ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 94-99
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА, ИЗЛУЧАЕМОГО В ВОДЕ ПУЧКОМ ПРОТОНОВ
С ЭНЕРГИЕЙ 200 МэВ
© 2004 г. |В. И. Албул*, В. Б. Бычков*, С. С. Васильев*, К. Е. Гусев, В. С. Демидов, Е. В. Демидова, Н. К. Краснов*, А. Ф. Курчанов*, В. Е. Лукьяшин, В. И. Ляшук, Е. Г. Новиков, А. А. Ростовцев, А. Ю. Соколов
ГНЦ РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики" Россия, 117259, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 *ГНЦ РФ "ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений" Россия, 141570, п/о Менделеево Солнечногорского р-на Московской области Поступила в редакцию 05.01.2004 г.
Измерена зависимость акустического сигнала, создаваемого в воде пучком протонов с энергией 200 МэВ и интенсивностью ~6 ■ 1010 протонов/цикл, от температуры в области максимальной плотности воды. Измерения проводились на ускорителе ИТЭФ. Результаты измерений подтверждают гипотезу о тепловом механизме излучения ультразвука пучками ионизирующих частиц. Имеются указания о возможном вкладе других механизмов.
Эффект излучения акустических сигналов при прохождении ионизирующих частиц через вещество в течение многих лет привлекает физиков как метод регистрации космических частиц высоких и ультравысоких энергий. Заманчивой представляется идея использования для этой цели естественных водных бассейнов (озер, морей и океанов) в качестве среды, в которой часть энергии космических частиц превращается в ультразвуковое излучение, и современных гидрофонов в качестве регистраторов этого излучения [1-3]. Однако несмотря на ряд преимуществ по сравнению с традиционным сцинтилляционным методом гидроакустика не находит пока широкого практического применения. Первые эксперименты по поискам гидроакустических сигналов, сопровождающих широкие атмосферные ливни, проводятся в настоящее время на озере Байкал [4, 5]. Одновременно изучается возможность использования акустического метода регистрации космических нейтрино высокой энергии в Средиземноморском бассейне (эксперименты ANTARES, NEMO и NESTOR) и в толще антарктического льда (AMANDA, ICECUBE).
При планировании экспериментов с гидроакустической методикой регистрации космических частиц, а также при интерпретации их результатов важно знать свойства акустического излучения, создаваемого в среде ионизирующими частицами (а.и.и.ч.). Существуют теоретические модели [6, 7] для описания процессов излучения звуковых волн одиночными космическими частицами с энергией >1017 эВ, которые создают в сре-
де электромагнитно-адронные каскадные ливни с большим числом ионизирующих вторичных частиц. К сожалению, из-за отсутствия ускорителей, позволяющих получать частицы таких энергий, прямая экспериментальная проверка моделей не может быть проведена. В лабораторных условиях энерговыделения такого порядка достигаются при использовании пучков частиц, ускоренных до энергий ~108 эВ, с высокой интенсивностью (до 1011 частиц в сбросе). В результате теоретических и экспериментальных исследований такие свойства а.и.и.ч., как пропорциональность между интенсивностью пучка протонов и откликом акустических измерителей, зависимость между диаметром пучка и длительностью сигнала-отклика [8, 9] и др. в настоящее время можно считать хорошо установленными.
Что касается температурной зависимости интенсивности а.и.и.ч., то данные различных исследований не согласуются друг с другом. Согласно терморадиационной модели пучок энергичных ионизирующих частиц, попадая в однородную безграничную равновесную жидкость, практически мгновенно создает в ограниченной области пространства зону разогрева. Поскольку жидкость обладает способностью изменять объем при нагревании, в зоне разогрева создается область быстрого изменения давления, порождающая в среде акустические процессы. Объем разогретой жидкости превращается в излучающую акустическую антенну. Как показывают теоретические расчеты, в дальней зоне наблюдения, где расстояние от пучка до гидрофона гораздо боль-
[10]
£ак = Kß2 E0,
га
С
св Ч се ¡А
§ 0
се
и
^
н н ч к
£ <
-1
П 1 1 1 1 1 1 1 1 > t11 V
- ^Л t02 1 1 1 1 t12 1 1 iV 1
0.2
PQ
гч л , 0.1 к,
се Ч се К
0 §
се
и
^
н и
-0.1g
£ <
100
t, мкс
200
-0.2
Рис 1. Схема расположения гидрофонов Г и Г2 в водной мишени. Тм1, Тм2 - термометры.
ше диаметра пучка, акустический импульс проявляется в форме биполярной волны [7, 10]. Энергия Еак акустических сигналов связана с энергией Е0, выделяемой пучком протонов, зависимостью
где в - коэффициент объемного расширения жидкости, К - размерный коэффициент, зависящий от скорости звука и теплоемкости жидкости, диаметра пучка частиц, длины пробега и расстояния до приемника.
Особенностью зависимости коэффициента в от температуры воды является изменение знака в
Рис. 2. Примерная форма сигналов, зарегистрированных в эксперименте с помощью гидрофонов Г и Г2 при температуре воды 6.25 ± 0.5°С.
при температуре T0 = 3.98°С. Таким образом, терморадиационная модель предсказывает исчезновение термоакустических сигналов при температуре T0 и изменение полярности сигналов при переходе через эту температуру. Эти предсказания являются одним из главных критериев проверки правильности терморадиационной модели. Из других моделей следует отметить микрострикцион-ное сжатие среды при воздействии ионизирующих частиц [11-13]. Эта модель не предсказывает сильной корреляции между акустическим сигналом и температурой.
