ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 411-413
УДК 539.1.07
КООРДИНАТНО-ТРЕКОВАЯ УСТАНОВКА НА ДРЕЙФОВЫХ КАМЕРАХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
© 2015 г. Е. А. Задеба1, Н. В. Ампилогов1, Н. С. Барбашина1, А. Г. Богданов1, А. А. Борисов1, 2, Н. С. Волков1, В. С. Воробьев1, Л. И. Душкин1, М. А. Иващенко1, А. С. Кожин1, 2, Р. П. Кокоулин1, К. Г. Компанией1, В. В. Овчинников1, А. А. Петрухин1, В. А. Селяков1, Р. М. Фахрутдинов1, 2, С. С. Хохлов1, Д. В. Чернов1, В. В. Шутенко1, И. И. Яшин1
E-mail: EAZadeba@mephi.ru
В НИЯУ МИФИ ведется разработка крупномасштабного координатно-трекового детектора для регистрации окологоризонтального потока мюонов космических лучей сверхвысоких энергий. Основа установки — дрейфовые камеры нейтринного детектора ускорителя У-70 ИФВЭ, которые имеют большую эффективную площадь (1.85 м2), хорошее координатное и угловое разрешение при относительно малом количестве измерительных каналов.
DOI: 10.7868/S036767651503045X
ВВЕДЕНИЕ
Проект направлен на решение проблемы избытка групп мюонов, величина которого растет с увеличением энергии первичных космических лучей, что может быть вызвано как космофизи-ческими, так и ядерно-физическими причинами. Единственной характеристикой, которая по-разному реагирует на изменение состава космических лучей и на включение новых физических процессов, но которая до настоящего времени практически не исследовалась, является энергия мюонной компоненты ШАЛ. Такие исследования могут быть проведены на экспериментальном комплексе НЕВОД-ДЕКОР [1, 2]; однако координатный детектор ДЕКОР не перекрывает всю апертуру черенковского водного детектора и не исключает возможность прохождения части мюонов между отдельными модулями детектора, а размер его ячеек ограничивает возможность разделения двух и более частиц на малых расстояниях (менее 3 см). Новая трековая установка позволит полностью перекрыть боковую апертуру черенковского водного детектора НЕВОД и существенно (в 10 раз) улучшить разрешение близких треков.
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение Государственный научный центр Российской федерации Институт физики высоких энергий, Протвино.
1. ДРЕЙФОВАЯ КАМЕРА
Дрейфовая камера ИФВЭ разрабатывалась специально для нейтринного эксперимента [3]. Камера содержит четыре сигнальные проволоки, попеременно смещенных в направлении дрейфа на ±0.75 мм относительно центра камеры. В перпендикулярном направлении расстояние между сигнальными проволоками равно 10 мм. Газовое усиление достигается за счет разницы потенциалов в 2.2 кВ между сигнальными и десятью катодными нитями, расположенными симметрично на расстоянии 3 мм от центра камеры. Для устранения краевых эффектов введены две охранные проволоки. Однородное электрическое поле создается полеформирующими проволоками с шагом 5 мм, потенциал на которых меняется линейно от 0 до 12 кВ. Максимальное время дрейфа электронов составляет 6 мкс. Благодаря хорошей однородности поля, скорость дрейфа электронов можно считать постоянной и пользоваться линейным соотношением время дрейфа/координата, что существенно упрощает работу с камерой. Координатное разрешение камеры составляет 1 мм, угловое разрешение 30 мрад, соседние треки могут быть разделены на расстоянии до 3 мм. Разрешение право-левой неопределенности корректно в 98% событий. Габаритные размеры камеры 4000 х 508 х 112 мм. Активная поверхность 3.7 х 0.5 м2 составляет 91% общей поверхности. Вес камеры 25 кг, газовый объем около 210 л. В камере используется газовая смесь, состоящая из 94% Аг и 6% СО2. Импульсы тока с сигнальных проволок через конденсаторы
412
ЗАДЕБА и др.
КТУДК
—
□ □ □ □
7850 мм
ь Дрейфовые "" камеры
Рис. 1. Расположение координатных плоскостей детектора КТУДК вокруг бассейна ЧВД.
Рис. 2. Внешний вид детектора ТРЕК (внешняя стена не показана).
поступают на усилитель-формирователь УД-4, порог на усилителе составляет в среднем 0.8 мкА.
2. КТУДК
Первая координатно-трековая установка на дрейфовых камерах (КТУДК) представляет собой две плоскости из восьми горизонтально расположенных дрейфовых камер и предназначена для регистрации окологоризонтального потока мюо-нов, идущих вдоль водного бассейна. Плоскости располагаются в противоположных коротких галереях здания ЧВД НЕВОД (рис. 1) на этаж выше супермодулей установки ДЕКОР.
