Bibliografia ... - IASF Palermo

Calibrazione
di UVScope e di BaBy
e loro confronto:
Misure in Laboratorio e
Misure di fondo UV
notturno del cielo
S. Giarrusso, F. Russo, G. Agnetta, B. Biondo, O. Catalano,
F. Celi, G. Cusumano, G. D’Alì Staiti, R. Di Raffaele, G. Fazio,
G. Gugliotta, G. La Rosa, M.C. Maccarone, A. Mangano,
T. Mineo, B. Sacco, A. Santangelo, L. Scarsi, P. Scarsi, M. Zora
IASF-CNR Int. Rep. N°. 1, 2004

INDICE
Sommario ……….……………………………………………………………… 3
Introduzione ……………………………………………………………………. 3
1. Calibrazione di BaBy effettuata nel 2001 …………………………………. 4
2. Calibrazione di UVScope al Mont Cenis (giugno 2003) ………………….. 5
3. Calibrazione di UVScope in Laboratorio (ottobre 2003) …………………. 6
4. Misure di fondo UV notturno (Background) con UVScope e BaBy
effettuate in località Pomieri (settembre 2003) …………………………… 8
5. Confronto tra UVScope e BaBy …………………………………………… 10
6. Angolo solido efficace e fattore geometrico dei collimatori di BaBy
e di UVScope ……………………………………………………………….. 12
7. Misure di UVScope e BaBy del cielo notturno di Palermo effettuate
nel terrazzo del nostro Istituto (ottobre 2003) ……………………………. 13
8. Risultati delle osservazioni del cielo notturno di Palermo ………………. 13
8.1 Calcolo dei fattori geometrici G f dei collimatori di UVScope e di
BaBy ……………………………………………………………………... 13
8.2 Confronto tra la sensibilità di UVScope e quella di BaBy e
relazione tra le misure del cielo e quelle ottenute in Laboratorio …… 14
Conclusione …………………………………………………………………….. 14
Appendice ………………………………………………………………………. 16
Bibliografia ……………………………………………………………………... 19
Figure 1 --> 22 …………………………………………………………… 20 --> 42
2

Sommario
Questa relazione tratta delle calibrazioni degli strumenti UVScope e BaBy e del loro
relativo confronto effettuati con misure in Laboratorio e misure sul campo di fondo UV
notturno del cielo. Tali strumenti sono stati e sono tuttora utilizzati per esperimenti che
forniscono risultati importanti per il progetto EUSO, un telescopio spaziale per la
rivelazione dei raggi cosmici di energia estrema. I risultati delle calibrazioni hanno
mostrato che BaBy è uno strumento che ha una buona sensibilità e che può misurare il
fondo UV fornendo risultati coerenti e di buona attendibilità. UVScope è uno strumento
più compatto e versatile e più raffinato e sensibile di BaBy che fornisce risultati di alta
attendibilità. L’errore di misura associato ai valori osservati da BaBy e da UVScope,
quantificati in circa 15-20%, possono essere ridotti se si misurano sperimentalmente e
indipendentemente alcuni dei parametri che caratterizzano questi strumenti (quali, ad
esempio, l’efficienza quantica dei fotomoltiplicatori e il fattore geometrico dei
collimatori). In questo modo sia BaBy e ancor più UVScope possono essere considerati
come strumenti di alta affidabilità e precisione.
Introduzione
L’impegno e la costante attenzione del nostro Istituto (IASF-CNR Sezione di Palermo), ed in
particolare dal Team Sperimentale dello IASF, al programma EUSO è motivato principalmente
dall’interesse e dalla validità scientifica di questo progetto. EUSO è un esperimento approvato
dall’ESA, in fase A, per l’accomodamento a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), ed
è dedicato all’osservazione della componente dei Raggi Cosmici di Energia Estrema (EECR con
E > 10 19 eV). EUSO osserverà gli EECR, così come i neutrini di alta energia, rivelando dallo spazio
la debole scia di luce di fluorescenza UV emessa dalle molecole di azoto atmosferico eccitate in
conseguenza al passaggio e interazione della particella cosmica con l’atmosfera terrestre e il
successivo impulso luminoso dovuto alla riflessione sulla superficie terrestre della radiazione
Cherenkov UV che è prodotta dalla stessa particella cosmica [4] [5].
Alla validità scientifica, che certamente è il motivo principale, va affiancato anche l’aspetto
tecnologico e sperimentale che ovviamente sono indispensabili nella definizione e realizzazione del
progetto stesso. L’attività sperimentale è quindi di fondamentale importanza in questa fase di studio
perché permette di svolgere quelle azioni necessarie alla comprensione e possibilmente risoluzione
dei problemi in vista dell’obiettivo finale.
In tale contesto, sin dal 1998 il Team Sperimentale dello IASF è fortemente impegnato in molte
delle attività sperimentali di supporto per la missione EUSO. Sono stati identificati ed eseguiti,
come attività propedeutiche e di supporto, tutta una serie di esperimenti e misure effettuate sia in
Laboratorio che con osservazioni fatte su palloni stratosferici o a terra atte a conoscere alcune
importati informazioni che riguardano ad esempio la efficienza di fluorescenza UV, il livello di
fondo (background) UV dell’atmosfera notturna e la caratteristica di trasmissione nell’atmosfera e
di riflessione e diffusioni sulla terra o sulle nuvole della luce associata agli sciami di raggi cosmici
estesi.
L’esperimento BaBy (acronimo di Background Bypass), ad esempio, è nato per effettuare misure
complete e possibilmente esaustive del fondo UV notturno atmosferico nella banda di lunghezze
d’onda 300-400 nm guardando la terra dall’alto a bordo di palloni stratosferici. L’esperimento
ULTRA (Uv Light Transmission and Reflection in the Atmosphere) è nato, invece, per misurare da
terra la trasmissione e la riflessione e diffusione su vari tipi di superfici (terra, acqua, ghiaccio,…)
della luce Cherenkov UV associata agli sciami estesi di radiazione cosmica.
3

L’esperimento BaBy è stato interamente concepito nel nostro Istituto come uno strumento di misura
di facile implementazione ma di alta precisione a costi abbastanza contenuti. Una prima versione
semplificata dello strumento ha volato in pallone la notte del 30 luglio 1998 per osservare il fondo
notturno UV, in una sola banda di lunghezze d’onda (300-400 nm), guardando verso il basso il
territorio della Sicilia occidentale e una parte del mar Mediterraneo da una altezza di 26 Km,
fornendoci così la prima misura di background [1] [3] [6] [8].
La versione definitiva dello strumento ha volato due volte, la notte del 23-24 luglio 2001 e la notte
del 10-11 luglio 2002, in due voli transmediterranei sorvolando in notti chiare e senza luna da un
altezza vicina ai 40 km il mar Mediterraneo, fornendo dati di buona qualità e dando misure precise
di background UV in quattro bande di lunghezze d’onda (la banda 300-400 nm e le tre bande strette
centrate sull’emissione dell’azoto molecolare atmosferico) [2] [7] [9] [12] [13]. BaBy è anche stato
utilizzato in molte campagne di misura a terra e verrà utilizzato in futuro in altre missioni in pallone
da effettuarsi in altre parti del mondo e in differenti condizioni atmosferiche per completare il
programma di misura del background UV. Una descrizione completa dello strumento si può trovare
in alcuni dei lavori riportati in bibliografia. In breve, BaBy consiste di 4 moduli identici ognuno dei
quali è composto da una coppia di fotomoltiplicatori collimati, uno utilizzato a singolo conteggio
(Single Photon Counting Mode) e l’altro ad integrazione di carica (Charge Integration Mode)
mediante opportuni Front-End elettronici.
L’esperimento ULTRA è stato concepito, in collaborazione con gruppi Italiani, Francesi e
Portoghesi come un apparato ibrido di misura complesso, composto essenzialmente di un array di
scintillatori tradizionali (ETScope) che guardano alla componente particellare dello sciame cosmico
e da una unità di rivelazione ottica (UVScope), costituita da un telescopio di Fresnel con al fuoco un
fotomoltiplicatore, che, sincronizzato da ETScope, guarda invece alla radiazione Cherenkov riflessa
sulla superficie in conseguenza allo sciame di radiazione cosmica [10] [14].
