ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 28-39
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 539.123
СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО
ТЕЛЕСКОПА НТ1000
© 2014 г. А. В. Аврорин, А. Д. Аврорин, В. М. Айнутдинов, R. Bannasch*, И. A. Белолаптиков**, Д. Ю. Богородский***, В. Б. Бруданин**, Н. M. Буднев***, А. Р. Гафаров***, O. Н. Гапоненко, К. В. Голубков, Т. И. Гресс***, И. A. Данильченко, Ж.-А. М. Джилкибаев, Г. В. Домогацкий,
A. А. Дорошенко, А. Н. Дьячок***, В. А. Жуков*, А. В. Загородников***, В. Л. Зурбанов***, К. Г. Кебкал*, О. Г. Кебкал*, К. В. Конищев**, Е. Н. Константинов***, А. В. Коробченко***,
A. П. ^шечкин, Ф. К. Кошель, В. А. Кожин****, В. Ф. ^лепов*****, Д. А. Кулешов,
B. И. Ляшук, А. И. Лоленко***, M. Б. Mиленин*****, Р. Р. Mиргазов***, E. A. Oсипова****,
A. И. Панфилов, Л. В. Паньков***, А. А. Перевалов***, E. Н. Плисковский**, В. А. Полещук***, M. И. Розанов******, В. Ю. Рубцов***, Е. В. Рябов***, А. В. Скурихин****, А. А. Смагина**, О. В. Суворова, Б. A. Taращанский***, С. В. Фиалковский*****, Z. Hons**, Б. А. Шайбонов**, А. А. Шейфлер, С. А. Яковлев*
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а E-mail: den_kuleshov481@mail.ru *EvoLogics GmbH Deutschland, D-13355, Berlin, Ackerstrasse, 76 **Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 ***Иркутский государственный университет Россия, 664003, Иркутск, ул. Карла Маркса, 1 ****НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Россия, 119992, Москва, Воробьевы горы, 1, стр. 2 *****Нижегородский государственный технический университет Россия, 603950, Н. Новгород, ул. Минина, 24 ******Санкт-Петербургский государственный морской технический университет Россия, 190008, С.-Петербург, ул. Лоцманская, 3 Поступила в редакцию 08.08.2013 г.
В апреле 2013 года в оз. Байкал была установлена и включена в режиме постоянной экспозиции первая очередь экспериментального кластера глубоководного нейтринного телескопа НТ1000, состоящая из трех гирлянд, оснащенных 24 оптическими модулями каждая. В статье описана система регистрации и сбора данных созданной установки.
DOI: 10.7868/S0032816214030045
ВВЕДЕНИЕ
Крупномасштабные глубоководные/подледные черенковские детекторы элементарных частиц — нейтринные телескопы, создаваемые в первую очередь для решения задач астрофизики и космологии, являются также мощным инструментом исследования проблем, возникших на современном этапе развития физики элементарных частиц. Нейтринные телескопы позволяют исследовать свойства нейтрино в экспериментах по регистрации атмосферных нейтрино и нейтрино от ускорителей, осуществлять поиск частиц тем-
ной материи, исследовать потоки нейтрино астрофизической природы.
В настоящее время в оз. Байкал на основе опыта многолетней эксплуатации детектора НТ200 [1—3] создается нейтринный телескоп нового поколения НТ1000 с эффективным объемом порядка кубического километра [4—7]. Телескоп НТ1000 будет иметь модульную структуру, формируемую из функционально законченных установок — кластеров вертикальных гирлянд оптических модулей. Модульная структура телескопа позволяет вести набор экспериментальных данных уже на
ранних этапах развертывания установки, дает возможность практически неограниченного увеличения его объема, а также позволяет при изменении научных приоритетов адаптировать его конфигурацию к изменившимся требованиям.
Основными регистрирующими элементами НТ1000 являются фотоэлектронные умножители (ф.э.у.) с полусферическими фотокатодами Я7081ИрЕ с 0250 мм. Ф.э.у. с управляющей электроникой размещаются в глубоководных стеклянных корпусах, образуя оптические модули. Оптические модули монтируются на вертикальных грузонесущих кабельных линиях, формируя гирлянды. Выбор такого подхода к организации системы регистрации НТ1000 обусловлен методикой развертывания установки со льда, разработанной для детектора НТ200 и прошедшей многолетние испытания.
Гирлянды объединяются в кластеры. Каждый кластер НТ1000 является функционально законченным детектором, способным работать как в составе единой установки, так и в автономном режиме. Это обеспечивает естественное наращивание установки и возможность ввода в эксплуатацию ее отдельных частей по мере развертывания НТ1000. Базовый вариант конфигурации кластера, который стал основой для дальнейших экспериментальных и расчетных работ в рамках подготовки научно-технического проекта НТ1000, представлен на рис. 1. Данная конфигурация включает в свой состав восемь гирлянд по 24 оптических модуля, расположенных на расстоянии 60 м друг от друга.
Ниже описаны основные элементы системы сбора данных развернутой в 2013 году первой очереди демонстрационного кластера НТ1000, отвечающие за регистрацию излучения, формирование триггера, управление работой аппаратуры, контроль, мониторинг и калибровку детектора.
