ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 427-429
УДК 524.1
МЮОННЫЙ ДЕТЕКТОР ПРОЕКТА ТУНКА-ffiSCORE
© 2015 г. И. И. Яшин1, Н. С. Барбашина1, А. Г. Богданов1, Н. М. Буднев2, А. Киавасса3, В. В. Киндин1, Р. П. Кокоулин1, К. Г. Компанией1, Л. А. Кузьмичев4, А. А. Петрухин1
E-mail: IIYashin@mephi.ru
В рамках проекта создания широкоугольного гамма-телескопа Тунка-HiSCORE для улучшения ре-жекции фоновых ШАЛ от протонов и ядер предлагается использовать мюонные детекторы. Приведено обоснование необходимой площади мюонного детектора, глубины слоя грунта для эффективного подавления электронно-фотонной компоненты ШАЛ. Рассматриваются результаты тестирования мюонного детектора ИФВЭ со светосбором на основе спектросмещающих файберов.
DOI: 10.7868/S0367676515030448
ВВЕДЕНИЕ
Обсерватория Тунка-И18СОЯБ [1] представляет собой массив широкоугольных (~0.6 ср) че-ренковских оптических станций, расположенных на площади 3 км2, и нацелена на решение ряда фундаментальных задач гамма-астрономии в диапазоне энергий 20—1000 ТэВ, а также физики космических лучей высоких энергий и физики взаимодействий частиц с энергиями от сотен ТэВ до сотен ПэВ. В области энергий выше 100 ТэВ достаточно эффективным методом выделения ШАЛ от гамма-квантов на фоне ШАЛ от адронной компоненты космических лучей является использование мюонных детекторов большой площади. Возможность отделять ШАЛ от гамма-квантов основывается на том, что число мюонов в ШАЛ от протонов и ядер в среднем в десятки раз превышает число мюонов в ШАЛ, инициированных гамма-квантами.
1. МЮОНЫ В ГАММА- И ПРОТОННЫХ ШАЛ
Чтобы сформулировать основные требования, предъявляемые к мюонным детекторам установки Тунка-И18СОЯБ, были проведены предварительные расчеты с помощью программы СОЯ81КА, версия 6.990 (модели взаимодействия БЬиКА
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва.
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет.
3 Отделение физики Туринского университета, Италия.
4 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына.
2011.2 + SIBYLL 2.1; для электромагнитных взаимодействий EGS4). Использовалась модель стандартной U.S.- атмосферы, магнитное поле Земли не учитывалось, пороговые энергии вторичных частиц составляли для адронов и мюонов — 100 МэВ, для электронов — 2 МэВ, для гамма-квантов — 1 МэВ, уровень наблюдения — 150 м над уровнем моря. Моделировались ШАЛ от первичных протонов и гамма-квантов космических лучей с фиксированными энергиями E0 = 1013 эВ, 3 • 1013 эВ, 1014 эВ, зенитные углы составляли 9 = 0°, 20° и 40°. Моделировалось по 200 ливней для каждого набора параметров.
На рис. 1 слева приведены смоделированные распределения по числу мюонов в ливнях от первичных протонов и гамма-квантов с энергиями E0= = 3 • 1013 эВ (зенитные углы 9 = 0° и 40°), из которых видно, что ШАЛ от протонов и гамма-квантов уверенно разделяются. Число мюонов при этой энергии составляет в среднем сотни частиц, поэтому для организации многократных совпадений площадь мюонного детектора должна составлять по меньшей мере 0.2—0.3% от площади всей установки.
Анализ смоделированных средних ФПР мюо-нов и электронов в ливнях, инициированных первичными протонами и гамма-квантами, показал, что плотность мюонов значительно медленнее меняется с расстоянием от оси ШАЛ по сравнению с плотностью электронов.
Оценка толщины грунта (SiO2, плотность — 1.5 г • см-3, рад. ед. — 27 г • см-2, Z/A — 0.5), необходимой для экранировки мюонных детекторов, проводилась с помощью пакета программ Geant4 (версия 4.9.5.p01). На рис. 1 справа приведена зависимость числа частиц (мюонов, гамма-квантов, электронов) в составе ШАЛ от первичного протона с энергией E0 = 1013 эВ, дающих энерговыделение более 2 или 5 МэВ в пластическом сцин-
428
N событий 200
150
100
50
ЯШИН и др.
N частиц
102 -
101 ,
100 =
10
— 1 11 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
0 100 200 300 400 500 600 700 800
N
0 50 100 150 200 250 300 350 400
SiO2, г ■ см-2
13
Рис.1. Слева: распределение ШАЛ с первичной энергией Е0 = 3 • 10 эВ от протонов (1) и гамма-квантов (2) по числу мюонов для зенитных углов 0 = 0° (штриховые линии) и 0 = 40° (сплошные) на уровне наблюдения; справа: зависимость числа мюонов, гамма-квантов и электронов в составе ШАЛ от протонов с энергией Е = 1013 эВ, дающих энерговыделение >2 и >5 МэВ (сплошные и штриховые линии соответственно) в пластическом сцинтилляторе толщиной 3 см, от глубины расположения сцинтиллятора в грунте.