L’apparato UVScope è stato realizzato interamente nel nostro Istituto ed ha già operato nella prima
campagna di misure effettuate da ULTRA nel giugno del 2003. Esso è costituito da un telescopio a
lente di Fresnel accoppiato ad un sistema di rivelazione, una versione più sofisticata e compatta di
BaBy, costituito da un solo fotomoltiplicatore collimato, dello stesso tipo di quelli utilizzati su
BaBy, e da una raffinata elettronica di Front-End che permette tramite relè di selezionare ed operare
in una delle tre modalità operative: Single Photon Counting, Charge Integrator e Gated Integrator
Mode, quest’ultimo una versione di alta precisione della modalità ad integrazione. Un maggior
dettaglio di UVScope ed in particolare del sistema di rivelazione, a cui siamo interessati in questa
relazione, si può trovare in [11].
Di seguito analizzeremo e discuteremo dei risultati di calibrazione dei due strumenti da noi
realizzati, BaBy ed UVScope e del loro relativo confronto. Le calibrazioni si riferiscono a misure
effettuate sia in Laboratorio che per mezzo di osservazioni sul campo del fondo UV notturno del
cielo.
1. Calibrazione di BaBy effettuata nel 2001
La calibrazione dello strumento BaBy è stata fatta nel 2001 alcuni mesi prima delle misure di fondo
UV notturno effettuate dall’alto con il 1° volo in pallone stratosferico. Nella calibrazione di BaBy i
principali parametri misurati sono stati, la carica anodica media (essenziale per trasformare
l’informazione dei canali di integrazione in conteggi), la soglia analogica per i canali a conteggio e
l’efficienza quantica dei fotomoltiplicatori.
Le misure per determinare la carica anodica media sono state effettuate nel nostro Laboratorio
(IASF-CNR sezione di Palermo) utilizzando la tecnica del Single Photon Counting, usando come
stimolo luminoso un Led verde il quale veniva eccitato in modo tale che i fotomoltiplicatori (Pmt)
4

di BaBy osservassero un fotone alla volta e quindi lavorassero in condizione di Single Electron
Response (SER). Un circuito costituito essenzialmente da un preamplificatore di precisione e un
multicanale serviva poi a misurare lo spettro SER da cui si possono ricavare tutte le informazioni
necessarie (come ad esempio le cariche anodiche medie per singolo fotoelettrone).
In pratica, per ogni Pmt di BaBy, la tensione di picco degli impulsi formati dal Charge Integrator
Amptek A250 sono stati multicanalizzati per 100 secondi. Il rate degli impulsi è stato misurato e la
carica anodica media per impulso (data in pC/pulse) è stata calcolata come il rapporto della carica
anodica totale raccolta rispetto al numero totale di conteggi misurati: = Q tot / N tot . In pratica,
nota la caratteristica di uscita del preamplificatore di precisione (1pC/Volt), l’integrale della
distribuzione dello spettro SER ci dà la carica anodica totale raccolta Q tot e il canale medio dello
stesso spettro la carica anodica media per impulso . Dividendo per la carica dell’elettrone
si ottiene il numero di elettroni presenti all’anodo del Pmt per singolo fotoelettrone emesso al
fotocatodo (regime di SER) e quindi il guadagno G del fototubo.
I valori di (in pC) e di G (x10 6 ) a diverse tensioni di alimentazione HV del Pmt sono riportati,
per tutti e otto i Pmt di BaBy, in forma tabulare in Fig. 1. Ogni fototubo (Hamamatsu mod. 3878)
nella tabella è identificato con il suo serial number (SN), i 4 Pmt utilizzati per i canali a conteggio
sono identificati con la lettera maiuscola A mentre i 4 Pmt utilizzati ad integrazione con B.
La soglia analogica THR in mV per i 4 circuiti a conteggio di BaBy è stata determinata in modo da
ottenere un numero di conteggi corrispondenti a quelli ricavati dai canali ad integrazione con i
valori delle cariche anodiche medie trovate. Il valore operativo di THR=3.5 mV valido per tutti i
canali è stato utilizzato in tutti gli esperimenti sia a terra che in volo.
Infine, utilizzando lo spettrofotometro dell’Osservatorio Astronomico di Catania, abbiamo misurato
per tutti i Pmt di BaBy l’efficienza di collezione a diverse lunghezze d’onda (cioè l’efficienza
quantica del fotomoltiplicatore; Il prodotto dell’efficienza quantica del fotocatodo per l’efficienza di
propagazione dinodica). Poiché lo spettrofotometro ha avuto alcuni problemi soprattutto alle basse
lunghezze d’onda, i valori ottenuti sotto i 350 nm sono stati ritenuti non completamente attendibili.
Sovrapponendo gli andamenti in funzione della lunghezza d’onda delle efficienze quantiche (QE)
dei Pmt, così come misurate a Catania, con le efficienze quantiche del fotocatodo (QE) misurate
dalla casa costruttrice (Hamamatsu) abbiamo ricavato i valori di QE corretti. I valori di QE di
Catania, di QE fotocatodo e di QE corretto a diverse lunghezze d’onda per tutti e otto i Pmt di BaBy
sono riportati in forma tabulare in Fig. 2. Per ognuno dei Pmt è evidenziata la media di QE corretta
su tutta la banda di lunghezza d’onda UV. Nelle misure di fondo ultravioletto (background) tale
parametro è utile in quanto il background è, in un ampio intervallo di lunghezze d’onda, abbastanza
piatto.
2. Calibrazione di UVScope al Mont Cenis (giugno 2003)
La prima calibrazione di UVScope è stata effettuata sul campo, il 23 giugno del 2003 al Mont Cenis
(Francia), proprio poco prima di effettuare la campagna di misure di Cerenkov riflesso nell’ambito
dell’esperimento ULTRA. In questo esperimento UVScope doveva essere utilizzato sia in modalità
a conteggio che ad integrazione di carica e la calibrazione è consistita nel determinare per la
modalità a conteggio, i valori di soglia (THR in mV), da applicare sull’impulso anodico del Pmt e
per la modalità ad integrazione i valori della carica anodica media per singolo impulso anod in
funzione della tensione HV di alimentazione. Il parametro anod permette di trasformare la
tensione in mV misurata ai capi della capacità del circuito di integrazione di carica (nell’intervallo
di tempo dell’osservazione) al rate di impulsi al secondo, cioè al conteggio.
5

Come già fatto con successo nel passato per l’esperimento BaBy, per la calibrazione si è usata la
tecnica del Single Photon Counting, cioè della rivelazione a singolo fotone utilizzando come
sorgente luminosa un Led verde (λ=470 nm). Regolando l’intensità e la durata del segnale luminoso
emesso e posizionando opportunamente a una certa distanza il Led dal fotocatodo si è lavorato in
regime di Single Electron Response (SER), cioè a singolo fotone, con un rate di conteggi superiore
al rate di oscurità del Pmt. In pratica con una frequenza di accensione del Led di 1 MHz i conteggi
misurati erano meno di 10000 al secondo (ben al di sopra comunque del rate di oscurità, “dark”, che
è di una decina di conteggi al secondo).
In Fig. 3 sono riportati i grafici dei conteggi misurati in funzione della soglia analogica a varie
tensioni di alimentazione del Pmt (HV 700-1500 Volt). Il plateau è evidente in tutti i grafici e valori
di soglia accettabili THR tra 4.5 e 5.5 mV possono essere utilizzati a secondo della HV applicata.
