ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 458-460
УДК 524.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТКЛИКА ЧЕРЕНКОВСКОГО ВОДНОГО ДЕТЕКТОРА НЕВОД ОТ ПРОЗРАЧНОСТИ ВОДЫ
© 2015 г. В. В. Киндин, Н. С. Барбашина, А. Г. Богданов, В. Д. Бурцев, Е. А. Задеба, Е. А. Ковыляева, Р. П. Кокоулин, К. Г. Компаниец, В. С. Кругликова, В. В. Овчинников, А. А. Петрухин, В. А. Хомяков, С. С. Хохлов, В. В. Шутенко, И. И. Яшин
Федеральное государственное автономное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва. Е-таП:УУШп^п@терЫ.гы
Приведены результаты исследований амплитудного отклика фотоумножителей и оценки вероятности корректного определения направления движения частицы квазисферическими модулями в зависимости от прозрачности воды и порогов регистрации. События выделяются сцинтилляционны-ми счетчиками системы калибровочных телескопов (СКТ) и супермодулями координатно-треково-го детектора ДЕКОР. При анализе использованы данные экспериментальных наборов, полученные до и после запуска новой системы водоподготовки.
БО1: 10.7868/$036767651503028Х
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшей характеристикой любого черен-ковского водного детектора (ЧВД) являются оптические свойства воды, влияющие на светосбор и эффективность регистрации черенковского излучения. ЧВД НЕВОД [1], расположенный на поверхности Земли, наполнен обыкновенной водопроводной водой, для очистки которой использовались механические фильтры, задерживающие частицы с размерами более 1 мкм. Для регистрации частиц с любого направления создана детектирующая система в виде пространственной решетки квазисферических модулей (КСМ), которые состоят из шести ФЭУ, ориентированных вдоль осей ортогональной системы координат. Такая конструкция позволяет регистрировать черенковское излучение с любого направления практически с одинаковой эффективностью. В КСМ используются фотоумножители с плоским фотокатодом диаметром 15 см.
Идеология таких квазисферических модулей впервые была предложена в 1979 г. [2]. Эта идея была реализована на базе выпускавшихся в то время фотоумножителей ФЭУ-49Б, которые имеют большой уровень шумовых импульсов в области одноэлектронных сигналов. Для их подавления использовались двухкратные совпадения сигналов любой смежной пары ФЭУ модуля, что, естественно, ухудшало его квазисферические свойства. В 2010—2011 годах была проведена модернизация ЧВД НЕВОД, в результате которой была разработана новая регистрирующая электроника, а фотоумножители ФЭУ-49Б были заменены на более чувствительные и малошумящие
ФЭУ-200, что позволило отказаться от условия обязательного совпадения сигналов фотоумножителей. Новая система водоподготовки (СВ) создана на базе двух установок обратного осмоса ZauberROS-4W и ZauberROS-6M, и обеспечивает состав воды, близкий к дистилляту. Основная установка Zauber ROS-4W имеет производительность 3.0—5.0 м3 • ч-1 и предназначена для деминерализации воды рабочего объема ЧВД. Вторая установка ZauberROS-6M производительностью 1.0-1.3 м3 • ч-1 предназначена для компенсации сброса "грязной" воды в основном цикле очистки. В течение нескольких месяцев в результате работы СВ вода в детекторе была очищена до параметров дистиллята с электропроводностью 4 мкСм /см.
Для исследования отклика обновленных КСМ и оценки влияния на него степени очистки воды использовались околовертикальные и окологоризонтальные мюоны, которые выделялись системой калибровочных телескопов (СКТ) и коор-динатно-трековым детектором ДЕКОР [3] с малой пространственной и угловой погрешностью: ±20 см и 2° для СКТ и 1 см и 1° для ДЕКОР. Актуальность таких исследований обусловлена широким применением крупномасштабных черенков-ских водных детекторов (БНТ-200+, ANTARES, IceCube) для исследований в области нейтринной астрофизики. Оптические модули этих детекторов состоят из 1-3 ФЭУ, направленных в нижнюю полусферу. Такие конструкции обладают рядом недостатков, поэтому новое поколение детектирующих систем создается на основе квазисферических мо-
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТКЛИКА ЧЕРЕНКОВСКОГО ВОДНОГО ДЕТЕКТОРА 459
дулей с изотропной чувствительностью, состоящих из большого числа (6—32) фотоумножителей, просматривающих область полного телесного угла [4].
1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКЛИКА ФЭУ В ЧВД НЕВОД
При развертывании детектирующей системы ЧВД НЕВОД расстояния между КСМ в пространственной решетке (2.5 х 2 х 2 м) были выбраны, исходя из оптических свойств воды, использовавшейся в то время. Запуск новой СВ позволил значительно улучшить прозрачность воды, что привело к повышению амплитуд отклика фотоумножителей. Для исследования зависимости отклика от параметров воды использовались одиночные мюоны, которые выделялись супермодулями ДЕКОР и телескопами СКТ. Анализировалась зависимость амплитуды отклика фотоумножителей, для которых косинус угла падения черенковского света на фотокатод больше 0.5, от расстояния до трека в диапазоне 0—8 м с порогом регистрации 0.25 фотоэлектрона (ф. э.). В процессе очистки электропроводность воды изменилась с 386 до 4 мкСм • см-1. Была получена зависимость усредненного амплитудного отклика фотоумножителей от расстояния до трека мюона для двух значений электропроводности. Прозрачность характеризовалась расстоянием, на котором средний отклик ФЭУ с эффективным диаметром 15 см уменьшается до 1 ф. э. Для воды с электропроводностью 386 мкСм • см-1 прозрачность составила 2.9 ± 0.1 м, для дистиллята с электропроводностью 4 мкСм • см-1 — 7.4 ± 0.1 м.
