ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.123
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ГИРЛЯНДА БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО
ТЕЛЕСКОПА НТ1000
© 2011 г. А. В. Аврорин1, В. М. Айнутдинов1, И. A. Белолаптиков2, Д. Ю. Богородский3, Н. M. Буднев3, R. Wischnewski4, O. Н. Гапоненко1, К. В. Голубков2, O. A. Гресь3, Т. И. Гресь3, О. Г. Гришин3, И. A. Данильченко1, Ж.-А. М. Джилкибаев1, Г. В. Домогацкий1, А. А. Дорошенко1, А. Н. Дьячок3, В. А. Жуков1, А. В. Загородников3, A. M. Клабуков1, A. И. Климов5, К. В. Конищев2, А. В. Коробченко3, A. П. Кошечкин1, Л. A. Кузьмичев6, В. Ф. Кулепов7, Д. А. Кулешов1, В. И. Ляшук1, E. Middell4, M. Б. Миленин7, Р. Р. Миргазов3, С. П. Михеев1, Э. A. Осипова6, A. И. Панфилов1, Л. В. Паньков3, Г. Л. Паньков3, А. А. Перевалов3, Д. П. Петухов1, E. Н. Плисковский2, В. А. Полещук1, E. Г. Попова6, В. В. Просин6, M. И. Розанов8, В. Ю. Рубцов3, Е. В. Рябов3, О. В. Суворова1, Б. A. Таращанский3, С. В. Фиалковский7, Б. А. Шайбонов2, А. А. Шейфлер2, А. В. Широков6,
Ch. Spiering4, А. С. Ягунов3 Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а 2Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 3Иркутский государственный университет Россия, 664003, Иркутск, ул. Карла Маркса, 1 4Das Deutsche Elektronen Synchrotron DESY (Научно-исследовательский центр "Германский электронный синхротрон") Deutschland, D-15738, Zeuthen, Platanenallee, 6 5РНЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 6НИИядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университет им. М.В. Ломоносова Россия, 119992, Москва, Воробьевы горы, 1, стр. 2 7Нижегородский государственный технический университет Россия, 603950, Н. Новгород, ул. Минина, 24 8Санкт-Петербургский государственный морской технический университет Россия, 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3 Поступила в редакцию 15.02.2011 г.
В настоящее время сотрудничеством БАЙКАЛ разрабатывается проект глубоководного нейтринного телескопа НТ1000 с эффективным объемом ~1 км3. Телескоп будет размещаться в оз. Байкал в непосредственной близости от действующего детектора НТ200+. Телескоп будет состоять из 12 кластеров по 8 однотипных гирлянд оптических модулей в каждом (в гирлянде — 2 секции оптических модулей НТ1000).
Приводятся результаты разработки секции оптических модулей НТ1000 с использованием более эффективных фотоэлектронных умножителей и современной электроники. Обсуждаются результаты натурных испытаний экспериментальной гирлянды из двух секций по 6 оптических модулей. Результаты исследований используются в проекте нейтринного телескопа НТ1000 и в гидрологических исследованиях оз. Байкал.
1. ВВЕДЕНИЕ
Крупномасштабные нейтринные телескопы в
естественных средах нацелены на решение ши-
рокого круга фундаментальных проблем: изуче-
ние природных потоков мюонов и нейтрино
высоких энергий, поиск гипотетических частиц —
кандидатов на роль частиц темной материи и пр. С их помощью также возможно вести на качественно новом уровне междисциплинарные исследования в области наук о Земле. Успешная эксплуатация на протяжении более чем десяти лет нейтринных телескопов первого поколения —
к береговому центру
Центр
сбора
данных
- г: 1170м
ОЭ
1240 м
1310 м
1367 м
Рис. 1. Нейтринный телескоп НТ200+ и экспериментальная гирлянда НТ1000.
Байкальского нейтринного телескопа НТ200 и установки AMANDA на Южном полюсе — доказали возможность и эффективность детектирования нейтрино в естественных средах, что позволило перейти к разработке и реализации проектов установок следующего поколения с характерным чувствительным объемом ~1 км3.
В настоящее время разрабатывается проект нейтринного телескопа НТ1000 на оз. Байкал c эффективным объемом ~1 км3 [1—3]. Основой для проектирования является опыт создания и многолетней эксплуатации нейтринных телескопов НТ200 и НТ200+ [4-6]. Установка НТ200 (рис. 1) работает в оз. Байкал с 1998 г. Перечень физических исследований, проводимых на НТ200, охватывает весь спектр задач, характерных для глубоководных нейтринных телескопов [7-13]. НТ200 представляет собой объемную решетку из 192 оптических модулей (о.м.), расположенных, начиная с глубины 1100 м. В качестве светочувствительных элементов о.м., регистрирующих че-
ренковское излучение релятивистских мюонов и каскадных ливней, используются гибридные фотоэлектронные умножители КВАЗАР-370 [14] с полусферическим фотокатодом 037 см. На рис. 1 показаны также три дополнительные внешние гирлянды, расположенные на расстояние 100 м от центра НТ200, которые установлены в 2005 г. (модификация телескопа НТ200+). Опыт эксплуатации НТ200+ позволил исследовать особенности регистрации мюонов и каскадных ливней разреженной по сравнению с НТ200 решеткой оптических модулей, расположенных на расстоянии 150—20 м между собой. Аналогичные расстояния между о.м. планируются и для НТ1000.