In Fig. 4 sono riportati i grafici relativi ai valori di integrazione in mV misurati in 1/10 di sec in
funzione dei conteggi misurati nello stesso intervallo di tempo. La sorgente luminosa in questo caso
è stata fatta variare in modo da non superare i 30000-35000 conteggi al secondo. La relazione tra
integrazione e conteggi è lineare a tutte le tensioni applicate (HV 700-1500 Volt). L’offset (cioè il
valore dell’integrazione estrapolato a conteggio nullo, cioè senza neanche i conteggi “dark”) è
dovuto a micro impulsi di ampiezza inferiore al mV che caricano la capacità del circuito di
integrazione. Dai coefficienti angolari delle rette interpolanti, nota la capacità utilizzata nel circuito
di integrazione (C int =1100 pF), si ricavano facilmente (vedi formule riportate in Fig. 4) i valori della
carica media raccolta per impulso anod in pC/cnt a tutte le tensioni applicate. Questi valori,
evidenziati in giallo nella tabella di Fig. 4, sono quelli che sono stati utilizzati per l’esperimento
ULTRA.
3. Calibrazione di UVScope in Laboratorio (ottobre 2003)
Per caratterizzare in modo più preciso UVScope e valutarne la sua estrema sensibilità, soprattutto
rispetto al suo precursore BaBy, si è rifatta nel mese di ottobre del 2003 la calibrazione presso il
Laboratorio del nostro Istituto, dove si è anche comparata l’elettronica di Front-End a conteggio di
UVScope con l’elettronica a conteggio di BaBy.
In particolare, utilizzando la testa di UVScope, fotomoltiplicatore+collimatore, illuminando
opportunamente il Pmt con una sorgente luminosa a Led UV e usando la stessa tecnica utilizzata
nella calibrazione al Mont Cenis (cioè lavorando in regime di SER) si è inizialmente effettuato una
serie di misure “campione” della carica anodica media del Pmt ( Pmt in pC/sec) mediante due
strumentazioni standard e successivamente ricavato la stessa quantità direttamente dal Front-End di
UVScope per confrontarla con le misure “campione”.
Le strumentazioni standard utilizzate per le misure campioni di Pmt consistono essenzialmente
la prima di un integratore di corrente, un modulo NIM della Ortec (Digital Current Integrator 439)
che permette di misurare in un dato intervallo di tempo la piccola quantità di carica raccolta
direttamente dall’anodo del Pmt, la seconda strumentazione consiste invece della classica catena
spettroscopica costituita dal preamplificatore integratore di carica di precisione (Amptek A250) e un
multicanale con ADC. Maggiori dettagli sulla strumentazione usata in Laboratorio, sul set-up
utilizzato e sulla tecnica adottata sono riportati più avanti in appendice.
In Fig. 5 sono riportati in tabella i risultati delle cariche anodiche “campione” e di quelle misurate
con UVScope come funzione della tensione HV applicata al Pmt. In Fig. 6 sono riportati, invece,
gli spettri, come misurati dalla catena a multicanale, della Single Electron Response (SER) del Pmt,
prodotto da singoli fotoni provenienti dal Led, a varie tensioni HV di alimentazione. Il canale medio
in ognuna di queste distribuzioni, come già detto in precedenza, ci fornisce direttamente la carica
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anodica media anod (in pC/cnt) a quella HV, mentre l’integrale dello spettro, che è uguale alla
carica totale raccolta, diviso l’intervallo di tempo “vivo” (cioè quello reale meno il tempo morto) ci
dà pmt (in pC/sec) che è uno dei due valori “campione” da confrontare con UVScope. Il picco
secondario a sinistra del picco principale è dovuto probabilmente ai quei fotoelettroni che si
moltiplicano a partire dal secondo stadio dinodico, a causa di una non corretta focalizzazione del
fotoelettrone primario da parte dei campi elettrici presenti all’interno del fototubo. Per questa
ragione pmt è stata ricavata integrando su tutta la distribuzione.
Dalla tabella di Fig. 5, così come dal primo dei grafici riportati nella stessa figura, si nota che i
valori della carica anodica raccolta (in pC/sec) quando il fototubo è in oscurità (valori “dark”) sono,
entro qualche per cento, uguali nel caso di UVScope e dell’ORTEC 439 mentre differiscono
abbastanza dai valori ricavati dal circuito spettroscopico (in Amptek A250 i valori sono infatti più
bassi). La ragione è che UVScope, così come il Digital Current Integrator 439, sono sensibilissimi e
raccolgono e integrano la “erbetta” (come si vedrebbe ad un oscilloscopio) di micro-impulsi di
rumore (a media non nulla) presenti nel terminale anodico del Pmt. La soglia presente all’ingresso
dell’ADC del multicanale taglia questi micro-impulsi e registra solo i veri impulsi “dark” del Pmt.
La presenza di questi micro-impulsi, come già detto, giustifica l’offset presente nella relazione
integrazione-conteggio come visto nella calibrazione al Mont Cenis. Ovviamente per la stessa
ragione anche le pmt misurate a Led accesso differiscono nel caso UVScope-Ortec 439 dal caso
Amptek A250. Tuttavia le pmt ricavate come sottrazione led-dark, che sono quelle significative
in quanto sono le cariche anodiche indotte dai singoli fotoni emessi dal Led a cui viene sottratta
l’erbetta di micro-impulsi, sono a tutte le tensioni HV di lavoro entro il 10% uguali in tutti e tre i
metodi indipendenti di misura (si veda in Fig. 5 il secondo grafico e nella tabella le righe
evidenziate).
Un ulteriore conferma della bontà delle misure di pmt, e in particolare di quelle ottenute
direttamente con UVScope, si evince confrontando i valori di pmt ottenuti in Laboratorio,
ricalcolati in pC per singolo impulso, con quelli ricavati nella calibrazione di giugno al Mont Cenis.
Per far questo sono stati misurati i rate di eventi mediante il circuito a conteggio di UVScope
applicando all’uscita anodica, a tutte le tensioni HV di alimentazione, una soglia analogica di 5 mV
(vedi la prima tabella di Fig. 7). Ad una data tensione il rapporto delle pmt e il rate misurato ci
fornisce la carica anodica media per impulso ( anod = pmt / Rate). Nella tabella in basso di
Fig. 7 si possono confrontare i valori di anod (in pC/cnt) ottenuti in Laboratorio con quelli del
Mont Cenis. Come si vede anche dal secondo grafico in basso di Fig. 7 tali valori, alle tensioni di
interesse (HV > 1200 Volt), differiscono di circa il 10%. I valori della carica anodica media per
impulso anod misurate in Lab (o al Mont Cenis) sono dunque i valori misurati per UVScope con
associato un errore (o incertezza di misura) del 10%.
Come conclusione alla calibrazione in Laboratorio, utilizzando soltanto il Pmt di UVScope,
abbiamo messo a confronto i rate di eventi misurati dal circuito elettronico a conteggio di UVScope
(con soglie a 5 mV) con quello di BaBy a due differenti soglie (3.5 e 4.5 mV). I valori dei rate in
funzione delle tensioni HV applicate al Pmt sono riportati nella prima tabella in alto di Fig. 7 e i
valori dei rate led-dark (nella tabella le righe evidenziate) riportati nel primo grafico della stessa
figura. Come si vede a tutte le tensioni di lavoro l’elettronica di UVScope è abbastanza più sensibile
di quella di BaBy, raggiungendo il valore di saturazione, cioè il “vero” valore dei rate di eventi
osservati, già a 1100-1200 Volt. Il circuito di BaBy invece a 1200 Volt e con una soglia di 3.5 mV
(che sono le condizioni operative con cui BaBy ha lavorato negli esperimenti passati sia a terra che
nei voli in pallone) mostra un deficit nella misura del rate di circa il 15%. Grazie ad UVScope
adesso abbiamo un confronto diretto che ci permette di aggiustare le misure a conteggio di BaBy
fatte nel passato che sono tutte sottostimate di almeno un 15%.
