научная статья по теме НОВЫЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ АДРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ШАЛ Физика

Текст научной статьи на тему «НОВЫЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ АДРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ШАЛ»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 5, с. 379-382

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ НОВЫЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ АДРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ШАЛ

© 2015 г. Д. М. Громушкин1)*, В. И. Волченко2), А. А. Петрухин1), Ю. В. Стенькин1),2), В. И. Степанов2), О. Б. Щеголев2), И. И. Яшин1)

Поступила в редакцию 29.06.2014 г.

Метод основан на регистрации тепловых нейтронов, сопровождающих широкие атмосферные ливни (ШАЛ), с помощью эн-детекторов, чувствительных к двум компонентам ШАЛ: электромагнитной (э) и адронной (нейтронной (н)). В отличие от адронных калориметров, используемых в некоторых установках, данный метод позволяет регистрировать адронную компоненту по всей площади установки. Экспериментально проверена работоспособность установки, состоящей из 32 эн-детекторов, в течение длительного времени, и получены параметры нейтронной компоненты ШАЛ.

001: 10.7868/Б004400271502018Х

1. ВВЕДЕНИЕ

Существующие на сегодняшний день методы исследования широких атмосферных ливней (ШАЛ) основаны на регистрации электромагнитной и мюонной компонент с использованием сцин-тилляционных, черенковских и флуоресцентных детекторов, а в некоторых случаях — на изучении адронов ШАЛ с помощью калориметров. Однако калориметры имеют весьма ограниченную площадь (как по техническим, так и по экономическим причинам). Предлагаемый метод позволяет измерять адронную компоненту по всей площади установки. При взаимодействии высокоэнергичных адронов ливня с ядрами атомов атмосферы и поверхности Земли образуется нейтронная компонента, которая несет важную информацию о степени развития ШАЛ. Помимо этого, несомненным преимуществом нейтронной компоненты является то, что, во-первых, временной профиль ШАЛ в тепловых нейтронах составляет порядка 10 мс (почти в 106 раз больше профиля в заряженных частицах вблизи ствола), что облегчает их подсчет, а во-вторых, количество вторичных нейтронов на уровне наблюдения много больше числа родительских адронов и заметно больше полного числа мюонов в ливне.

В ИЯИ РАН был предложен проект PRISMA (PRImary Spectrum Measurement Array), основанный на идее регистрации запаздывающих тепловых нейтронов, сопровождающих ШАЛ [1, 2], в котором в качестве регистрирующего элемента используются эн-детекторы, которые способны регистри-

1)Национальный исследовательский ядерный университет

"МИФИ", Россия.

2)Институт ядерных исследований РАН, Москва.

E-mail: DMGromushkin@mephi.ru

ровать сразу две компоненты ливней: электромагнитную при групповом прохождении заряженных частиц, в основном электронов (э), и адронную через тепловые нейтроны (н). В 2006 г. в рамках совместного проекта НИЯУ МИФИ и ИЯИ РАН началась разработка и создание прототипа такой установки для изучения адронной компоненты ШАЛ посредством регистрации тепловых нейтронов на поверхности Земли.

2. УСТАНОВКА

Установка состоит из 32 эн-детекторов (два кластера по 16 детекторов) и находится внутри экспериментального зала, расположенного на 4-м этаже здания ЭК НЕВОД в НИЯУ МИФИ [3, 4]. Конструкция детектора является стандартной для шаловских детекторов с той лишь разницей, что вместо обычного толстого пластического сцинтил-лятора используется специализированный тонкий сцинтиллятор. В основании светонепроницаемого корпуса (промышленной полиэтиленовой бочки объемом 200 л с высотой 570 мм и диаметром 740 мм) расположен неорганический сцинтиллятор ZnS(Ag) + 6LiF в виде тонкого слоя (^30 мг/см2), который просматривается одним фотоумножителем (ФЭУ-200) с диаметром фотокатода 15 см (рис. 1). Для улучшения светосбора используется светоотражающий конус из фольгированного вспененного полиэтилена толщиной 5 мм. В результате собирается ^100 фотоэлектронов от захвата одного нейтрона. Все импульсы интегрируются с постоянной времени 1 мкс и оцифровываются с помощью четырехканальных АЦП (Flash ADC ADLINK PCI-9810) с разрешением 10 бит, выполненных в виде PCI слота, вставляемого в промышленный компьютер. Полное время оцифровки составляет 20 мс после выработки триггерного

380

ГРОМУШКИН и др.

импульса (20000 точек с шагом 1 мкс). Первый импульс, образуемый ионизирующими частицами (в основном электронами), используется для измерения энерговыделения, а задержанные импульсы от захвата нейтронов, регистрируемые в течение 20 мс после срабатывания триггера, — для оценки количества нейтронов.