Нейтринный телескоп НТ1000 проектируется как система однотипных секций оптических модулей. Секция является функционально законченной регистрирующей системой, включающей в свой состав фотодетекторы, измерительную электронику, подсистемы управления, триггиро-вания и передачи информации. На рис. 1 показан прототип гирлянды из двух таких секций, разра-
Рис. 2. Блок-схема оптического модуля.
ботанной для установки НТ1000 и установленной в оз. Байкал для проведения долговременных натурных испытаний. В статье приводятся результаты разработки системы регистрации и сбора данных гирлянды оптических модулей НТ1000 и обсуждаются результаты испытаний ее основных элементов.
2. ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
Регистрирующими элементами секции являются оптические модули, которые преобразуют черенковское излучение мюонов и каскадных ливней в электрические сигналы. О.м. состоят из следующих элементов: фотоэлектронного умножителя (ф.э.у.), контроллера, усилителя сигналов, светодиодной калибровочной системы и высоковольтного преобразователя напряжения. Блок-схема о.м. представлена на рис. 2.
Выбор оптимального ф.э.у. для установки
НТ1000 представляет собой отдельную задачу. Основными требованиями, предъявляемыми к ф.э.у., являются высокое временное разрешение
(на уровне единиц наносекунд) при большой площади фотокатода, а также максимально возможные квантовая эффективность и площадь фотокатода ф.э.у. при минимальном уровне собственных шумов. В настоящее время этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют ф.э.у. с полусферическим фотокатодом фирмы Нататайзи: R8055
(площадь фотокатода ~1000 см2, квантовая эффек-
тивность ~20%) и R7081HQE (площадь ~ 500 см2, квантовая эффективность >30%). Оба ф.э.у. проходят в настоящее время испытания в оз. Байкал в составе прототипа секции НТ1000.
Напряжение питания ф.э.у. (1200—1600 В) имеет положительную полярность (фотокатод заземлен). Оно подбирается индивидуально для каждого ф.э.у. из расчета, что коэффициент усиления ди-нодной системы ф.э.у. составляет ~107. Для обеспечения надежной работы спектрометрических каналов установки сигнал с ф.э.у. дополнительно усиливается в 10 раз, что обеспечивает как достаточно высокое значение средней величины одно-электронного сигнала ф.э.у. (30—40 мВ) по отношению к средней амплитуде шумов спектрометрического канала, так и необходимый диапазон линейности канала (до ~100 фотоэлектронов (ф.э.)). Усилитель монтируется на одной плате с делителем напряжений ф.э.у. Первый канал усилителя используется для спектрометрических измерений, второй канал служит для усиления сигналов, поступающих на счетчик шумовых импульсов фотоэлектронного умножителя.
Управление работой оптического модуля осуществляется по глубоководной шине RS-485 через специализированный контроллер, разработанный для НТ1000 на основе процессора С805^124. Основными функциями контроллера являются:
♦ управление величиной высоковольтного напряжения ф.э.у.;
♦ амплитудная и временная калибровка спектрометрических каналов светодиодными источниками света;
♦ контроль основных параметров ф.э.у. и электроники о.м. в процессе длительной экспозиции.
Электропитание ф.э.у. осуществляется через делитель напряжения (полное сопротивление 18 МОм) высоковольтным DC/DC-конвертером TRACO POWER PHV12-2.0K2500P, величина выходного напряжения которого может варьироваться в диапазоне 0—2.5 кВ. Для установки рабочего значения напряжения ф.э.у. используется вход управления DC/DC-конвертера. Управляющее напряжение формируется цифроаналоговым преобразователем (ц.а.п.) контроллера в диапазоне 0—2.5 В с шагом ~1 мВ — это обеспечивает точность установки рабочего напряжения ф.э.у. не хуже 1 В.
Амплитудная и временная калибровка ф.э.у. осуществляется при помощи двух светодиодов (LED) Kingbright L7113 PBC-A. Максимум светимости светодиодов соответствует длине волны 445 нм, длительность светового импульса составляет ~5 нс. Контроллер обеспечивает прецизионное управление интенсивностью свечения свето-диодов и регулирует задержку между их сигналами. Диапазон регулировки интенсивности 0— 108 фотонов на вспышку, диапазон задержек — 0— 1000 нс (шаг ~ 100 нс, погрешность установки величины задержки ~1 нс). Взаимное влияние двух каналов светодиодов друг на друга не превышает 0.5% в условиях одинаковой световой амплитуды каждого из них. Световые импульсы от светодиодов передаются на ф.э.у. по оптоволоконным кабелям длиной ~0.5 м.
Контроль работы ф.э.у. и электроники о.м. подразумевает периодический мониторинг их основных параметров и условий функционирования. Контролируемыми параметрами ф.э.у. являются величина высоковольтного напряжения, временная задержка и уровень собственных шумов ф.э.у. Для контроля величины установленного высоковольтного напряжения в делителе ф.э.у. служит мониторный выход, напряжение на котором пропорционально полному напряжению на делителе. Величина этого напряжения измеряется аналого-цифровым преобразователем (а.ц.п.) контроллера о.м.
Методика контроля временной задержки ф.э.у. основана на измерении времени между сигналом запуска светодиода и сигналом от светодиода, зарегистрированным ф.э.у. В режиме измерения временны
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.