7

4. Misure di fondo UV notturno (Background) con UVScope e BaBy effettuate
in località Pomieri (settembre 2003)
Per confrontare direttamente le capacità osservative di UVScope con quelle di BaBy e per effettuare
una intercalibrazione tra i due strumenti, il 22 e 23 settembre 2003 si sono effettuate osservazioni di
background notturno presso Pomieri (Piano Battaglia) un sito in alta montagna (a 1400 m di
altezza) in provincia di Palermo. I dati sufficienti per la nostra analisi sono quelli relativi alla prima
notte (22 settembre 2003). In Fig. 8 sono riportate due pagine del logbook dove si è evidenziato con
delle frecce le osservazioni effettuate quella notte e dove risultano evidenti i dati relativi al set-up
degli strumenti, l’orario delle osservazioni ed i files in cui sono stati conservati i dati. Tutte le
osservazioni sono state fatte in una notte chiara e in assenza di luna e, posizionando sia UVScope
che BaBy in direzione dello zenit. I Pmt di BaBy hanno lavorato alla tensione operativa HV di
1200 Volt (la massima possibile, che è quella che è stata utilizzata nelle altre campagne di misura a
terra e in volo) e il Pmt di UVScope alla tensione di saturazione HV di 1500 Volt. Abbiamo
iniziato le osservazioni dopo l’una di notte (1° osservazione alle ore 1.15) in modo che fosse già
transitato nel campo di vista di entrambi gli strumenti il piano galattico. In queste condizioni il
cielo, come si vedrà più avanti dall’analisi dei dati, è risultato abbastanza stabile durante tutta
l’osservazione. Per limitare ulteriormente le eventuali variabilità del cielo la durata di ogni
osservazione effettuata è stata limitata a circa 10 min anche se, per il non trascurabile tempo morto
degli strumenti, i dati utili si riducono solo a circa 3 min dei 10 min dell’osservazione, che è
comunque un tempo sufficiente per accumulare una buona statistica. Si è osservato il cielo sia con
UVScope che con BaBy in due differenti bande di lunghezza d’onda; A piena banda senza l’uso di
alcun filtro e nella banda 300-450 nm relativo al filtro BG1. Poiché avevamo soltanto un filtro BG1,
si è dovuto ruotarlo a turno nei quattro moduli integrazione+conteggio di BaBy e in UVScope. Così
abbiamo per BaBy 4 osservazioni distinte (1 per ogni modulo integrazione+conteggio), e quindi
quattro files, con il filtro BG1 ed un'unica osservazione ed un unico file con tutti e quattro i moduli
(8 Pmt) a piena banda. Per UVScope abbiamo due files relativi alle due osservazioni a piena banda
e con il BG1. UVScope in queste osservazioni è stato utilizzato solo in modalità a conteggio.
I risultati delle osservazioni con UVScope sono riportati nelle Figg. 9 e 10, i risultati di BaBy in
Figg. 11 e 12.
In Fig. 9 sono riportati la curva di luce (grafico superiore) e la distribuzione della probabilità dei
conteggi (grafico inferiore), a cui è stata sovrapposta un fit gaussiano, relativa all’osservazione fatta
a piena banda, cioè senza alcun filtro. In alto, nella stessa figura, sono anche evidenziati la media su
tutta l’osservazione dei conteggi al sec e il nome del file in cui sono accumulati i dati. La curva di
luce mostra un andamento abbastanza piatto indice che il cielo si è mantenuto stabile durante tutta
l’osservazione. La probabilità dei conteggi, come ci si aspetta, si distribuisce come una gaussiana e
la larghezza σ trovata con il fit gaussiano è marginalmente superiore alla radice quadrata dei
conteggi medi (σ = 1.05√cnt), indice ancora una volta della stabilità del cielo ma soprattutto della
bontà e buona accuratezza della misura fatta con UVScope.
Anche le osservazioni effettuate con il filtro BG1, come si vede in Fig. 10, hanno evidenziato una
buona stabilità del cielo, anche se il rapporto σ/√cnt è un poco superiore (1.16). Il rate dei conteggi
è ovviamente in questo caso più basso di quello dell’osservazione a piena banda.
In queste due osservazioni UVScope ha funzionato abbastanza bene.
In Fig. 11 sono riportati le curve di luce di tutte e otto i fotomoltiplicatori di BaBy (grafici a
sinistra), 4 curve per i conteggi (grafico superiore) e quattro per l’integrazione (grafico inferiore), e
nei grafici a destra le relative distribuzioni di probabilità, per l’osservazione effettuata a piena
banda. In alto sono sempre evidenziati i conteggi medi al secondo per i quattro canali a conteggio e
i valori di integrazione medi in mV/sec per i quattro canali ad integrazione. In questo caso, come si
8

vede nei canali a conteggio, il rapporto della larghezza della gaussiana fittata rispetto alla radice
quadrata dei conteggi è sensibilmente più alto rispetto a quanto trovato in UVScope (σ/√cnt > 1.4),
il che indica un maggior rumore presente probabilmente nei cavi di connessione tra la testa e
l’elettronica di BaBy. Bisogna tener presente, infatti, che a differenza di UVScope, dove
l’elettronica e la testa (dove risiede il Pmt) sono abbastanza vicini ed integrati in un unico modulo,
in BaBy l’elettronica e la testa sono separati fisicamente e connessi da cavi coassiali di 1 m di
lunghezza circa (si noti inoltre che, senza alcuna manutenzione, l’intero strumento BaBy insieme
con i cavi di collegamento è quello che è volato due volte a circa 40 km di altezza in due campagne
di misura effettuate con palloni stratosferici). Il rumore presente nei cavi è, d’altra parte,
platealmente evidente nel primo canale ad integrazione dove nella curva di luce riportata in grafico
si vede come i punti siano scatterati in una fascia molto larga. La distribuzione di questi punti e
ancora una gaussiana ma con un abnorme rapporto tra σ e la radice quadrata del valor medio
dell’integrazione. La larghezza della distribuzione è infatti determinata, in questo caso,
essenzialmente dal (dominante) rumore elettronico esterno che, essendo per sua natura casuale, è
anch’esso distribuito gaussianamente. Tuttavia, come sarà evidente anche più avanti nell’analisi di
comparazione tra gli otto canali di BaBy e tra questo e UVScope, il valore di integrazione medio in
mV/sec trovato (cioè il canale di picco della distribuzione) è abbastanza coerente con i valori trovati
in tutti gli altri canali.
Ovviamente negli altri canali ad integrazione, non fortemente disturbati dal rumore esterno, non
bisogna lasciarsi ingannare dal valore minore di uno trovato nel rapporto tra la larghezza σ e la
radice quadrata del valor medio della distribuzione in quanto, dal punto di vista statistico, ciò che ha
senso non è questo rapporto ma quello ottenuto tra le stesse quantità nella distribuzione di
probabilità dei conteggi, cioè σ/√cnt (per rate dei conteggi affetti solo da fluttuazioni casuali tale
distribuzione è la ben nota distribuzione di Poisson dove σ/√cnt=1). Questa ultima distribuzione si
ottiene, note le cariche anodiche medie anod , dalla trasformazione dei valori di integrazione in
conteggi. Utilizzando i valori delle anod , come più avanti ricavati, si trova che in questi tre
canali ad integrazione poco “disturbati” i valori di σ/√cnt sono circa uguali a quelli ottenuti nei
canali elettronici a conteggio (vedi Fig. 11-B), indicando che un minimo di rumore è pure presente
nei cavi di connessione dei suddetti canali ad integrazione. Per i soli canali ad integrazione in
Fig. 11-B abbiamo riportato, di nuovo e per comodità, le curve di luce e le distribuzioni di
probabilità relativi ai valori di integrazione (grafici in alto) e (grafici in basso) le curve di luce e le
distribuzioni di probabilità relativi ai conteggi che si ottengono dopo la trasformazione
integrazione-conteggio.
Infine in Fig. 12 sono riportati i risultati relativi all’osservazione di BaBy fatta con il filtro BG1. A
parte differenze marginali i risultati sono abbastanza simili a quelli ottenuti a piena banda ad
eccezione dei rate di conteggio e dei rate di integrazione che sono ovviamente più bassi rispetto a
quelli misurati a piena banda.
Anche per BaBy possiamo concludere che ha funzionato bene fornendo dati con una buona
accuratezza.
