ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 5, с. 93-97
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.4+539.1.075
ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ С ГИБРИДНЫМ ВАКУУМНЫМ ФОТОДЕТЕКТОРОМ КВАЗАР-370G В ЧЕРЕНКОВСКИХ ДЕТЕКТОРАХ ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ
© 2011 г. Р. В. Васильев*, Б. К. Лубсандоржиев*, **, Л. А. Кузьмичев***
*Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а **Kepler Centre for Astro and Particle Physics, University of Tübingen Auf der Morgenstelle 14, D-72076 Tübingen Germany ***НИИядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Россия, 119992, Москва, Ленинские горы, 1/2 Поступила в редакцию 18.02.2011 г.
Оценивается точность измерения времени в черенковских детекторах широких атмосферных ливней, основанных на гибридных вакуумных фотодетекторах KBA3AP-370G с полусферическим фотокатодом большой площади. Определена зависимость погрешности измерения времени от амплитуды выходных импульсов фотодетектора и уровня светового фона ночного неба.
Регистрация черенковского излучения широких атмосферных ливней (ш.а.л.) относится к самым информативным методам исследования первичного космического излучения. За последние 15—20 лет в физике космических лучей получили развитие широкоугольные черенковские детекторы ш.а.л., использующие фотодетекторы с большой чувствительной площадью. В качестве примера можно привести детекторы ТУНКА [1—3] у нас в стране в Тункинской долине в Бурятии и AIROBICC [4] на острове Ла Пальма в Испании. Большая чувствительная площадь фотодетекторов позволяет значительно понизить энергетический порог детекторов до уровня ~ 1014—1015 эВ. Это делает подобные детекторы прекрасным инструментом для исследования первичного космического излучения в области так называемого "излома" энергетического спектра при энергии ~3 • 1015 эВ. В настоящее время созданы или находятся в стадии проектирования и создания различные черенковские детекторы ш.а.л. на базе фотодетекторов большой чувствительной площади, например детекторы для совместной работы с глубоководным и подледным нейтринными телескопами [5, 6], а также установки с площадью 1 км2 (ТУНКА-133 [7, 8]) и энергетическим порогом ~1013 эВ (проект SCORE [9]).
В детекторе ТУНКА и в наледном черенков-ском детекторе ш.а.л. [5] в качестве регистрирующего элемента используются крупногабаритные фотодетекторы КВАЗАР-3700 [10, 11]. Этот фотодетектор является модификацией фотодетектора КВАЗАР-370 [12—14], разработанного для глу-
боководных нейтринных экспериментов на озере Байкал [15]. Фотодетектор КВАЗАР-370, схематично показанный на рис. 1, является гибридным вакуумным фотодетектором и состоит из электронно-оптического предусилителя света с полусферическим фотокатодом 037 см и фотоэлектронного умножителя (ф.э.у.) традиционного типа с фотокатодом 03 см. Образовавшиеся на фотокатоде предусилителя света фотоэлектроны, ускоренные разностью потенциалов ~25 кВ, ударяют в люминесцентный экран, образуя при этом световые вспышки, которые регистрируются ф.э.у. Люминесцентный экран представляет собой слой быстрого и эффективного сцинтиллятора толщиной ~6 мкм, покрытого тонкой алюминиевой пленкой толщиной 100—300 нм для подавления оптической обратной связи и увеличения свето-выхода экрана. Сцинтиллятор может быть использован в виде как порошкового люминофора, так и монокристалла. Такой подход позволяет достичь хороших временного (Д^т ~ 1.8 нс) и однофотоэлектронного амплитудного (^1фэ ~ 70%) разрешений [12—14]. Полуширина Д^^ — это полная ширина на половине высоты (п.ш.в.п.) распределения времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода, а ^1фэ — полуширина зарядового распределения од-нофотоэлектронных импульсов.
В отличие от базового фотодетектора, в КВАЗАР-3700 вместо люминесцентного экрана КС425-1 (У28Ю5:Се) используется экран с люминофором У28Ю5:Се + BaF2 [16]. Этот люминофор синтезирован специально для данной модифика-
370
Рис. 1. Фотодетектор КВАЭАР-3700.
ции фотодетектора КВАЭАР-3700. Небольшое (2—3% по весу) добавление BaF2 в люминофор У28Ю5:Се существенно улучшает радиационную и химическую стойкость люминесцентного экрана, а световыход и кинетика свечения экрана остаются практически на прежнем уровне.
В черенковских детекторах ш.а.л. фотодетекторы работают в условиях светового фона ночного неба, что приводит к среднему постоянному анодному току индивидуальных фотодетекторов ~30—40 мкА со значительными флуктуациями тока. Фотодетектор КВАЭАР-3700 оптимизирован для стабильной работы в таких условиях. Это достигается использованием не только более устойчивого к электронному облучению люминесцентного экрана, но и специализированного ф.э.у. с малым числом каскадов усиления в динодной системе и повышенным значением максимально допустимого постоянного анодного тока [17].
