Comment accéder au flux de particules au cours du vol ?

Si c’est avec un électroscope qu’on a commencé à mettre en évidence la présence des particules cosmiques, plus tard, d'autres techniques de détection de particules (et donc des rayons cosmiques) furent développées avec le tube Geiger-Müller (1928) notamment.

C’est en utilisant ce type de détecteur que nous aimerions retrouver les observations expérimentales de Hess. 

Mesure du flux de particules au moyen d'un compteur Geiger

Écrit par Yann MASINSKI, Louis RAMU et Clément VIOLET – Elèves de 1ère S le . Publié dans Comment accéder au flux de particules au cours du vol ?

Le tube Geiger-Müller  est rempli d'un gaz et contient un fil métallique mis sous haute tension (400V). Quand une particule traverse le gaz, elle ionise le gaz et une impulsion électrique est créée.

Le détecteur :

Nous avons acheté un détecteur en provenance des Etats-Unis utilisant un tube Geiger-Müller capable de détecter particules b, rayonnements g mais aussi des muons, une particule proche de l’électron mais 20 fois plus lourde.

Le compteur est composé d'un tube Geiger-Müller et d'une carte d’acquisition, le tout alimenté par une pile 9V. Lors de la réception de ce dispositif, nous avons voulu voir la nature du signal qu’il fournissait. Pour cela, une fois alimenté, nous avons relié sa sortie à la carte d’acquisition Eurosmart reliée au logiciel Latispro.

Comme on peut le voir sur le graphique ci-dessous, chaque fois qu’une particule traverse le tube, une impulsion de 5V  est envoyée à la sortie du dispositif. D’après la notice du constructeur,  la carte émet un signal d’une durée de 100 ns. On en déduit que deux particules séparées par moins de 100 ns lors de leur entrée dans le tube, ne pourront être distinguées.

 

Tension en sortie du détecteur

Par précaution, nous avons décidé que les mesures seront envoyées durant le vol, mais aussi stockées directement sur un Data Loger branché sur la carte d’acquisition. 

 

Enregistrement des mesures sur carte mémoire

Écrit par Yann MASINSKI, Louis RAMU et Clément VIOLET – Elèves de 1ère S le . Publié dans Comment accéder au flux de particules au cours du vol ?

Pour traiter les données envoyées par le compteur Geiger, sur le conseil d’un professeur d’électronique, nous avons décidé d’utiliser une carte arduino, celle-ci fonctionnant entre autre avec ce type de tensions comprises entre 0 et 5V, donc pourra compter facilement  les impulsions en sortie du kit.

Avec l’aide de M. Baronni, professeur d’électronique de notre lycée, nous avons réalisé une carte comprenant :

-                     Une carte d’acquisition de température, altitude et pression,

-                     Une carte d’horloge en temps réel (RTC),

-                     Une carte pour la mémorisation sur carte SD,

-                     Une carte microcontrôleur arduino,

Plus des composants électroniques spécifiques…

 

Représentation schématique de la carte réalisée

Nous avons programmé la carte arduino, pour obtenir un enregistrement toutes les 10 secondes.

Pourquoi ce choix ?

- En 10s, le ballon est censé se déplacer de 50m, soit un peu plus que l’erreur en altitude d’une donnée GPS (30 m). Avec un temps plus faible, nous serions donc passées en dessous de la précision de nos capteurs d’altitude entre deux mesures. Sur une minute, le ballon aurait parcouru une distance trop importante, soit 300 m, et nous aurions probablement eu trop peu de mesures.

- D’autre part, compte tenu de la surface de notre tube Geiger, 6cm², une mesure sur un temps plus court n’aurait pas permis à basse altitude, de détecter suffisamment de particules pour être fiable. En effet, d’après nos recherches le flux de particules cosmiques descend nettement en dessous de 1 particules/s/cm² en dessous de 10 km. Nous aurions alors eu beaucoup trop de valeurs nulles au cours de nos mesures.   

 

Comment fonctionne le microcontrôleur ?

À l’aide du nombre d’impulsions reçues pendant 10 secondes, le microcontrôleur calcule la fréquence des particules détectées sur ces 10 s, soit N/10, la stocke sur la carte mémoire et se remet à zéro. Et ainsi de suite. Le principe est assez simple.