Per trasformare i valori delle tensioni (in mV/sec), misurati nei canali ad integrazione, in rate di
conteggi al secondo è necessario, come già detto più volte, conoscere la carica anodica media per
conteggio anod (in pC/cnt) per ognuno dei quattro canali di integrazione di BaBy. I Valori di
dei canali di integrazione di BaBy misurati in Laboratorio nel 2001 sono oggi poco attendibili
in quanto che è una misura del guadagno G del Pmt è, come è noto, soggetto a variazione a
causa dell’invecchiamento del fototubo.
Si possono ricavare i nuovi valori di utilizzando i dati di Pomieri. Gli si ricavano ognuna
dal coefficiente angolare della relazione lineare che esiste tra l’integrazione e il conteggio e poiché
abbiamo osservato il cielo in due differenti bande noi abbiamo almeno due punti nel grafico
dell’integrazione in funzione del conteggio su cui interpolare la retta. Non avendo osservato il cielo
9

nella doppia modalità conteggio-integrazione con lo stesso Pmt, la relazione può essere trovata tra il
Pmt del canale ad integrazione ed un Pmt del canale a conteggio e ovviamente ognuno dei 4 canali
ad integrazione può essere messo in relazione con ognuno dei 4 canali a conteggio. I risultati di tutte
le possibili combinazioni sono riportati negli scatter-plot di Fig. 13. Nei 4 grafici i cluster dei punti
in basso a sinistra corrispondono all’osservazione con il filtro BG1 mentre i cluster in alto a destra
all’osservazione a piena banda.
Come già fatto in precedenza, abbiamo calcolato, a partire dai coefficienti angolari α delle rette
interpolanti i centroidi dei rispettivi cluster di punti (BG1-No Filter), le cariche anodiche medie
INT per ognuno dei canali ad integrazione. I valori di INT sono stati ricavati rinormalizzando
i valori di α con il rapporto tra le efficienze quantiche QE dei Pmt a conteggio rispetto a quelli ad
integrazione. Le QE sono quelle misurati nel 2001 a Catania.
Le formule utilizzate ed i risultati sono riportati in Fig. 13. Come si vede in ognuno dei 4 canali ad
integrazione c’è una discreta differenza tra i valori di INT trovati quando questi canali sono
correlati con i 4 canali a conteggio. Tuttavia mediando i valori di INT su tutti i canali a
conteggio, cioè facendo la media nelle righe della matrice di INT (vedi Fig. 13), si possono
trovare per ognuno dei 4 canali ad integrazione dei valori di INT mediati abbastanza attendibili,
in quanto nella media gli errori sistematici insiti in un canale si possono compensare con gli errori
presenti nell’altro canale.
Un modo più semplice e diretto per ottenere i 4 valori di INT per i canali ad integrazione e
quello di partire dai rate di conteggio e di integrazione in mV/sec misurati sia a piena banda che con
il filtro BG1. Attribuendo ad ognuno dei Pmt ad integrazione un conteggio “osservato” uguale alla
media pesata (con le QE) dei rate di conteggi misurati dai quattro canali a conteggio e
rinormalizzando il valore ottenuto con la QE del Pmt ad integrazione, possiamo mettere in
relazione, per ognuno dei canali ad integrazione, il valore di integrazione misurato con il rate di
conteggio medio così trovato. Le formule utilizzate, il grafico dell’integrazione in funzione dei
conteggi e gli INT trovati sono tutti riportati in Fig. 14. Come si vede i valori di INT
differiscono del 1% rispetto a quelli trovati precedentemente.
Assumiamo, per BaBy, quest’ultimi come i 4 nuovi valori di INT .
5. Confronto tra UVScope e BaBy
Abbiamo adesso tutti gli elementi per poter mettere a confronto gli otto canali di BaBy con il canale
a conteggio di UVScope, così come viene fuori dalle osservazioni di Pomieri.
Per quanto riguarda le osservazioni a larga banda (senza filtro) i risultati del confronto sono tutti
riportati in Fig. 15. Qui per comodità abbiamo trascritto di nuovo i valori dei rate di conteggio e
delle integrazioni in mV/sec precedentemente riportati. Per quest’ultimi abbiamo fatto la
trasformazione del valore di integrazione in rate di conteggi usando le nuove cariche anodiche
medie . Infine abbiamo riportato nella stessa colonna dei conteggi (Meas), il rate misurato da
UVScope e il valor medio dei conteggi misurati da tutti e otto i canali di BaBy e, nella colonna
accanto (∆meas), gli errori associati. I rapporti relativi tra il rate dei conteggi nei vari canali rispetto
al valor medio di BaBy e i relativi errori sono riportati nelle due colonne adiacenti e nel grafico a
sinistra della Fig. 15. Come si vede dal grafico per i quattro canali a conteggio di BaBy e per
UVScope l’errore associato è quantificato soltanto come errore di misura (2%) mentre per i canali
ad integrazione l’errore associato è più grande in quanto all’errore di misura si deve aggiungere
l’errore che si fa nella stima di che, come abbiamo già visto, possiamo quantificare in una
percentuale del 10%. Prima di andare avanti nel confronto, vogliamo subito far notare che se
usiamo, nel calcolo dei rate di conteggi per i canali ad integrazione, i misurati in lab. nel 2001
i valori dei conteggi ottenuti e quindi i relativi rapporti rispetto al valor medio di BaBy sono
sottostimati rispetto a quelli ottenuti con i nuovi e, cosa più importante, mentre quest’ultimi si
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distribuiscono attorno al valor medio di BaBy, il cui rapporto per definizione è uguale ad 1, i valori
con i vecchi sono tutte e quattro ben al di sotto di 1.
Sempre nello stesso grafico di Fig. 15, abbiamo voluto evidenziare bene con due linee continue la
grande differenza, un fattore 2, che c’è tra la media di BaBy e UVScope.
Discuteremo ampiamente più avanti di questa importante discrepanza che emerge nell’osservazione
di Pomieri tra BaBy e UVScope e di come questa possa essere spiegata.
Prima di ciò, però, vogliamo far notare che se rinormalizziamo i conteggi con i QE dei Pmt misurati
nel 2001 a Catania, i valori dei rapporti relativi degli otto canali di BaBy rispetto alla media di
BaBy sono meno dispersi attorno ad 1, cioè più in accordo con la retta della media di BaBy (si veda
il secondo grafico a destra della Fig. 15) di quanto non lo fossero i valori riportati nel primo grafico.
Specialmente nei canali a conteggio la dispersione attorno ad 1, che nei dati non rinormalizzati non
era trascurabile, adesso, tranne il primo canale, è realmente trascurabile come anche nei canali ad
integrazione. L’errore associato ai nuovi punti è più grande perché oltre agli errori già discussi e
all’errore associato alle QE misurate a Catania (che abbiamo quantificato in 5%) abbiamo aggiunto
(sommato) un errore sistematico del 10% uguale per tutti i canali di BaBy, in buona parte dovuto
alla non perfetta conoscenza che abbiamo dell’angolo solido degli 8 collimatori utilizzati su BaBy.
Di fatto, come vedremo più avanti, mentre è perfettamente determinabile il valore teorico
(geometrico) dell’angolo solido, non conosciamo come cambia questo valore se si tiene conto delle
riflessioni sulle pareti interne del collimatore. Questo potrebbe anche spiegare perché il primo
canale a conteggio di BaBy e più basso degli altri, anche se in questo caso non è da escludere un
non perfetto funzionamento della soglia analogica (si ricordi che il BaBy a Pomieri è lo stesso,
senza alcuna manutenzione, di quello utilizzato in passato nelle misure di terra e di volo). Anche al
valore di UVScope abbiamo sommato all’errore di misura un errore sistematico del 10% in quanto
del Pmt utilizzato non conosciamo l’efficienza quantica QE (non abbiamo nemmeno quella che in
genere fornisce la casa costruttrice).
Come si vede in Fig. 16, dove sono riportati i risultati dell’analisi relativa all’osservazione fatta con
il filtro BG1, abbiamo ottenuto gli stessi risultati (con differenze davvero marginali) di quelli
ottenuti nell’osservazione a piena banda. Anche in questo caso infatti la differenza tra il valore
osservato da UVScope e quello osservato dalla media di BaBy è circa un fattore 2.