Для устранения зазора между активными поверхностями камер, ограниченными торцевыми пробками из оргстекла (по 15 см), камеры будут установлены внахлест на 30—40 см, из-за этого они будут ориентированы под углом порядка 4° к плоскости стены. Активная площадь каждой плоскости порядка 14.7 м, а площадь двух супермодулей ДЕКОР, расположенных на этаж ниже, 17.5 м2, так что суммарная площадь координатных детекторов для регистрации частиц, проходящих вдоль бассейна, возрастет почти в 2 раза. Совместная работа КТУДК и ДЕКОР в 2 раза расширит диапазон зенитных углов, под которыми регистрируются мюоны. Одна из наиболее важных задач установки — отработка совместной работы дрейфовых камер и триггерной системы ЭК НЕВОД, включающая в себя определение оптимальных временных параметров всех систем, а также восстановление треков одновременно по данным ЧВД, ДЕКОР и КТУДК.
3. ТРЕК
Детектор ТРЕК представляет собой крупномасштабную координатно-трековую установку из двух координатных плоскостей по 132 дрейфовых камер, установленных на внешней стене здания ЭК НЕВОД (рис. 2), в котором расположен че-ренковский водный детектор. Плоскости отличаются ориентацией камер: в одной они располагаются вертикально, в другой — горизонтально. Между плоскостями предусмотрены проходы с навесными полами, позволяющими осуществлять монтаж и обслуживание камер. Детектор будет расположен в защитном боксе, оборудованном отдельным входом и системой термостабилизации.
Для устранения зазора между активными объемами камер они устанавливаются, как и в КТУДК, внахлест под углом к плоскости. Эффективная площадь детектора составит ~270 м2.
Системы высоковольтного и низковольтного питания, а также считывающая электроника будут располагаться внутри корпуса НЕВОД. В штатном режиме потребление газовой смеси составит 150 литров в час.
4. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА С ТРИГГЕРНОЙ СИСТЕМОЙ ЭК НЕВОД
Для определения координат трека в дрейфовой камере требуется знать время прохождения частицы через нее. Обычно эту метку получают с помощью сцинтилляционных детекторов, обладающих высоким быстродействием. В случае с детектором ТРЕК такую метку можно получить от триггерной системы ЭК НЕВОД. Триггерная система ЭК работает одновременно с сигналами ЧВД, ДЕКОР и системы калибровочных телеско-
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3 2015
КООРДИНАТНО-ТРЕКОВАЯ УСТАНОВКА НА ДРЕЙФОВЫХ КАМЕРАХ
413
пов (СКТ). При выполнении любого триггерного условия (настраиваются отдельно для каждой установки) система останавливает электронику всех детекторов и начинает их опрос. Система настроена так, что задержка выработки общесистемного сигнала остановки относительно момента прохождения частицы через детекторы ЭК не зависит от типа триггерного условия и составляет порядка 225 нс: 100 нс уходит на задержки в кабеле и джиттеры электроники, еще 125 нс — на срабатывание триггерной системы.
Постоянные временные характеристики делают общесистемный триггер прекрасной временной меткой для детектора на дрейфовых камерах, поскольку в современных ВЦП окно регистрируемых сигналов может быть сдвинуто как угодно по отношению к времени поступления в преобразователь триггерного сигнала. С дрейфовых камер сигнал с задержкой, определяемой длиной кабеля, передается на время-цифровой преобразователь, который запускается общесистемным сигналом остановки от ТС НЕВОД, после чего определяется время поступления сигналов на каждый канал, а по истечении 8 мкс (максимальное время дрейфа электронов составляет 6 мкс) оцифрованные значения этих промежутков времени передаются по шине УМЕ на ЦВМ. При этом, поскольку данные ЧВД и ТРЕК сохраняются отдельно, необходимо проводить последующую сшивку данных по временным меткам, ста-
вящим события в этих детекторах в соответствие друг другу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В НОЦ НЕВОД НИЯУ МИФИ разрабатывается крупномасштабный координатно-трековый детектор ТРЕК из дрейфовых камер, использовавшихся ранее на нейтринном канале ускорителя У-70. Детектор будет функционировать совместно с другими системами экспериментального комплекса (ЧВД, СКТ, ДЕКОР) и предназначен для регистрации окологоризонтального потока мюо-нов, генерируемых первичными КЛ сверхвысоких энергий. При использовании 264 камер активная площадь составит около 270 м2.
Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России: государственное задание и проект RFMEFI59114X0002, гранта Ведущей научной школы НШ-4930.2014.2 и гранта РФФИ № 13-02-12207-офи-м-2013.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Petrukhin A.A. et al. // Nucl. Instrum. Methods. Phys. A.
2012. V 692. P. 228.
2. Saavedra O. et al. // J. Phys.: Conf. Ser. 2013. V. 409.
ID.012009.
3. Bozhko N.I. et al. // Nucl. Instrum. Methods. Phys.
Res. A. 1986. V. 243. P. 388.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3 2015
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.