Эксперименты, в основном, подтверждают предсказания терморадиационной модели [10]. Однако имеются данные, свидетельствующие и о возможном вкладе других механизмов излучения акустических сигналов. Так, в работе [14] получено, что на частотах >40 кГц амплитуда генерируемого пучком протонов акустического сигнала обращается в нуль при ~6°С, а в районе максимальной плотности (при 4°С) присутствует заметный импульс от пучка. Этот факт объясняют существованием дополнительного механизма генерации звука, возможно, микрострикционного [9, 13, 14].
Знание температурной зависимости генерации а.и.и.ч. требуется при выборе естественного бассейна и времени года для проведения экспериментов. Так, температура воды в Средиземном море (эксперимент ANTARES) составляет ~13°С на глубине 2400 м, а в эксперименте по исследованию широких атмосферных ливней на оз. Байкал -~0°С в зимний период под ледяным покровом и ~4°С на глубине 1000 м независимо от времени года.
Эксперимент по измерению температурной зависимости а.и.и.ч. в воде выполнен нами на внешнем пучке протонов ускорителя ИТЭФ [15], ана-
1
0
логичном тому, который использовался в работах [16, 17]. Пучок имел следующие параметры: энергия 200 МэВ, длительность импульса пучка 70 нс, пространственная форма пучка в поперечном направлении - гауссиан со средним квадратичным отклонением 0.86 см. Средний пробег протонов такой энергии в воде составляет 25.2 см. Интенсивность пучка поддерживалась постоянной ~6 ■ 1010 протонов в импульсе и контролировалась индукционным датчиком.
В качестве мишени, в которой происходило торможение пучка протонов, служила вода из артезианской скважины, заполняющая цилиндрический бак из полиэтилена 036 см, высотой 64 см и толщиной стенки 2 мм до уровня 46 см (рис. 1). Пучок протонов направлялся по диаметру цилиндра перпендикулярно его образующей на высоте 22.5 см. Измерения проводились с помощью двух гидрофонов Г1 и Г2, закрепленных в баке на высоте пучка (см. рис 1.). В качестве преобразователей в обоих гидрофонах используется пьезоэлектрическая керамика ЦТС-19 цилиндрической формы с тангенциальной поляризацией. Во избежание искажений сигналов за счет переходных емкостей предусилители монтировались в непосредственной близости от чувствительных элементов. Конструкция гидрофонов и их параметры существенно различались. Ниже представлены основные характеристики гидрофонов, существенные для данного эксперимента (гидрофон Г1 использовался в совместном эксперименте ИТЭФ и
Амплитуда сигнала на Г1, B 0.5 0 0.5 -1.0 -1.5 2.0
коллаборации "БАЙКАЛ" по регистрации широких атмосферных ливней).
50
б0
70
80
90
Амплитуда сигнала на Г2
0.15 0.10 0.05 0
0.05 -0.10 -0.15 0.20
70
80
90
100
t, мкс
110
120
Характеристики Г1 (Гб520С) Г2 (ГИ-14)
Диаметр пьезоэлемента, мм 20 4
Высота пьезоэлемента, мм 30 б
Рабочий диапазон частот, кГц 1б-б0 0.1-100
Неравномерность а.ч.х. <4 <5
в рабочем диапазоне, дБ
Собственные шумы предусили- <2 <3
теля, нВ/УГц *
Чувствительность керамики, 1500 400
мкВ/Па
Коэффициент усиления 200 250
предусилителя
Рис. 3. Форма сигналов, представленных на рис. 2, после вычитания наводки и сглаживания.
* Уровень сигнала в эксперименте превышал уровень собственных шумов гидрофонов на 12-15 дБ.
Температура воды в эксперименте изменялась от 0 до 10°С. Температура воды измерялась в верхней и нижней точках бака двумя термометрами (ртутным и спиртовым), показания которых усреднялись. Точность измерения температуры составила ± 0.5°С.
Считывание информации проводилось с помощью 2-лучевого осциллоскопа TEKTRONIX TDS 3032 с частотой оцифровки 10 МГц. Синхроимпульс на считывание подавался на синхронизующий вход осциллоскопа одновременно с приходом пучка на мишень. На два сигнальных входа подавались три сигнала: импульсы от гидрофонов и индукционного датчика И, измеряющего интенсивность пучка, в трех комбинациях Г1-И, Г2-И, Г1-Г2.
Было выполнено семь серий измерений, каждая при фиксированной температуре воды T1 = 1, T2 = 2, T3 = 4.25, T4 = 5.25, T5 = б.25, Тб = 7.25 и T7 = = 8.75°С. Bо всех сериях проведены измерения в трех указанных комбинациях, в каждой из которых получено по пять осциллограмм, фиксирующих отклики гидрофонов на прохождение пучка протонов в воде.
На рис. 2 показана типичная осциллограмма, полученная при температуре б.25°С. Развертка осциллоскопа 20 мкс/деление. Bремя прихода пучка обозначено символом S и стрелкой. Bерx-ний сигнал представляет отклик гидрофона Г1, нижний - гидрофона Г2. Различие сигналов по форме и амплитуде обусловлено различием размеров, чувствительности и частотных характеристик гидрофо
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.