Prima di spiegare questa discrepanza vogliamo far notare che, il fatto che abbiamo trovato un buon
accordo in tutte e otto i canali di BaBy (entro l’errore anche il primo canale è in accordo), e poiché
l’errore totale associato ai punti relativi ai singoli canali non supera il 20% e che la media dei
conteggi di BaBy è praticamente uguale alla media calcolata dai conteggi rinormalizzati per le QE
dei Pmt, da un punto di vista pratico, per l’analisi dei dati di BaBy (o anche per una re-analisi dei
dati passati) possiamo considerare BaBy come un unico fototubo Pmt che osserva come rate dei
conteggi il valore medio dei conteggi osservati dai 4 canali a conteggio e come integrazione il
valore medio dei valori di integrazione in mV/sec osservati dai 4 canali ad integrazione.
Praticamente, senza tenere conto di nulla cioè senza rinormalizzare, si mediano i valori misurati nei
singoli canali e si attribuisce alle differenze osservate come dovuto all’errore sistematico dello
strumento. Correlando il valore medio dei conteggi misurati con il valore medio delle integrazioni
sia nel caso a piena banda che nel caso BG1 possiamo ricavare, dalla retta di correlazione, per
questo Pmt “equivalente” un valore di che è praticamente uguale alla media dei valori delle
cariche anodiche medie trovate precedentemente per i singoli canali di integrazione
( = Σ INTi , vedi Fig. 13 e 14). Tutto quanto sopra detto, formule, risultati, grafico
integrazione-conteggio, valore di e sua comparazione con precedentemente trovato
sono riportati in Fig. 17.
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Ovviamente per l’analisi dei dati di BaBy sono importanti i rapporti relativi di ogni canale rispetto
alla media di BaBy, i quali ci permettono di ricalcolare i conteggi osservati nei canali per i quali
sono stati usati filtri a differenti larghezze di banda. Tali rapporti, per tutti i canali di BaBy, sono
riportati insieme all’errore associato nelle colonne evidenziate in Fig. 15 e 16.
6. Angolo solido efficace e fattore geometrico dei collimatori di BaBy e di
UVScope
Uno dei contributi alla discrepanza osservata tra UVScope e BaBy nelle misure di Pomieri è stato
già individuato in Laboratorio (vedi paragrafo 3) dal confronto tra i rate misurati dal Front-End a
conteggio di BaBy e quello misurato dall’equivalente di UVScope. In quel caso (vedi Fig. 7) il rate
misurato dal Front-End di BaBy alla tensione di 1200 Volt (il valore operativo per BaBy) è più
basso del rate misurato da UVScope, alla tensione di saturazione di 1500 Volt, di circa il 15% (si
noti che UVScope è già praticamente saturato a 1200 Volt e i valori dei rate misurati a 1200 Volt e
1500 Volt sono circa uguali).
L’aver sottostimato i conteggi di BaBy di un 15% (si ricordi che tramite i valori calcolati di
anche i conteggi ricavati per i canali di integrazione sono sottostimati della stessa quantità) non può
chiaramente spiegare il fattore 2. E in ogni caso, come vedremo più avanti, prima di eseguire
questa, comunque, non banale correzione abbiamo voluto confermare questa differenza del 15%
con un osservazione congiunta UVScope-BaBy del cielo notturno di Palermo effettuata nel terrazzo
del nostro Istituto.
Un contributo sicuramente non trascurabile viene invece dal differente fattore geometrico G f dei
collimatori di BaBy (tutti uguali fra loro ma, come abbiamo già sottolineato in precedenza, con
possibili piccole differenze dovute alle riflessioni sulle pareti interne) da quello relativo al
collimatore di UVScope.
Operativamente Il fattore geometrico G f di un collimatore è definito come il prodotto dell’area
dell’apertura di ingresso del collimatore A coll per l’angolo solido efficace sotteso al Pmt dal
collimatore stesso . Ω eff (G f = A coll
.
. Ω eff ).
Per quanto i collimatori di BaBy e quello di UVScope fossero stati costruiti per avere quasi lo
stesso G f essi differiscono in realtà abbastanza. Anche costruttivamente il collimatore di UVScope è
differente dai collimatori di BaBy. Quest’ultimi sono dei cilindri di 63.5 mm di altezza e un
diametro di apertura di 6.7 mm (con i fotocatodi dei Pmt posti 4 mm più in basso del foro di uscita).
Quello di UVScope invece è un collimatore di 68.9 mm di altezza (con il fondo direttamente a
contatto con il fotocatodo), un diametro di apertura di 6.9 mm e un diametro delle pareti interne
maggiore del diametro del fotocatodo, fatto apposta per minimizzare, rispetto a quelli di BaBy, le
riflessioni interne.
Ora, come si può facilmente dimostrare con calcoli analitici, piccole differenze nei parametri, quali
altezza o raggio di apertura del collimatore, portano a una grande differenza nei valori di G f
calcolati. Inoltre anche le espressioni analitiche per il calcolo di Ω eff e quindi di G f sono differenti
nel caso del collimatore di UVScope rispetto a quelli di BaBy. In particolare la funzione
trasmissione del collimatore ε(θ), che entra in gioco nel calcolo di Ω eff , è differente nei due casi; in
BaBy è una funzione triangolare mentre in UVScope è una funzione triangolare a partire da un
angolo θ min al di sotto del quale ε(θ) si mantiene uguale ad 1.
Le equazioni che definiscono Ω eff e G f insieme alle formule analitiche derivate ed utilizzate per il
calcolo di Ω eff , per entrambi i collimatori (UVScope e BaBy), e un disegno schematico dei due
collimatori, sono tutti riportati in Fig. 18.
L’unico problema è che per BaBy tutti i parametri in gioco sono noti per effettuare il calcolo
mentre per UVScope non conosciamo il diametro effettivo del fotocatodo. Il diametro esterno del
fotomoltiplicatore e di 10 mm e l’Hamamatsu (la casa costruttrice) dichiara che il diametro del
12

fotocatodo sensibile è non inferiore ad 8 mm e compreso tra 8 e 9 mm. Un incertezza di 1 mm si
traduce in un differenza troppo grande nel valore di G f .
7. Misure di UVScope e BaBy del cielo notturno di Palermo effettuate nel
terrazzo del nostro Istituto (ottobre 2003)
Per risolvere questo problema abbiamo effettuato il 31 ottobre del 2003 delle osservazioni del cielo
notturno di Palermo sul terrazzo del nostro Istituto con UVScope e BaBy.
Abbiamo scelto per le misure una notte limpida e senza luna. Grazie alla uniforme illuminazione
diffusa prodotta dalle luci di Palermo il cielo si è mantenuto quella notte sufficientemente stabile in
tutto il periodo di osservazione. Malgrado la maggiore luminosità del cielo di Palermo, rispetto ad
esempio al cielo più scuro di Pomieri, il fotomoltiplicatore ha comunque lavorato in condizioni
lontane dalla saturazione.
In una prima serie di osservazioni all’interno del collimatore di UVScope abbiamo aggiunto una
maschera con un foro di diametro noto (φ = 7.9 mm) direttamente sopra il fotocatodo del Pmt in
modo tale da vincolare a questo valore il diametro sensibile del fotocatodo, così da rendere possibile
il calcolo del fattore geometrico G f del collimatore con la maschera. Dal confronto di queste misure
con quelle fatte con il fotocatodo libero si può risalire al vero fattore geometrico G f del collimatore
di UVScope.
Utilizzando solo la testa (Pmt+collimatore con maschera) di UVScope abbiamo anche effettuato
una serie di misure a due diverse tensioni HV di lavoro (1200 e 1500 Volt) per confrontare
direttamente e con osservazioni del cielo i Front-End relativi ai canali a conteggio e ad integrazione
di UVScope e di BaBy e di confrontare i risultati ottenuti con quelli di Laboratorio (vedi paragrafo
3).