тилляторе толщиной 3 см, от толщины слоя грунта. Выбор порогового энерговыделения определялся необходимостью получения оценок для "тонкого" (1 см) и "толстого"сцинтиллятора (3 см). Из рисунка видно, что значительный вклад в отклик детектора дают каскады, образованные в грунте вторичными гамма-квантами ШАЛ, что, по-видимому, обусловлено высокоэнергичным "хвостом" их энергетического спектра. Обращает на себя внимание рост вклада гамма-квантов на небольших глубинах. Чтобы подавить фон от таких гамма-квантов на порядок по сравнению с сигналом от мюонов, необходимо экранировать мюонные детекторы слоем грунта толщиной 5—10 рад. ед. (1—2 м насыпного грунта).
2. МЮОННЫЙ ДЕТЕКТОР УСТАНОВКИ ТУНКА-И18СОКЕ
Из полученных модельных оценок следует, что в случае, если площадь гамма-телескопа Тунка-И18СОЯЕ будет иметь 1 км2, суммарная площадь мюонного детектора должна составлять около 2000 м2. Мюонный детектор предлагается в виде регулярной решетки мюонных станций (не менее 10 м2 каждая), расположенных на площади квадрата размером 1 км2. Счетчики станции должны быть зарыты на глубину не менее 1.5 м и иметь хорошо различимый мюонный пик, набираемый в режиме самозапуска. Также необходимо минимизировать электронику в самом счетчике. Оптимальным было бы наличие только делителя, а вся РгоМЕпё-электроника (мультиплексор, триггер
первого уровня, АЦП, slow control, HV, контроллер) — снаружи. Обмен данными с локальной станцией осуществляется по оптоволокну. Питание детектора — по отдельному кабелю LV. Для создания мюонной станции должны использоваться дешевые детекторы частиц большой площади. В качестве одного из возможных вариантов может быть кластер из 10 счетчиков ШАЛ, разработанных в ГНЦ ИФВЭ (г. Протвино) [2].
Счетчик представляет собой шестислойную сборку сцинтилляционных пластин с общей площадью 1 м2 и суммарной толщиной 3 см. Каждый слой собран из пластин 20 х 20 х 0.5 см (см. левую часть рис. 2). Светосбор осуществляется с помощью спектросмещающих волокон-файберов. В каждой пластине имеются четыре канавки с шагом 3.6 см глубиной 2.2 мм на расстоянии 4.6 см от краев. Пластины собраны таким образом, чтобы канавки одной были продолжением другой. В эти канавки вклеены файберы диаметром 1 мм. Концы файберов собраны в жгут, проклеены и отполированы. Торец жгута закреплен напротив фотокатода ФЭУ. Счетчик является компактным, легким и удобным для эксплуатации. Такие счетчики серийно производятся в ГНЦ ИФВЭ.
На рис. 2 (справа) приведено распределение амплитуд сигналов-откликов сцинтилляционно-го детектора, полученное в режиме самозапуска (синхронизация АЦП осуществляется по переднему фронту при превышении уровня 10 мВ). Распределение имеет форму с хорошо различимым пиковым значением, которое соответствует наиболее вероятному световыходу в сцинтилля-
МЮОННЫИ ДЕТЕКТОР ПРОЕКТА ТУНКА-HiSCORE
429
Число событий 80
60
40
20
10
20
30 40
Заряд, пКл
Рис. 2. Слева: схема сцинтилляционного детектора; отдельно приведена фотография одной стандартной пластины толщиной 5 мм. Справа: распределение амплитуд откликов сцинтилляционного детектора, полученное в режиме самозапуска (иНу = 2000 В).
торе при регистрации одиночной заряженной частицы ("мюонный пик").
Изучение однородности светосбора по площади сцинтиллятора осуществлялось с помощью супермодуля (СМ) координатно-трекового годо-скопа УРАГАН [3]. Супермодуль представляет собой восьмислойную сборку камер газоразрядных трубок, работающих в режиме ограниченного стримера с внешним стриповым двухкоординатным считыванием информации. Супермодуль обладает чувствительной площадью 11.5 м2 и позволяет в режиме реального времени регистрировать мюо-ны со всех направлений небесной полусферы в пределах апертуры до 70° с пространственной погрешностью около 1 см и угловой — менее 1°. Триггером событий в СМ является срабатывание не менее четырех слоев в пределах временных ворот 300 нс. Тестируемый сцинтилляционный детектор располагался над верхним слоем СМ и экспонировался в потоке мюонов с известными треками, зенитный угол которых не превышал 15°. Запуск системы регистрации сцинтилляци-онного детектора осуществлялся по триггеру СМ. Анализ распределения амплитуд в зависимости от точки прохождения мюонов через сцинтиллятор ("мюонограмма") показал неравномерность отклика 5 = (а/А)100% « 16%. Более подробно процедура тестирования и анализ результатов описаны в [4]. Анализ задержек сигналов в зависимости от точки прохождения мюонов через детектор выявил систематическую задержку около 5 нс в слу-
чае прохождения мюона через дальнюю по отношению к ФЭУ зону сцинтиллятора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для надежного разделения ШАЛ от адронов и гамма-квантов необходимо создать массив мюо-оных детекторов с общей площадью не менее 0.2— 0.3% от площади установки Тунка-И18СОЯБ. Для подавления фона от вторичных компонент детекторы должны располагаться под слоем грунта не менее 5—10 рад. ед. насыпного грунта или эквивалента.
Один из возможных вариантов конструкции сцинтилляционного детектора — детектор ИФВЭ (толщина сцинтиллятора 3 см) на основе свето-сбора с помощью спектросмещающих файберов.
Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД при финансо
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.