Το Τηλεσκόπιο Κοσμικών Ακτίνων του Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου (ΕΑΠ) αποτελείται από τρεις αυτόνομους σταθμούς που λειτουργούν στην πανεπιστημιούπολη του ΕΑΠ στη Πάτρα. Κάθε σταθμός περιλαμβάνει τρεις ανιχνευτές σωματιδίων και μια κεραία RF, τα οποία ανιχνεύουν εκτεταμένους ατμοσφαιρικούς καταιονισμούς, με κατώφλι ενέργειας 20-30 TeV. Η γεωμετρική διάταξη των ανιχνευτών σωματιδίων κάθε σταθμού ακολουθεί το σχέδιο του έργου HELYCON (HΕllenic LΥceum Cosmic Observatories Network), το οποίο στοχεύει στην ανάπτυξη ανιχνευτών κοσμικών ακτίνων για εκπαιδευτικούς σκοπούς, στις στέγες σχολικών κτιρίων στη Δυτική Ελλάδα.
Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι να διερευνήσει τη δυνατότητα χρήσης του τηλεσκοπίου του ΕΑΠ, σε εκπαιδευτικό πρόγραμμα για μαθητές Λυκείου το οποίο βασίζεται στην απομακρυσμένη λειτουργία ενός σταθμού HELYCON. Η προτεινόμενη μεθοδολογία στοχεύει στη συμμετοχή μαθητών της μέσης εκπαίδευσης στις πειραματικές διαδικασίες σύγχρονων πειραμάτων υψηλής ενέργειας. Με την ολοκλήρωση ενός τέτοιου εκπαιδευτικού προγράμματος, οι μαθητές θα έχουν το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο και τις πειραματικές ικανότητες για να λειτουργούν από απόσταση το σταθμό του Τηλεσκοπίου και να μελετούν τα κύρια χαρακτηριστικά των εκτεταμένων ατμοσφαιρικών καταιονισμών.
Το πρώτο κεφάλαιο της διατριβής είναι αφιερωμένο στη φυσική των κοσμικών ακτίνων. Μετά από μια σύντομη ιστορική αναδρομή της έρευνας επί των κοσμικών ακτίνων, παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά των κοσμικών ακτίνων. Αυτά περιλαμβάνουν την προέλευση και τη σύνθεση των κοσμικών ακτίνων, τους προτεινόμενους μηχανισμούς επιτάχυνσης καθώς και το ενεργειακό τους φάσμα. Το υπόλοιπο κεφάλαιο επικεντρώνεται στις αλληλεπιδράσεις των πρωτογενών σωματιδίων στην κορυφή της ατμόσφαιρας, οι οποίες δημιουργούν εκτεταμένους ατμοσφαιρικούς καταιονισμούς, και στις τεχνικές ανίχνευσης που χρησιμοποιούνται σε διάφορα πειράματα που κατασκευάστηκαν (και τα περισσότερα από αυτά εξακολουθούν να λειτουργούν) για τη μελέτη κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας.
Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει την αρχιτεκτονική του σταθμού HELYCON και την αρχή λειτουργίας του. Παρουσιάζονται τα κύρια συστατικά μέρη ενός ανιχνευτή (δηλ. το υλικό σπινθηρισμού και ο φωτοπολλαπλασιαστής) εστιάζοντας στα κύρια χαρακτηριστικά και στις λειτουργικές παραμέτρους που χρησιμοποιούνται στο σύστημα λήψης δεδομένων.