Исследования первичного космического излучения, проводимые в эксперименте ТУНКА в достаточно широком интервале энергий (1014—1016 эВ), требуют большого линейного диапазона измеряе-
мых амплитуд выходных сигналов индивидуальных оптических модулей детектора — от нескольких десятков фотоэлектронов (ф.э.) вплоть до 5 • 104 ф.э. Измерение времени регистрации ливня с помощью индивидуальных фотодетекторов используется для восстановления направления прихода ш.а.л. Погрешность измерений времени срабатывания фотодетекторов определяет один из ключевых параметров всего детектора в целом — его угловое разрешение. Временная отметка прихода ливня вырабатывается в электронной системе установки формирователем со следящим порогом, выполненным по традиционной схеме [18, 19].
Измерения погрешности временной привязки с использованием формирователя со следящим порогом (ФСП) из электронной системы детектора ТУНКА при регистрации световых импульсов наносекундной длительности фотодетектором КВАЭАР-3700 в условиях светового фона ночного неба проводились на стенде, функциональная схема которого представлена на рис. 2.
На фотокатод фотодетектора КВАЭАР-3700 с помощью пластикового оптоволоконного кабеля
Рис. 2. Функциональная схема стенда для измерения погрешности временной привязки. СД1? СД2 — светоизлучающие диоды; Ф — формирователь импульса запуска светодиода; ОК — пластиковый оптоволоконный кабель Siemence Cupof-lex; ДР — диффузный рассеиватель; ИС — источник света на основе радиоактивного источника 241Am и неорганического сцинтиллятора YAP; Г — генератор импульсов Г5-72; А — мультиметр В7-40/4; ИП— источник питания ТЕС-23; ОА — набор оптических аттенюаторов; ПУ — предусилитель импульсов; К — коаксиальный кабель РК50-2-11 длиной 120 м; У — усилитель импульсов; ФСП — формирователь со следящим порогом; Д1 и Д2 — интегральные дискриминаторы импульсов LeCroy 623; ВЦП — времяцифровой преобразователь БПТ-12А2; ЛЗ — кабельная линия задержки; ЗЦП — зарядово-цифровой преобразователь LeCroy 2249A; КК — крейт контроллер КК009; ПК — персональный компьютер IBM PC/AT-i486.
ОК (Siemence Cupoflex) 01 мм и диффузного рас-сеивателя света ДР подаются световые импульсы от светоизлучающего диода СД1 — светодиода NSPB310S фирмы Nichia Chemical Ltd. Формирователь импульсов запуска светодиода Ф шбран на лавинных транзисторах ZTX415 и запускается от генератора импульсов Г (Г5-72). Подробно формирователь описан в [20—22]. Длительность световых импульсов равна ~1.8 нс (п.ш.п.в.), а число фотонов в импульсе ~109. Световой фон ночного неба моделируется светодиодом СД2 того же типа, что и СДЬ но работающим в режиме постояного тока от источника питания ИП (ТЕС-23), и контролируется по постоянному анодному току фотодетектора. Для измерения зависимости времени срабатывания формирователя со следящим порогом ФСП от амплитуды сигнала световой импульс ослабляется с использованием набора оптических аттенюаторов ОА. Анодный сигнал фотодетектора, как и в самом детекторе ТУНКА, через предусилитель импульсов ПУ по коаксиальному кабелю К (РК50-2-11) длиной 120 м подается на
вход усилителя импульсов У, выходные импульсы которого поступают на вход ФСП. Время нарастания сигнала после кабеля и усилителя импульсов на входе ФСП составляет ~10 нс. Данный ФСП оптимизирован на эти параметры входного сигнала. Выходной сигнал ФСП подается на вход "Стоп" времяцифрового преобразователя ВЦП (БПТ-12А2) [23] с диапазоном 5 мкс и шириной канала 75 пс. Выходной импульс формирователя импульсов запуска светодиода Ф, синхронизированный с импульсом запуска светодиода и стандартизованный интегральным дискриминатором Д ^еСгоу 623), подается на вход "Старт" ВЦП. Погрешность временной привязки выходного импульса формирователя Ф к импульсу запуска светодиода не превышает 50 пс [24]. Постоянный
средний анодный ток 1а измеряется мультимет-ром А (В7-40/4). Уровень светового фона регулируется изменением тока через светодиод СД2 в
диапазоне 1а = 0—100 мкА. Следует отметить, что в эксперименте ТУНКА средний анодный ток,
t, нс 55
54 53
а-, нс
Ia, мкА
Рис. 3. Зависимости средней временной отметки t и ее среднеквадратичного отклонения а - от постоянного среднего анодного тока 1а фотодетектора КВА-ЗАР-3700, обусловленного световым фоном.
обусловленный световым фоном ночного неба, составляет Ia ~ 30 мкА. Для контроля усиления и чувствительности фотодетектора KBA3AP-370G в течение всего времени измерений использовались источник калибровочных световых импульсов ИС на базе радиоактивного источника 241Am и тонкого слоя неорганического сцинтиллятора YAP, дискриминатор импульсов Д2 (LeCroy 623), кабельная линия задержки ЛЗ и зарядово-цифро-вой преобразователь ЗЦП (LeCroy 2249A). Измерительная система управляется персональным компьютером ПК (IBM PC/AT-i486) через крейт-контроллер КК (КК009).
Долговременные исследования поведения параметров фотодетектора KBA3AP-370G при больших постоянных анодных токах показывают, что даже
при величине тока Ia ~ 100 мкА за длительное время непрерывной экспозиции (>140 суток, что соответствует ~7-8 годам проведения эксперимента) не происходит катастрофического падения усиления фотодетектора, тогда как его чувствительность остается практически постоянной [2
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.