In Fig. 19 sono riportati in tabella i risultati delle misure e le informazioni essenziali relative a
quelle misure. Come già detto, il cielo, almeno diciamo dopo la mezzanotte, si è mantenuto
abbastanza stabile ma lo abbiamo comunque monitorato con un terzo strumento HAM (un Photon
Counting Detector dell’Hamamatsu) in modo da correggere i valori trovati in UVScope e BaBy per
le variazioni del cielo.
I valori rinormalizzati delle osservazioni, al valore del cielo misurato con HAM alle ore 23 e 54,
sono riportati ed evidenziati nell’ultima colonna di Fig. 19, dove sono anche riportati ed evidenziati
i valori dei conteggi osservati dal rivelatore HAM.
8. Risultati delle osservazioni del cielo notturno di Palermo
8.1 Calcolo dei fattori geometrici G f dei collimatori di UVScope e di BaBy
Siamo in grado adesso di calcolare i fattori geometrici G f di entrambi i collimatori, ed in particolare
del collimatore di UVScope, utilizzando i risultati delle osservazioni del cielo relativi alla prima
serie di misure riportate nella tabella di Fig. 19.
Utilizzando le formule riportate in Fig. 18 abbiamo calcolato i G f del collimatore di UVScope e di
BaBy e i risultati sono riportati in Fig. 20.
Il rapporto tra il rate medio dei conteggi misurati in UVScope quando il fotocatodo è oscurato dalla
maschera rispetto a quello relativo al fotocatodo libero è uguale al rapporto tra il G f del collimatore
con la maschera rispetto a quello relativo al collimatore nudo.
Il fattore geometrico del collimatore di UVScope con la maschera, calcolato analiticamente, è
risultato essere uguale a G f =0.4804 mm 2. sr. Da questo, utilizzando il rapporto dei rate di conteggi
misurati con e senza maschera, ricaviamo un fattore geometrico per il collimatore nudo di UVScope
13

di G f =0.5842 mm 2. sr. Abbiamo quindi calcolato analiticamente per quale diametro effettivo del
fotocatodo si ottenga questo valore di G f e abbiamo trovato un diametro efficace di 8.92 mm che è
perfettamente compatibile con quanto dichiarato dalla casa costruttrice.
Dunque assumiamo questo valore di G f come fattore geometrico del collimatore di UVScope.
Abbiamo infine calcolato il fattore geometrico dei collimatori di BaBy, che è risultato essere uguale
a G f =0.4078 mm 2. sr.
Questo ci dà un rapporto tra i G f di UVScope e BaBy pari a 1.433.
Dunque il collimatore di UVScope è, per così dire, più “luminoso” del 43.3% rispetto a quello di
BaBy e questo è sicuramente una differenza non trascurabile.
8.2 Confronto tra la sensibilità di UVScope e quella di BaBy e relazione tra
le misure del cielo e quelle ottenute in Laboratorio
Le osservazioni del cielo notturno di Palermo ci hanno anche permesso di valutare la differenza tra
l’elettronica di Front-End di UVScope rispetto a quella di BaBy ed di confrontare i risultati di tali
misure con quelle ottenute con le stesse elettroniche in Laboratorio.
I risultati delle misure fatte alle tensioni HV applicate di 1200 e 1500 Volt (vedi ultima colonna di
Fig. 19) sono riportati in grafico in Fig. 21, dove sono anche riportate le curve del rate di conteggi
led-dark in funzione delle tensioni HV applicate ottenute in precedenza in Laboratorio (vedi primo
grafico di Fig. 7). Tutti i valori sono stati ovviamente normalizzati al valore misurato a 1500 Volt.
Come si vede chiaramente il valore misurato a 1200 Volt con l’elettronica a conteggio di BaBy
(rappresentato nel grafico con il quadrato in basso a sinistra) si trova esattamente su una delle curve
del rate misurato in Laboratorio con la stessa elettronica. Tale valore, che è quindi in accordo con
quanto già trovato, è più basso rispetto al valore saturato di circa il 16%.
Le misure effettuate con l’elettronica di UVScope hanno dato sia a 1200 che a 1500 Volt, entro
qualche per cento, un valore uguale al valore di saturazione sia con la catena a conteggio che con
quella ad integrazione (quadrati e triangoli in alto) e anch’essi sono perfettamente in accordo con le
misure di Laboratorio.
E, come era da aspettarsi, anche il valore della misura ottenuta con il canale ad integrazione di
BaBy a 1200 Volt (triangolo più in alto a sinistra) è uguale al valore ottenuto con UVScope, cioè al
valore di saturazione. In questa misura và richiamata l’attenzione e ricordato che essa è stata
effettuata utilizzando la testa di UVScope e che, per la trasformazione del valore di integrazione in
rate di conteggi, si è usato come valore di quello del fototubo di UVScope a 1200 Volt così
come è stato determinato in Laboratorio e al Mont Cenis.
Solo la misura effettuata (per scrupolo) con l’elettronica a conteggio di BaBy a 1500 Volt ha dato
un risultato leggermente in disaccordo con la misura di Laboratorio, il che può essere imputato,
vista l’ora tarda dell’osservazione (l’ultima della serata), ad un nostro errore di misura.
L’informazione importante comunque acquisita dall’osservazione del cielo di Palermo è che, come
già trovato in Laboratorio, alla tensione operativa di 1200 Volt il valore della misura del cielo
effettuata con l’elettronica di BaBy a conteggio è sottostimata di un 16% rispetto al valore “vero” e
che quindi anche i valori dei conteggi (così come, attraverso i , i valori dei conteggi derivati dai
canali di integrazione) ottenuti dall’osservazione del cielo notturno di Pomieri sono sottostimati del
16%.
Conclusione
Se si riprendono i valori delle misure di Pomieri, per esempio quelli dell’osservazione fatta nella
banda del filtro BG1, è si rinormalizza il valore della misura di UVScope al valore che avrebbe se
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osservasse il cielo con un fattore geometrico come quello dei collimatori di BaBy (cioè diminuendo
del 43.3% il valore misurato) e viceversa rinormalizzando i valori dei conteggi misurati da BaBy al
valore di saturazione (cioè aumentandoli del 16%), si trova che entro l’errore stimato anche il valore
misurato da UVScope è in accordo con i valori misurati dagli otto canali di BaBy, come si vede nel
grafico di Fig. 22.
Il fattore 2 trovato nelle misure non rinormalizzate tra UVScope e BaBy nell’osservazione del cielo
di Pomieri è quindi perfettamente spiegato.
Così come un problema alle soglie potrebbe essere la spiegazione del valore leggermente più basso
misurato dal primo canale a conteggio di BaBy rispetto agli altri (anche se con l’errore è dentro la
media di BaBy), il valore leggermente più alto di UVScope (anche se con l’errore anch’esso è
dentro la media di BaBy) può essere imputato all’efficienza quantica del Pmt che non è conosciuta;
Un valore di QE più alto solo del 10% rispetto alla media delle QE dei Pmt di BaBy porta la misura
di UVScope perfettamente in linea con quella della media di BaBy (nel grafico, il punto più a
destra).
Vogliamo inoltre sottolineare che, come già detto in precedenza (paragrafo 5), da un punto di vista
pratico per l’analisi dei dati di BaBy si può fare riferimento alle colonne evidenziate in Fig. 22,
dove sono riportati i rapporti tra i conteggi dei canali di BaBy rispetto alla media dei conteggi di
BaBy e i relativi errori associati. I conteggi per i canali ad integrazione sono stati ricavati con i
nuovi rinormalizzati ed il nuovo valore medio (la media sui canali ad integrazione) della carica
anodica del Pmt equivalente per BaBy medio è: = 0.176 pC/ph.
Infine, vogliamo concludere questa relazione sintetizzando tutto il lavoro fatto nelle seguenti
affermazioni:
• BaBy è uno strumento con una buona sensibilità che ha misurato il fondo UV
notturno, sia in osservazioni fatte a terra che dall’alto in palloni stratosferici,
fornendo risultati coerenti e di buona attendibilità. Alla luce di quanto visto, i valori
misurati vanno però tutti corretti in eccesso di un fattore percentuale pari al 15%. I
valori così corretti sono, entro un errore stimato non superiore al 15-20%, i “veri”
valori osservati.