Il nous a fallu des bibliothèques pour inclure directement les ressources (pression, altitude, température…) aux différents modules cités ci-dessous. Ces bibliothèques nous ont permis de gagner du temps (et simplifier le programme). Une fois les modules utilisés en notre possession il ne restait plus qu’à coder le programme pour chacun des modules.

Pour traiter les données envoyées par le compteur Geiger, sur le conseil d’un professeur d’électronique, nous avons décidé d’utiliser une carte ARDUINO.

Lorsqu'une particule est détectée par le compteur Geiger, celui-ci délivre une impulsion de 5 volts. Le microcontrôleur de la carte Arduino permet de compter cette impulsion puisqu’il fonctionne avec la même tension.

À l’aide d’un professeur d’électronique de notre lycée, nous avons réalisé une carte comprenant :

-          Une carte d’acquisition de température, altitude et pression,

-          Une carte d’horloge en temps réel (RTC),

-          Une carte pour la mémorisation sur carte SD,

-          Une carte microcontrôleur Arduino,

-          Plus des composants électroniques spécifiques…

Nous avons programmé la carte Arduino à l’aide de M. Baroni, professeur d’électronique, pour obtenir un enregistrement toutes les 10 secondes. À l’aide du nombre d’impulsions reçues pendant 10 secondes, le microcontrôleur calcule la fréquence des particules détectées sur ces 10 s, soit N/10, la stocke sur la carte mémoire et se remet à zéro. Et ainsi de suite.

Le principe est assez simple.

Il nous a fallu des bibliothèques pour inclure directement les ressources (pression, altitude, température…) aux différents modules expliqués ci dessous.  Ces bibliothèques nous ont permis de gagner du temps (et simplifier le programme).

 

Sur la carte Arduino, différents modules ont été liés. Des modules pour mesurer la pression, l’altitude et température et aussi un microprocesseur et un module carte SD afin de stocker les informations. Nous aurions pu utiliser d’autres modules pour l’expérience mais ce n’était pas nécessaire. Voici les différents modules accompagnés de leur entrée et sortie.


Une fois les modules utilisés en notre possession il ne restait plus qu’à coder le programme pour chacun des modules.

 

Alors déjà, il fallait indiquer les entrées et les sorties afin que seuls les modules intéressés soient saisis.

Traitement et envoi des mesures via Kiwi

Écrit par Yann MASINSKI, Louis RAMU et Clément VIOLET – Elèves de 1ère S le . Publié dans Comment accéder au flux de particules au cours du vol ?

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Pour ce qui est de la transmission de ces données en cours de vol, c’est un peu plus complexe car l’émetteur kiwi ne peut transmettre que des tensions comprises entre 0 et 5V proportionnelles à une grandeur physique. Il nous a donc fallu faire correspondre un nombre de particules détectées ou ionisations à une tension.

A l’aide de nos recherches sur le flux de particules, nous avons trouvé que le flux maximal de particules détectées en altitude pouvait être voisin de 4 particules/cm²/s. Notre tube Geiger ayant une surface de 6 cm², nous en avons déduit qu’il pourrait détecter au maximum 240 particules sur 10 s.

 

 

 

Ainsi nous avons pensé qu’en attribuant 1 V pour 50 particules détectées, sur une plage de 5V, on pourrait mesurer jusqu’à 250 ionisations.  En fait, l’émetteur radio kiwi envoyant au sol des données toutes les deux secondes, nous aurons le la marge.

Que fait la carte ?

La carte Arduino compte les impulsions délivrées par la carte Geiger jusqu’à 250, puis la valeur du compteur est remise à zéro. À l’aide de la valeur courante du compteur, une sortie MLI (modulation de largeur d’impulsion) est gérée. Pour obtenir une tension continue, un filtre RC (résistance + condensateur = filtre RC) est utilisé en sortie.

La tension continue de sortie a été réglée pour obtenir 5 Volts lorsque le compteur est à 250 en jouant sur le filtre RC. Cette tension est envoyée directement sur l’émetteur radio kiwi.

 

Comment exploiter les mesures récupérées au sol ?

- Tant que la tension mesurée est supérieure à la précédente, le nombre de particule détectée sur l’intervalle entre deux réceptions, soit 2s, et (Ut-Ut-1)*50

- Si Ut<Ut-1 ; alors le nombre de particules détectées est (5-Ut-1+Ut)*50