Схема установки показана на рис. 2. Неравномерное расположение детекторов обусловлено свободным пространством в экспериментальном комплексе, в котором работают и другие установки, в том числе черенковский водный детектор (в центре) [5]. Детекторы установки объединены в два кластера по 16 детекторов. Кластеры Р1 и Р2, не являясь идентичными по форме, имеют одинаковые независимые системы сбора данных и управляются разными компьютерами. Триггером первого уровня является совпадение срабатываний любых двух из 16 детекторов с порогом 5 частиц во временных воротах 1 мкс. Темп счета такого триггера равен ~1.5 с-1. По приходе этого триггера все АЦП запускаются на 20 мс и сигналы всех детекторов оцифровываются как по 12-му, так и по 7-му диноду ФЭУ (для расширения динамического диапазона измерений). Он-лайн программа анализирует данные и выдает триггер второго уровня в зависимости от типа события (физический триггер): М1 — в случае совпадений, как минимум, двух детекторов кластера с порогом ^5 частиц (М1Р), в первом временном бине, М2 — в случае суммарного энерговыделения более 50 частиц в кластере и М3 — если число зарегистрированных в кластере нейтронов превышает 4. Программа также определяет энерговыделение в каждом детекторе, число зарегистрированных в нем нейтронов и временное распределение этих нейтронов с шагом 100 мкс и записывает эту информацию на диск при наличии хотя бы одного триггера второго уровня (около 1100 событий в день или 0.013 с-1).

В случае регистрации достаточно мощного ливня, когда срабатывают все триггеры, полная осциллограмма всего события записывается на диск в дополнение к стандартной информации. Визуальный просмотр этих событий при обработке позволяет полностью избавиться от возможных электромагнитных помех, что особенно важно при регистрации редких мощных событий. Кроме того, программа определяет темп счета каждого детектора и накапливает спектры энерговыделений и спектры по числу зарегистрированных в них нейтронов. Для контроля уровня фона случайных совпадений в каждом кластере каждые 5 мин программой вырабатывается "случайный" программный триггер М0, по которому также производится запуск и опрос всех АЦП. С помощью этой процедуры было установлено, что фон случайных совпадений

Рис. 1. Конструкция эн-детектора: 1 — светозащитный корпус; 2 — крышка с подвеской; 3 — ФЭУ-200; 4 — сцинтиллятор ZnS(Ag) + 6LiF; 5 — светоотражающий конус.

Рис. 2. Схема расположения детекторов в установке. Детекторы № 1, 2, 4 и 5 пирамидальной формы, площадью 0.75 м2; остальные — цилиндрической формы, площадью 0.36 м2. Детекторы № 1 — 16 образуют кластер Р1, а детекторы № 17—32 — кластер Р2.

нейтронов составляет ^0.34 нейтрона/событие в каждом кластере.

Часы обоих кластеров синхронизованы, и данные объединяются офф-лайн при совпадении по времени с точностью ±10 мс. Поскольку темп счета событий типа ШАЛ (по всем триггерам) мал (0.013 с-1), то вероятность случайных совпадений в интервале 20 мс, которую можно оценить как 0.02 с х 0.013 с-1 = 0.00026, также мала. При объединении данных двух кластеров в одно событие накладываются дополнительные требования: исключение помех по форме импульса, кратность сработавших детекторов не менее четырех во всей установке, исключение случайных наложений разных ШАЛ в пределах 20 мс, разделение зарегистрированных нейтронов на три категории по времени прихода (менее 5 мс, от 5 до 15 мс и более

НОВЫЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ

381

{и) 103 102 101 100 10-

1§(е, частиц)

Рис. 3. Зависимость среднего числа зарегистрированных нейтронов от суммарного энерговыделения во всех детекторах (точки — эксперимент, прямая — фит).

15 мс). Это сделано для того, чтобы при дальнейшей обработке попытаться разделить локальные и атмосферные нейтроны [6].

3. ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Для проверки работоспособности предложенного метода регистрации нейтронной компоненты ШАЛ на поверхности Земли была построена зависимость среднего числа зарегистрированных нейтронов как функция суммарного энерговыделения электромагнитной компоненты во всех детекторах (рис. 3). Полученная зависимость имеет степенной вид с показателем 0.86. Она свидетельствует о корректности измерительной процедуры и позволяет использовать данные по нейтронной компоненте для оценки энергии ШАЛ. Среднее количество зарегистрированных нейтронов достигает 1000 на 32 детектора при энерговыделении ~106 частиц.

На следующем этапе обработки экспериментальных данных применялся традиционный анализ ШАЛ методом максимального правдоподобия с помощью НКГ-функции для электромагнитной компоненты. Определялось положение оси ШАЛ и его возраст, а затем мощность ливня (Же). Относительно найденной оси ливня определялось расстояние до каждого детектора и, с учетом зарегистрированных в нем нейтронов и электронов, строились функции пространственных распределений (ФПР) нейтронов и электронов. Полученная таким образом ФПР нейтронов представлена на рис. 4. Как видно из рисунка, данные хорошо фитируются двойной экспоненциальной функцией

^ (К) = А1 ехр(-К/п) + А 2 ехр(-Я/г2)

с параметрами экспонент г1 = 1.4 ± 0.1 ми г2 = = 8.2 ± 0.4 м. Параметры А1 и А2 зависят от мощности отбираемых событий. При этом первый параметр (г1) определяется, по-видимому, средним расстоянием вторичных нейтронов относительно родительского адрона. Второй параметр (г2), возможно, представляет собой характерное расстояние родительских адронов относительно оси ливня или влияние перекрытия над установкой.

Временное распределение (с шагом 0.1 мс) регистрируемых тепловых нейтронов, т.е. их задержек относительно момента прихода ШАЛ, показано на рис. 5. Здесь также данные хорошо фитиру-ются двойной экспоненциальной функцией

п(Т) = А1 ехр(-Т/*1) + А2 ехр(-Т/*2) + Щ.

Эта функция очень близка к измеренной нами на предыдущих прот

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.

Показать целиком