С улучшением прозрачности воды увеличилось и количество срабатывающих КСМ. На рис. 1 показаны распределения количества сработавших КСМ при регистрации мюонов, выделенных вертикальными телескопами СКТ, для разной степени очистки воды при электропроводности 386 мкСм • см-1 и 4 мкСм • см-1 с порогом регистрации 0.25 ф. э. (кривые 1 и 2). Возрастание количества сработавших модулей при регистрации одиночных мюонов позволило увеличить порог регистрации сигналов до 2.5 ф. э., что существенно уменьшило их количество (кривая 3).
При регистрации одиночных мюонов в КСМ могут срабатывать не только фотоумножители, находящиеся в зоне прямого черенковского излучения, но и фотоумножители от непрямого че-ренковского света вторичных частиц, главным образом 8-электронов, а также от рассеяния света в воде и от случайных шумовых импульсов ФЭУ. С увеличением порога регистрации вероятность таких срабатываний должна уменьшаться. Как видно из рис. 1, количество модулей для воды с электропроводностью 4 мкСм • см-1 при увеличе-
Количество КСМ
Рис. 1. Распределения событий по количеству сработавших КСМ: 1 и 2 - водопроводная вода с электропроводностью 386 мкСм • см-1 и очищенная (4 мкСм • см-1) при пороге регистрации 0.25 ф. э.; 3 - порог регистрации 2.5 ф. э. при электропроводности 4 мкСм • см-1.
нии порога до 2.5 ф. э. уменьшилось на 42% и составляет в среднем 32 из 91 КСМ.
2. ВЕРОЯТНОСТЬ КОРРЕКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ТРЕКА ЧАСТИЦЫ
Для эффективного выделения редких событий из нижней полусферы необходимо подавить фон атмосферных мюонов на уровне 2 • 1010 [5, 6]. При регистрации черенковского излучения от вертикальных мюонов, выделенных телескопами СКТ, возможны три комбинации сработавших фотоумножителей КСМ: они показывают правильное направление движения частицы, противоположное (неверное) направление или не показывают направление прихода вообще, например при срабатывании только двух боковых ФЭУ в КСМ при регистрации черенковского света от вертикального мюона. Обозначим: N — полное количество сработавших КСМ в событии; M — указывают правильное направление; L — противоположное и K не указывают направление. Соответствующие им вероятности: p = M/N, q = L/N и r = K/N, где p + q + r = 1.
Вероятность реализации комбинации М, L, K для правильного направления описывается следующим выражением [7]:
Wr = N!p M qLrK IM!L!K!. (1)
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3
2015
460
КИНДИН и др.
N, 103 30
20 -
10 -
q = 0.01
CT = 0.03
(p) = 0.62 CT = 0.11
1.5
1.0
0.5
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Рис. 2. Распределение значений вероятностей p и q, полученных из экспериментальных данных при калибровке КСМ вертикальными мюонами, выделенными телескопами СКТ.
Вероятность реализации для КСМ комбинации, указывающей противоположное направление:
Wf = Х!рьдМгК /М.'Ь.'К!. (2)
Необходимый фактор подавления потока атмосферных мюонов должен удовлетворять следующему условию:
чА ^ т , п10
f = = (р/?)Л > 2 • 1010, (3)
где А = М — Ь определяет минимальную разность количества КСМ, указывающих правильное и неправильное направления, необходимую для получения требуемого фактора подавления. Оценки параметров р и q были получены на основе экспериментальных данных по результатам регистрации вертикальных мюонов, выделенных телескопами СКТ. При этом М определяет количество КСМ, у которых сработал ФЭУ № 6 (ориентированный вертикально вверх) и не сработал фотоумножитель № 5 (ориентированный вниз). Соответственно параметр Ь - количество КСМ со сработавшим ФЭУ № 5 при отсутствии сигнала от ФЭУ № 6. Остальные комбинации сработавших фотоумножителей в КСМ отнесены к группе К.
Распределения значений вероятностей р и q, полученные из экспериментальных данных для порога регистрации 2.5 ф. э. и электропроводно-
сти воды в 4 мкСм • см-1, показаны на рис. 2. Провал для параметра q определяется значением минимальной вероятности срабатывания КСМ с одним ФЭУ № 5 среди полного числа КСМ (91 шт.), которое соответствует 1/91 = 0.011, поэтому значений параметра q в интервале 0 < q < 0.011 быть не может.
Экспериментальные оценки для порога 2.5 ф. э. дали следующие результаты: p = 0.62, ap = 0.11 и q = 0.01 aq = 0.03 (с учетом того, что в 75% случаев величина q = 0). Таким образом, фактор режек-ции (p/q) для одного КСМ составляет около 60. Для подавления фона атмосферных мюонов (2 • 1010) необходима минимальная разница А в количестве сработавших КСМ, показывающих направление вверх и вниз, равная шести при пороге регистрации ФЭУ 2.5 ф. э. и электропроводности воды 4 мкСм • см-1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Модернизация системы в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.