggetto.

#Fondamenti dell'Interazione dei Muoni

Quando i muoni si muovono attraverso un materiale, interagiscono con i nuclei atomici, cambiando la loro direzione. Questa deflessione può essere misurata. Il grado in cui i muoni vengono deviati dipende dalle proprietà del materiale che attraversano, come spessore, numero atomico e densità. Misurando l'angolo in cui i muoni vengono deviati, possiamo capire quali materiali sono presenti.

Per tracciare i muoni, gli scienziati usano rivelatori speciali che possono dire dove si trovano i muoni mentre li attraversano. Le informazioni di questi rivelatori vengono poi usate per creare una mappa dei percorsi dei muoni, permettendo ai ricercatori di analizzare la struttura dell'oggetto ispezionato.

#Importanza dei Rivelatori di Tracciamento

I rivelatori di tracciamento sono fondamentali in questo processo perché forniscono misurazioni precise delle posizioni dei muoni. Un tipo comune di rivelatore è la Camera a piastra resistiva (RPC), nota per la sua alta precisione nel determinare sia la posizione che il tempo degli eventi di muoni. Le RPC sono economiche e possono coprire grandi aree, rendendole una scelta popolare per questa applicazione.

#Il Ruolo dei Sistemi di Acquisizione Dati

Per raccogliere e utilizzare efficacemente i dati dai rivelatori, è necessario un Sistema di Acquisizione Dati (DAQ). Questo sistema raccoglie i segnali dai rivelatori e li elabora per l'analisi. Nel nostro setup, abbiamo costruito un sistema DAQ multi-canale specificamente progettato per il tracciamento dei muoni.

#Caratteristiche del Sistema DAQ

Il sistema DAQ comprende una parte front-end e una back-end. Il front-end riceve i segnali dai rivelatori e li prepara per l'analisi. Il back-end elabora questi segnali e memorizza i dati per una valutazione successiva. Le caratteristiche principali del nostro sistema DAQ sono:

• Elabora direttamente i dati LVDS (Low Voltage Differential Signaling).
• Ha un alta frequenza di campionamento di 500 MHz, garantendo che la raccolta dei dati sia veloce ed efficiente.
• Il sistema è modulare, permettendo facili espansioni quando servono più canali.

#Configurazione del Sistema DAQ

Il sistema DAQ è diviso in due parti principali:

1. Elettronica Front-End (FEE): Questa parte si occupa della raccolta iniziale dei segnali dai rivelatori RPC. Include componenti specializzati, come l'ASIC NINO (Application-Specific Integrated Circuit), progettato per l'elaborazione veloce dei segnali. La FEE è responsabile della conversione dei segnali analogici dalle RPC in formato digitale per ulteriore lavorazione.

2. Elettronica Back-End (BEE): La BEE prende i dati elaborati dalla FEE e gestisce la loro memorizzazione e trasferimento a un computer. La BEE utilizza una scheda di sviluppo MAX-10 FPGA (Field Programmable Gate Array), che è economica e personalizzabile. Questa parte del sistema è cruciale per mantenere l'integrità del segnale e garantire una memorizzazione accurata dei dati.

#Test di Prestazione del Sistema DAQ

Il sistema DAQ è stato testato utilizzando un rivelatore RPC in vetro, che è un tipo di dispositivo di tracciamento che funziona efficacemente con i muoni cosmici. L'obiettivo di questi test era valutare quanto bene il sistema potesse catturare e analizzare i segnali generati dagli eventi di muoni.

#Utilizzo del Rivelatore RPC

Nei nostri test, abbiamo utilizzato un RPC a singola intercapedine composto da lastre di vetro riempite con una miscela di gas che permette la rilevazione dei muoni. Quando un muone passa attraverso il rivelatore, ionizza il gas, portando a un segnale elettrico che può essere misurato. I segnali provenienti da due pannelli di lettura collegati all'RPC vengono raccolti e elaborati dal sistema DAQ, permettendoci di tracciare con precisione le posizioni dei muoni.

#Validazione delle Prestazioni del Sistema

Per garantire accuratezza e affidabilità, abbiamo condotto diversi test con configurazioni diverse. Regolando il setup e le condizioni in cui i muoni venivano rilevati, siamo riusciti a confermare che il nostro sistema DAQ poteva raccogliere dati in modo efficace.

#Condizioni di Trigger e Misurazioni

Il sistema è stato convalidato utilizzando diverse condizioni di trigger che coinvolgono vari scintillatori plastici, che rilevano la presenza di muoni. Questi scintillatori generano segnali che aiutano a confermare quando si verifica un evento di muoni. Analizzando i dati raccolti in diverse condizioni, abbiamo misurato l'efficienza del sistema nel rilevare eventi di muoni.

#Scalabilità del Sistema DAQ

Uno dei vantaggi chiave del nostro sistema DAQ è la sua scalabilità. Man mano che i requisiti di un progetto aumentano, è possibile aggiungere canali aggiuntivi per migliorare le capacità del sistema. Questa caratteristica è fondamentale per installazioni più grandi che possono coinvolgere un tracciamento più esteso dei muoni.

#Configurazioni per l'Espansione

Nei nostri test, abbiamo configurato il sistema sia in modalità master-master che master-slave per esplorare quanto bene potesse gestire più canali. I risultati hanno mostrato che il sistema poteva gestire efficacemente carichi aumentati senza problemi, rendendolo adatto a futuri miglioramenti.

#Conclusione

In sintesi, abbiamo sviluppato e testato un sistema DAQ multi-canale per il tracciamento dei muoni usando RPC in un setup di tomografia a scattering di muoni. I test di prestazione hanno confermato che il nostro sistema è in grado di acquisire e elaborare direttamente i segnali dalla fase front-end. L'alta frequenza di campionamento e il design modulare lo rendono adatto per future espansioni. L'uso di componenti economici come il MAX-10 FPGA consente uno sviluppo e un'implementazione rapidi, garantendo che il sistema possa essere facilmente adattato a varie applicazioni. Il nostro lavoro pone una solida base per l'uso della tomografia a scattering di muoni in diversi campi, compresi il controllo civile e l'analisi dei materiali.