• UVScope è uno strumento ancora più raffinato ed è più sensibile rispetto a BaBy. I
valori di conteggio misurati a 1000-1200 Volt sono già praticamente uguali a quelli
ottenuti alla tensione di saturazione e quindi uguali ai valori “veri”. UVScope è
inoltre uno strumento compatto (il che minimizza il rumore elettronico dovuto a fonti
di disturbo esterne) e abbastanza versatile. Come degno successore di BaBy,
UVScope è senza dubbio uno strumento che fornisce risultati di alta attendibilità e, se
si conoscono alcuni parametri come per esempio l’efficienza quantica del Pmt, con
piccoli errori.
• L’errore di misura associato ai valori osservati sia con BaBy che con UVScope può
essere notevolmente ridotto, diciamo sotto il 10%, se si misurano con più
accuratezza le efficienze quantiche dei Pmt e soprattutto se si misurano
sperimentalmente i fattori geometrici dei collimatori utilizzati nei due strumenti (per
esempio per confronto con un collimatore tarato). In tal caso BaBy e ancor più
UVScope sarebbero strumenti di alta affidabilità e precisione.
15

Appendice
Per determinare la sensibilità dei Front-End elettronici di UVScope e di BaBy, si sono effettuate
misure utilizzando come rivelatore di luce il Pmt Hamamatsu mod. 3878, integrato nella testa di
UVScope, illuminato opportunamente da una sorgente luminosa a Led UV.
Inizialmente vengono effettuate due misure “campione” della carica anodica del Pmt mediante
strumentazione standard. La prima misurando direttamente la carica con lo strumento Digital
Current Integrator 439 Ortec, la seconda mediante una catena a Multicanale.
Le successive misure consistono nel rilevare la carica integrata nei due Front-End per confrontarli
con le misure campione.
Componenti, schemi e strumenti utilizzati per le misure in Laboratorio.
- Pmt Hamamatsu mod. 3878 serial number JA0730,
- Led UV del tipo Toyoda Gosei E1S19-OPOA7B (λ 374 nm ÷ 401 nm, Pot. Ottica 2.5 mW ÷ 4.1
mW, 110°)
- schema di alimentazione del Led UV, Fig. A
- Schema Gated Integrator di entrambi i Front-End, Fig. B
- Schema UVScope Counter, Fig. C
- Schema BaBy Counter, Fig. D
- Pulse Generator HP 8110A
- Counter HP 53131
- Digital Current Integrator Ortec 439
- Charge Integrator Amptek A250
- Shaping Amplifier Ortec 570
- Multicanale Amptek mod. MCA 8000°
- Photon Counting Hamamatsu model H7155
Disposizione fisica del Pmt e del Led e tipo di emissione UV generata:
Implementazione della tecnica del Single Photon Counting.
Al fine di poter calcolare la carica anodica media, il Pmt deve operare, quanto più possibile, in
Single Photon Counting.
Il Led è impulsato dal Pulse Generator HP 8110A attraverso il circuito di Fig. A (vedi più sotto).
Gli impulsi anodici amplificati sono contati dal Counter HP 53131. L’impulso idoneo a pilotare il
Led per emettere in media un fotone, è risultato di circa 7 V per 3 nsec. Posizionando il Led in asse
e a pochi centimetri dal fotocatodo del Pmt e impulsandolo a 100 Khz e a 1 MHz, la frequenza degli
impulsi anodici misurati è risultata essere inferiore al 10% della frequenza del Led. In queste
condizioni però è ancora rilevante la probabilità che ad ogni evento arrivino contemporaneamente
più di 1 fotone. Allontanando il Led di circa 1 metro mantenendolo in asse al Pmt, la probabilità di
rilevare ad ogni evento un solo fotone al fotocatodo diventa quasi uno (a meno di 1/100 o anche
meno) che è la specifica per il Pmt di lavorare in regime di Single Electron Response. Si è misurato
in queste condizioni che per 1 milione di impulsi di eccitazione del Led, circa ventimila fotoni sono
convertiti dal fotocatodo.
Tale set-up sperimentale (disposizione e modalità di emissione UV) è restato inalterato per tutte le
sessioni di misura ed è indicata come modalità “led”. Le misure effettuate con il Led spento e il
fototubo in oscurità sono indicate come modalità “dark”.
16

Misure della carica anodica mediante lo strumento Digital Current Integrator, Ortec
439.
In questa misura campione, l’uscita anodica del pmt è inviata direttamente all’ingresso del Digital
Current Integrator per misurare la carica totale integrata in 1 secondo.
Impostando l’alta tensione del Pmt da 800 V a 1500 V, a passi di 100 V, si ottiene un set di misure.
Il primo set di misure viene eseguito in modalità dark, il secondo in modalità led.
Misure di Integrazione mediante la catena multicanale standard.
In questa misura campione, l’uscita anodica del Pmt è direttamente inviata ad una catena standard
così composta:
Charge Integrator Amptek A250, 10 usec decay time e con un uscita calibrata di un 1 Volt/pC.
Ortec Shaping Amplifier mod. 570, impostato con uno shaping time di 500 nsec e guadano G=1.
Multicanale Amptek mod. MCA 8000A
Le misure vengono eseguite impostando per tutti gli spettri un tempo netto di accumulo di 100 sec
“Live” (cioè corretto per il tempo morto) per ogni valore di alta tensione del Pmt, da 800 V a
1500 V a passi di 100 V.
Per ricavare la carica effettiva raccolta e quindi la carica anodica media dai conteggi, vengono
condotti due set di misure, la prima in modalità dark e la seconda in modalità led. La carica anodica
media effettiva si trova sottraendo la carica ottenuta in modalità dark da quella ottenuta in modalità
led.
Misure di Integrazione mediante il Front-End di UVScope.
Il segnale anodico è inviato al Gated Integrator di UVScope rappresentato in Fig. B. A secondo
della capacità d’integrazione selezionata, il Gated Integrator può convertire rispettivamente la carica
di 1 pC in una tensione di 10 mV (C=100 pF) o in ∼1 mV (C=1100 pF).
Le misure vengono eseguite impostando la capacità a 1100 pF e un tempo di integrazione di 500
msec per ogni valore di alta tensione del Pmt, da 800 V a 1200 V a passi di 100 V. Da 1300 V a
1500 V i tempi di integrazione si impostano rispettivamente a 400 msec, 300 msec e 200 msec, per
non far saturare il circuito di integrazione.
Il primo set di misure viene eseguito in modalità dark, il secondo in modalità led.
La carica integrata viene campionata a 10 Mhz dall’UVScope Sampler che congela i campioni in
memoria per la successiva analisi.
Misure di conteggio con UVScope.
Il circuito di conteggio di UVScope è rappresentato in Fig. C. Il segnale anodico è amplificato 10
volte da un amplificatore con banda passante di 1 Ghz e discriminato da un comparatore (AD8611)
con 50 mV di overdrive a 100 Mhz. L’uscita bufferata del comparatore viene inviata al contatore
HP mod. 53131A.
Le misure sia in modalità dark che in modalità led, vengono eseguite impostando un tempo di
integrazione di 500 msec per ogni valore di alta tensione del Pmt, da 800 V a 1500 V a passi di
100V.
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Misure di conteggio con BaBy.
La misura consiste nel ripetere le sequenze suddette utilizzando la testa di UVScope e lo stesso
fotodiodo impiegato per le misure di UVScope ma applicati al Front-End di BaBy.
Il circuito di conteggio di BaBy è rappresentata in Fig. D
Le misure sia in modalità dark che in modalità led, vengono eseguite impostando un tempo di
integrazione di 1sec per ogni valore di alta tensione del Pmt, da 800 V a 1500 V a passi di 100V.
Figure.
Fig. A. Circuito di alimentazione del fotodiodo.
Fig.B. Circuito di Integrazione di UVScope.
Fig. C. Circuito di conteggio di UVScope.
Fig. D. Circuito di conteggio di BaBy.
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