ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 4, с. 518-520
УДК 537.591
ЭКСПЕРИМЕНТ НУКЛОН: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
© 2007 г. Д. М. Подорожный1, В. Л. Булатов2, Н. В. Баранова1, А. В. Власов2, А. Г. Воронин1, Н. Н. Егоров3, С. А. Голубков3, В. М. Гребеншк4, Д. Е. Карманов1, М. Г. Королев1, Н. А. Короткова1, 3. В. Крумштейн4, Е. Г. Лянной5, М. М. Меркин1, А. Ю. Павлов5, А. Ю. Пахомов1, А. В. Романов5, А. Б. Садовский4, Л. Г. Свешникова1, Л. Г. Ткачев4, А. В. Ткаченко4, А. Н. Турундаевский1 E-mail: dmp@eas.sinp.msu.ru
Главная цель эксперимента НУКЛОН - измерение энергетических спектров космических лучей в диапазоне Шп-10эВ с помощью сверхлегкой установки в ходе длительного орбитального полета. Для измерения энергии предполагается использовать методику, основанную на регистрации пространственной плотности вторичных частиц, рожденных в первом акте неупругого взаимодействия. Представлена компоновка прибора, современный статус проекта, результаты тестирования прототипа и планы.
ВВЕДЕНИЕ
Информация о спектрах различных ядерных компонент космических лучей (КЛ) в области энергий 10-1000 ТэВ необходима, чтобы установить происхождение КЛ высоких энергий и интерпретировать феномен "колена". Для набора существенной статистики требуются установки с большим геометрическим фактором, при этом возникают проблемы с выведением за пределы атмосферы "толстых" установок. Предлагаемая методика разрабатывается с 1999 г. [1] как альтернативный методике ионизационного калориметра подход к энергетическим измерениям КЛ в диапазоне 11000 ТэВ. Преимуществом является небольшой вес и габариты аппаратуры. Проект НУКЛОН в течение 2001-2003 гг. был в составе НИР Федеральной космической программы России, начиная с 2004 г. проект переведен на стадию ОКР. Научная аппаратура размещается на новом серийном космическом аппарате дистанционного зондирования в качестве дополнительной полезной нагрузки. Запуск планируется в 2009 г., продолжительность экспозиции 5 лет. Проект нацелен на измерение спектров различных ядерных компонент при энергиях 1-1000 ТэВ; энергетической зависимости отношения вторичных ядер к первичным в области Е > 100 ГэВ/нуклон; пространственной анизотропии отдельных групп ядер в области 1-10 ТэВ. Впервые длительный 5-летний полет позволит проводить мониторинг КЛ высоких энергий в открытом космосе.
1 Научно-исследовательский институт ядерной физики им.
Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова.
2ООО "Горизонт", Екатеринбург.
3НИИ Материаловедения, Зеленоград.
4Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.
5КБ "Арсенал", Санкт-Петербург.
1. ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ
Для построения энергетического спектрометра аппаратуры НУКЛОН был предложен новый подход - методика KLEM (Kinematic Lightweight Energy Meter) [1, 2]. Энергия определяется по пространственной плотности распределения вторичных частиц, рожденных в тонкой мишени в первом акте неупругого взаимодействия и размноженных в вольфрамовом конверторе. Пространственная плотность измеряется кремниевыми стриповыми детекторами с разрешением в десятки микрон. Точность определения энергии исследовалась как в вычислительных экспериментах [2], так и в трех тестах на ускорителях [3, 4].
Для измерения заряда используются падовые кремниевые детекторы (размер пада ~2.5 см2), которые использовались в эксперименте ATIC [5] и хорошо себя зарекомендовали, поскольку позволяют снизить ошибки, возникающие из-за обратного тока. В эксперименте НУКЛОН в отсутствие тяжелого поглотителя обратный ток еще меньше. Кроме того, предполагается использовать четыре матрицы детекторов для надежного определения заряда [4]. Тестирование зарядовой системы проведено на пучке ионов (Z = 1-30) при энергии ~158 ГэВ [6, 7] на SPS-ускорителе в ЦЕРНе. При построении триггерной системы использованы позиционно чувствительные сцинтилляционные детекторы, шесть слоев толщиной по 0.5 см каждый. Сравнение различных экспериментальных установок по толщине проведено в таблице.
2. СТРУКТУРА АППАРАТУРЫ
Рабочий вариант конструкции приведен на рис. 1. Она представляет собой "слоистую" структуру с габаритными размерами активной части
ЭКСПЕРИМЕНТ НУКЛОН: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
519
спектрометра ~500 х 500 х 270 мм. Каждая система представляет собой самостоятельный прибор, который изготавливается и тестируется отдельно. В состав аппаратуры входят: углеродная мишень толщиной 10 см и два слоя вольфрама по 0.5 см для конвертирования у-квантов в заряженные частицы. Система измерения заряда состоит из четырех плоскостей кремниевых детекторов, расположенных на двух пластинах. Каждый слой устроен из восьми ледеров, представляющих собой полоски, на которых прикреплены восемь кремниевых детекторов размером 6.2 х 6.2 х 0.3 см. Каждый квадрат разделен на 16 падов площадью по 2.4 см2, с каждого пада считывается сигнал, всего 4096 считывающих каналов. Система трекера (восстановления траектории частицы) и измерения энергии состоит из шести слоев микростриповых кремниевых детекторов. Каждый слой составлен из 72 детекторов с размером 6.2 х 6.2 х 0.3 см (девять ледеров с восемью детекторами на каждом). Шаг считывания составляет 0.46 мм, всего 6912 каналов. Система быстрого триггера состоит из трех сдвоенных слоев 16-стриповых сцинтилляционных детекторов (500 х 30 х 0.5 мм) с файберами 1 мм WLS KURARAY Y-11. Световой сигнал с каждого слоя детектируется двумя одноканальными и одним 16-канальным фотоумножителями. Сигнал (около 10 фотоэлектронов) образуется при прохождении однозарядной частицы. Две системы одноканаль-ных ФЭУ используются для получения полного сигнала от каждой плоскости с временным разрешением 50 нс.
3. ТЕСТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАРЯДА
В ходе эксперимента пучок ядер индия с энергией ~158 ГэВ/нуклон направлялся на бериллиевую мишень толщиной 4 см. Вторичные заряженные частицы и ядерные фрагменты сепарировались по жесткости с помощью магнитной отклоняющей системы. Отбирались частицы с жесткостью, соответствующей определенному отношению массового числа и заряда [7]. Прототип установки включал в себя (по ходу пучка) четыре слоя падовых детекторов; графитовую мишень толщиной 10 мм, вольфрамовый конвертер толщиной 10.5 мм, две плоскости микростриповых детекторов. Использовалось два канала регистрации: грубый и чувствительный.
Для совмещения зарядовых спектров по четырем детекторам применялся метод ранговых статистик [6, 7]. Помимо флуктуаций ионизации описанная методика позволила в значительной степени подавить влияние частиц сопровождения. Средняя погрешность в определении заряда составляет ~0.2. Пример полученных зарядовых распределений приведен на рис. 2(а, б).
Рис. 1. Компоновка научной аппаратуры "НУКЛОН": 1 - система измерения заряда, 2 - углеродная мишень (~20 г • см-2), 3 - вольфрамовый конвертор (~20 г • см-2), 4 - сцинтилляционная система быстрого триггера, 5 -система трекера и измерения энергии.
4. ТЕСТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Система измерения энергии в эксперименте НУКЛОН основана на новом методе, поэтому ее экспериментальное тестирование представляет большой интерес.
Прототип установки испытывался на пионном пучке в ЦЕРН [7]. Прототип состоит из системы определения заряда, системы микростриповых кремниевых детекторов и системы быстрого триггера на сцинтилляционных счетчиках. В мишени из углерода толщиной 1-10 см первичная частица испытывает ядерное взаимодействие. На некотором расстоянии от мишени расположен слой вольфрама изменяемой толщины, который конвертирует у-кванты в е+е--пары. За конвертером находится система микростриповых детекторов, способная фиксировать плотность распределения вторичных заряженных частиц.
Для восстановления энергии по пространственному распределению вторичных частиц применялся параметр который можно выразить как £ = = Лп2(2И/Х)Ы ,, где X - расстояние стрипа до оси ливня, N - суммарная ионизация, пропорциональ-
Различные экспериментальные установки
Эксперимент Глубина вещества спектрометра, г • см-2
"Толстый" ИК (СОКОЛ) ~700
"Тонкий" ИК (АТ1С) ~220
РЭК ТАСЕЕ) ~100
РЭК (ЯиШОБ) ~60
НУКЛОН ~40
3
4
5
520
ПОДОРОЖНЫЙ и др.
N 3000 2500 2000 1500 1000 500
dN/d lg (eErec/E))
10 15
20 Z
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5
Рис. 2. Зарядовые распределения фрагментов с учетом ранговой статистики (а - чувствительный канал, • -грубый) и распределения по восстановленной энергии для пионов (в). Эксперимент - сплошная линия, результаты расчетов - пунктир.
ная количеству однозарядных частиц, попавших в стрип. В рамках GEANT3.21 наиграны банки событий, соответствующие энергиям 100, 200, 350, 700 ГэВ. По этим данным построены калибровочные зависимости среднего значения параметра (S(E)). По калибровочной зависимости восстанавливались энергии и строились распределения по lg (Erec/E). Распределения для первичного пиона с энергией 350 ГэВ приведены на рис. 2в. Измеренная данной методикой средняя энергия оказалась (Erec) = 334 ГэВ, среднеквадратичное отклонение а = 0.79, а в случае моделирования (Erec) = 350 ГэВ, а = 0.78. Форма распределения чувствительна к виду калибровочной зависимости, и его совпадение с модельным свидетельствует о правильности метода.
5. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЛАНЫ
Аппаратура будет размещена на новом космическом аппарате дистанционного зондирования Земли разработки ФГУП КБ "Арсенал". Масса
дополнительной полезной нагрузки 265 кг (научная аппаратура 165 кг, аппаратура сбора и передачи информации, конструкция узлов навески, кабельная сеть). Габаритные размеры активной части спектрометра ~50 х 50 х 27 см. Энергопотребление научной аппаратуры 120 Вт. Срок космического эксперимента - около 5 лет. Планируемое начало -2009 год.
В 2005 г. закончено проектирование, создано несколько рабочих плоскостей, частично протестированы отдельные системы, разработана рабочая документация. В 2006 г. предполагается создание полномасштабного макета и тестирование всех трех систем прибора на ускорителе. В 2007 г. предполагается завершение создания технологического образца и начало создания полетного варианта прибора. В 2009 г. - завершение создания полетного образца и запуск прибора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Э
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.