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Das MuonPi Cosmic Detector Project

Das MuonPi Projekt ist ein auf RaspberryPi basierendes System, das einen kostengünstigen Plastikszintillator + SiPM-Fotosensor verwendet, um Myonen aus kosmischen Luftschauern zu detektieren. Das System hat eine Zeitauflösung von einigen zehn Nanosekunden, unter Verwendung der "timemark"-Funktion des u-blox NEO-M8N GNSS Modules von u-blox.

Mehr über kosmische Strahlung

• Fang an mit kosmischer Strahlung, vor allem Myonen.
• Extrem starke kosmische Strahlung regnet jeden Tag auf uns herab. Niemand weiß, wo genau sie herkommt. Aber mit groß angelegten Experimenten wollen Wissenschaftler auf der ganzen Wetl das herausfinden. Vox Jul 25, 2019
• Cosmic rays: particles from outer space (Kosmische Strahlung: Teilchen aus dem Weltraum). Die Erde ist einem ständigen Bombardement von subatomaren Teilchen ausgesetzt, die Energien erreichen können, die weit energiereicher sind als die der größten Beschleuniger. CERN
• Kosmische Strahlung ein deutscher Podcast auf weltderphysik.de
• Der kosmischen Strahlung auf der Spur ein deutscher Artikel auf weltderphysik.de
• Kosmische Teilchen mit extragalaktischem Ursprung ein deutscher Artikel auf weltderphysik.de

Über die Detektoren

• Grundlagen von Szintillatoren
• Mehr über Silizium Photodetektoren
• Wie unsere Detektoren zusammengebaut werden

Verwandte und Ähnliche Projekte

• CosmicPi: Ein am CERN angesiedeltes Projekt, das darauf abzielt, das weltweit größte verteilte Open-Source-Teleskop für kosmische Strahlung zu bauen.
• HiSPARC: Ein verteiltes Myon-Detektionsnetzwerk für Gymnasien mit über 15 Jahren Erfahrung.
• Thundercloud Projekt: Erforschung hochenergetischer Phänomene in Gewitterwolken und Blitzen. Nature Artikel

Die Hardware

SiPM PCB

Der SiPM Photodetektor, der das schwache Licht, das im Inneren des Szintillationsdetektor erzeugt wird, detektiert, ist auf einer kleinen SiPM-Platine montiert. Das flexible Design ermöglicht die Realisierung von verschiedenen Anzahlen und Auslesekonfigurationen der SiPMs.

Vorverstärker (Preamplifier)

Der Vorverstärker befindet sich in unmittelbarer Nähe der SiPM-Photodetektorplatine und verstärkt die schwachen Signale zur Übertragung auf das MuonPi Board, wo sie weiter verarbeitet und ausgewertet werden.

Das MuonPi-Board

Die Hauptsignalverarbeitung, Spannungserzeugung und Parameterüberwachung, sowie Parametereinstellung, erfolgt auf dem aufsteckbaren MuonPi Board von Raspberry Pi. Das Design des Boards ist Open-Source-Hardware und weist nur handelsübliche Standardkomponenten auf, die von verschiedenen Distributoren bezogen werden können. Mit etwas Löterfahrung kann das MuonPi HAT mit einer Standard-Lötanlage zusammengebaut werden. Eine Anleitung und nützliche Hinweise sind in der Montageanleitung zu finden.

The Software

Die MuonPi Software ist vollständig Open Source und verfügbar auf GitHub. Es besteht aus mehreren Komponenten:

• muondetector-daemon Das Hauptsteuerungsprogramm, das als Hintergrundsystemdienst auf dem RPi läuft. Der Daemon konfiguriert, steuert und überwacht die Komponenten auf dem MuonPi HAT-Board, wickelt die Kommunikation mit dem u-Blox-Chip und der Außenwelt über MQTT-Link und Direct-Access-Socket ab, überwacht Systemparameter wie Temperatur, Spannungen, Strom, Raten usw., führt Statistiksammlungen, Berechnungen und Logging durch und vieles mehr. Der Deamon kann entweder über unser package Repository mit Hilfe von standard System Software Management Tools (wie z.B. apt) oder über GitHub kompiliert werden und enthält alles, was für den Betrieb des MuonPi Detektors notwendig ist.
• muondetector-gui Ein Programm mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI), das auf jedem Computer im selben Netzwerk wie der MuonPi-Detektor gestartet werden kann, um alle Betriebsparameter des Detektors zu überwachen und bei Bedarf anzupassen. Die GUI kann hier für verschiedene Platformen (Raspbian, Ubuntu, Windows) als Binary Package heruntergeladen werden oder vom aktuellsten GutHub Master Branch kompiliert werden.
• muondetector-login Ein kleines Kommandozeilen-Hilfsprogramm zur anfänglichen Einrichtung der MQTT-Telemetrieverbindung. Das Programm fragt nach den bereitgestellten MQTT-Zugangsdaten und speichert sie lokal in verschlüsselter Form für die kontinuierliche Verwendung.
• muondetector-cluster Ermöglicht den Betrieb eines Multi-Detektor-Clusters als eine Einheit. Das Programm ist der Clusterkopf oder die Schnittstelle zum Server, sucht nach Koinzidenzen innerhalb des Clusters und sendet die kombinierten Koinzidenzereignisse anstelle der einzelnen Ereignistelegramme an den Server. Eine Cluster-Instanz läuft auch auf dem Hauptserver und sammelt die Datenströme aus dem gesamten Netzwerk, findet die Online-Koinzidenzen und schreibt die Koinzidenz-Ereignisse sowie detaillierte Logs und Statistik-Zusammenfassungen in die MuonPi InfluxDB Datenbank. Der Quellcode ist im Github-Repository des Clusters verfügbar.

Aufbau und Inbetriebnahme des Detektors

Hier finden Sie eine Sammlung von nützlichen HOW-TOs zur Beschaffung, Einrichtung und zum Betrieb eines Detektors:

• Wie bekomme ich einen Detektor?

• Wie werden die Detektor Platten zusammengebaut?

• MuonPi HAT Montageanleitung

• Einrichten der Detektorhardware

• Installation und Einrichtung der MuonPi Software

• Dateneinsicht über Grafana

• Detektor Überwachung über einen Telegram Bot

• Einrichtung der Zeitsynchronisation des RPi durch den GNSS-Empfänger

Der fertige Aufbau ist relativ unabhängig vom Standort, an dem er betrieben wird. Grundvoraussetzung ist ein gutes GPS-Signal, geringe Luftfeuchtigkeit und natürlich Strom- und Netzanschluss. Eine stabile Temperatur für den Szintillator und den Vorverstärker ist wünschenswert, da sie den Rauschpegel der Anlage beeinflusst. Die Myonen durchdringen mehrere Meter Granitgestein, so dass die Myonenmessungen nicht beeinträchtigt werden, wenn der Detektor im Keller aufgestellt wird. Aufgrund der Radonansammlung in Kellerräumen und des Kaliumzerfalls kann jedoch ein etwas höherer natürlicher radioaktiver Hintergrund beobachtet werden.

Falls es Probleme mit der Einrichtung oder dem Betrieb des Detektors gibt, schauen Sie in den Abschnitt Problembehebung.

Verwandte Artikel

Artikel und Neuigkeiten über kosmische Strahlung und ähnliche Projekte.

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