Το τρίτο κεφάλαιο περιέχει έναν οδηγό χρήσης για τον μαθητή, ώστε να λειτουργήσει απομακρυσμένα τον σταθμό C του τηλεσκοπίου, ο οποίος διατίθεται για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Παρέχονται λεπτομερείς οδηγίες για τη σύνδεση με τον τοπικό υπολογιστή του σταθμού, καθώς και για τις απαραίτητες ρυθμίσεις σε διάφορες εφαρμογές για να ξεκινήσει κάποιος την λήψη και την καταγραφή δεδομένων. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στη διδακτική προσέγγιση για την διδασκαλία της διαδικασίας ανακατασκευής. Βοηθητικό λογισμικό που περιλαμβάνει βιβλία εργασίας excel, και εργαλεία 3D γραφικών και animation αναπτύχθηκαν για την εφαρμογή της μεθόδου τριγωνισμού στον αλγόριθμο ανακατασκευής της διεύθυνσης του καταιονισμού .
Το τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο περιγράφει την εφαρμογή του εκπαιδευτικού προγράμματος σε διαδοχικές φάσεις. Σε κάθε φάση παρουσιάζεται εκπαιδευτικό υλικό για τους μαθητές καθώς και ερωτηματολόγια που βοηθούν τους εκπαιδευτικούς να αποκρυσταλλώσουν την απόκτηση γνώσεων από τους μαθητές. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στο πειραματικό μέρος όπου οι μαθητές λειτουργούν το τηλεσκόπιο, λαμβάνουν μετρήσεις, αναλύουν τα δεδομένα και τελικά αντλούν τα συμπεράσματά τους.
The Hellenic Open University (HOU) Cosmic Ray Telescope consists of three autonomous sta-tions deployed at the university campus in the city of Patras. Each station comprises three particle detectors and an RF antenna detecting extensive air showers with an energy threshold of 20-30 TeV. The geometrical layout of the particle detectors of each station follow the design of the HELYCON (Hellenic Lyceum Cosmic Observatories Network) project that aims for the development of educational cosmic rays detectors at the roofs of high school buildings in western Greece.
The subject of this thesis is to explore the possibility of utilizing the HOU telescope in an educational program for Lyceum students based on the remote operation of a HELYCON station. The proposed methodology aims to engage high schools students in the experimental proce-dures of modern high-energy experiments. Upon the completion of such an educational pro-gram, the students will have the necessary theoretical background and the experimental skills to operate by distance the Telescope’s station and to study the main characteristics of Extensive Air Showers.
The first chapter of the thesis is dedicated to the physics of Cosmic Rays. After a short review of the history of Cosmic Ray Research, the main characteristics of cosmic rays are presented. These include the origin and the composition of cosmic rays, the proposed acceleration mechanisms as well as their energy spectrum. The rest of the chapter focuses on the interactions of the primary particles at the top of the atmosphere, which create extensive air-showers, and the detection techniques that are used in several experiments that were constructed (and most of them still in operation) for the study of high energy cosmic rays.
The second chapter describes the architecture of the HELYCON station and its principle of operation. The main detector components (i.e. the scintillator material and the photomultiplier tubes) are presented focusing on the main characteristics and the operational parameters that are used in the Data Acquisition System.
The third chapter contains the student guide for the remote operation of the telescope’s station C, that is available for educational purposes. Detailed instructions are provided for estab-lishing the connection to the station's local computer, as well as for the necessary settings in various applications in order to start the acquisition and the recording of data. Special care is given to the didactic approach of teaching the reconstruction procedure. Auxiliary software, including excel workbooks and 3D graphics tools with animation, were developed for the application of the triangulation method in the directional reconstruction algorithm.
The fourth and final chapter describes the implementation of the educational program in subsequent phases. In each phase, educational material for the students as well as questionnaires that help teachers to crystallize the acquisition of knowledge by students are presented. Special care is given to the experimental part where students operate the telescope, take measurements, analyze the data and finally draw their conclusions.
Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Περιγραφή: 112901_ΠΑΠΑΔΑΤΟΣ_ΓΙΓΑΝΤΕΣ_ΑΓΗΣΙΛΑΟΣ.pdf (pdf) Book Reader
Περιγραφή: 112901_ΠΑΠΑΔΑΤΟΣ_ΓΙΓΑΝΤΕΣ_ΑΓΗΣΙΛΑΟΣ.zip (zip)