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ КЛАСТЕР НТ1000
Начиная с 2009 г. работы по созданию НТ1000 находятся на стадии комплексных испытаний его элементов и функциональных систем в составе автономных модулей, функционирующих в натурных условиях [8—13]. Первый этап реализации программы комплексных испытаний в течение 2010— 2012 гг. был нацелен на изучение характеристик элементов регистрирующей системы НТ1000 — оптических модулей, спектрометрических каналов, триггерной системы, узлов электропитания, калибровочной системы и ряда других в режиме долговременной эксплуатации. Для решения задач первого этапа в 2011 г. на оз. Байкал был развернут автономный модуль из трех гирлянд, каждая из которых содержала по 8 оптических модулей на основе ф.э.у. трех типов с полусферическими фотокатодами - Я8055, Я7081ИрЕ и ХР1807.
Подповерхностный буй
Коммутационный
модуль
гирлянды
Центр секции
оптических
модулей
Оптический модуль
Донный якорь
Рис. 1. Базовая конфигурация кластера НТ1000.
Исследования, выполненные в течение 2011 г., позволили определить основной набор комплектующих элементов гирлянды телескопа НТ1000. В частности, в качестве светочувствительного элемента оптического модуля был выбран ф.э.у. Я7081ИрЕ фирмы Иашаша18и. В 2012 г. на оз. Байкал был установлен полномасштабный рабочий вариант гирлянды НТ1000 с 24 оптическими модулями на основе ф.э.у. Я7081ИРЕ, а весной 2013 года были развернуты еще две аналогичные гирлянды. Таким образом, в настоящее время на оз. Байкал смонтированы и введены в эксплуатацию 3 полномасштабные гирлянды НТ1000 с 72 оптическими модулями (рис. 2).
Основной структурной единицей системы сбора данных НТ1000 является секция оптических модулей. Секция представляет собой функционально законченный узел детектора, включающий в себя системы регистрации излучения, обработки сигналов, калибровки, формирования триггера и передачи данных. Организация системы сбора данных секции позволяет формировать различные конфигурации оптических модулей. Возможна установка оптических модулей на различных расстояниях друг от друга индивидуально
Центр кластера
_I
®1 о-о-о-о-
цм ■
о о-
о-о о-1 0| о-о-
о-<>
и
о-о о о-о-1
й
On
о о-о-
о-
ЦМ
I
I f
§
ск
Е
эг
ЦМ
о-
о
<>
о-о
ги is
-
On
о-о о о-о
■
о-о-
о-о
1
rift if
Рис. 2. Три гирлянды НТ1000, развернутые в оз. Байкал в 2013 г. ЦМ — центральный модуль секции; КоМ— коммутационный модуль гирлянды; АМ — акустический модем системы позиционирования.
или попарно. На одной гирлянде можно разместить несколько секций в различных конфигурациях.
Базовая конфигурация секции, являющаяся в настоящее время основой для создания установки (см. рис. 2), включает в свой состав 12 оптических модулей, расположенных на расстоянии 15 м вдоль гирлянды и центрального модуля секции (ЦМ). Аналоговые сигналы с оптических модулей передаются в центральный модуль по коаксиальным кабелям одинаковой длины (90 м). Каждая гирлянда включает в свой состав две секции оптических модулей и 4 акустических модема (АМ) гидроакустической системы позиционирования [14]. Каналы синхронизации, электропитания и передачи данных секций каждой гирлянды объединяются в коммутационном модуле гирлянды (КоМ), расположенном в верхней части гирлянды и связанном кабельной линией длиной ~1200 м с центральным блоком управления кластера.
Основой регистрирующей системы телескопа НТ1000 являются оптические модули, оснащенные ф.э.у. R7081HQE с полусферическими фотокатодами 025 см с квантовой эффективностью более 30%. Ф.э.у. регистрируют черенковское излучение, генерируемое в воде заряженными релятивистскими частицами — мюонами либо электро-магнитными/адронными ливнями. На основании информации, полученной от группы оптических модулей, зарегистрировавших излучение, можно восстановить тип, направление движения и энергию частицы. Функциональная схема оптического модуля представлена на рис. 3, а его внешний вид — на рис. 4.
Формируемые в ф.э.у. под воздействием черен-ковского излучения аналоговые сигналы, пройдя через двухканальный предусилитель и специализированный глубоководный кабель длиной 90 м, попадают в центр секции на плату аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для оцифровки и обработки. Блок высокого напряжения (Traco Power SHV 12-2.0 K 1000 P) обеспечивает питание делителя ф.э.у. (18 МОм) в диапазоне от 0 до 2.2 кВ. Используется напряжение положительной полярности.
Коэффициент усиления ф.э.у. устанавливается на уровне 107 при напряжении питания делителя в диапазоне 1250—1650 В. С учетом предусилите-ля (коэффициент усиления по амплитуде Кус ~ 14) общее усиление спектрометрического канала оптического модуля составляет ~108 при длительности выходного сигнала 20 нс и амплитуде одно-электронного сигнала ~30 мВ. В таком режиме работы диапазон линейности измерительного канала достигает ~100 фотоэлектронов (ф.э.). Второй выход усилителя используется для мониторинга темпа счета одноэлектронных сигналов ф.э.у. (Кус ~ 21).
В оптическом модуле также предусмотрены два синих светодиода для временной и амплитудной калибровки измерительного канала. Длина волны на максимуме излучения светодио
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.