ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 2, с. 17-23
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 537.591.15+523.165
ИЗМЕРЕНИЕ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА ЧЕРЕНКОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ТУНКА
© 2009 г. Р. В. Васильев, О. А. Грэсс**, Е. Е . Коростелева*, Л. А. Кузьмичев*,
Б. К. Лубсандоржиев, А. И. Панфилов, |Ю. В. Парфенов**, Л. В. Паньков**, В. В. Просин*
Б. А. М. Шайбонов, Ch. Spiering***, T. Schmidt***, Д. В. Чернов*, И. В. Яшин*
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а *НИИЯФ им. Скобельцына МГУ, Россия, Москва **НИИПФ ИГУ, Россия, Иркутск ***DESY, Zeuthen, Germany Поступила в редакцию 07.08.2008 г.
Описываются оптический детектор и электронная система, разработанные для изучения формы импульсов черенковского света широких атмосферных ливней в эксперименте ТУНКА. Представлены некоторые результаты измерений, полученные с описанной экспериментальной установкой.
PACS: 29.40.Ka; 96.50.sd; 85.60.Ha
Энергетический спектр первичного космического излучения имеет ярко выраженный степенной характер - /(>£) ~ АЕ-1. В конце 50-х годов прошлого века советскими физиками под руководством акад. Г.Б. Христиансена было открыто изменение показателя спектра у при энергии ~3 х х 1015 эВ [1]. Показатель спектра в этой точке изменяется с у ~ 1.7 на у ~ 2.1. Это изменение показателя спектра при энергии ~3 ■ 1015 эВ получило известность в физике космических лучей как "излом" или "колено" в спектре первичного космического излучения. Со времени открытия этого явления прошло уже более 50 лет, но до сегодняшнего дня до конца не ясна его природа - каково происхождение самого излома, и какие изменения претерпевает при этом первичное космическое излучение, в первую очередь его химический состав.
Сложность экспериментальных исследований в этой области заключается в том, что при таких энергиях прямые измерения первичного космического излучения в спутниковых и стратосферных баллонных экспериментах сильно затруднены, если вообще возможны, в силу малости потока частиц (на уровне ~1 частица/м2 ■ год). Остается только изучать первичное космическое излучение, исследуя широкие атмосферные ливни (ш.а.л.), вызванные взаимодействиями первичного космического излучения с ядрами атомов воздуха в верхних слоях атмосферы, с помощью наземных экспериментов. В таких экспериментах детектируются заряженные частицы ш.а.л. и вызванные ими черенковское и флуоресцентное излучения. На сегодняшний день, по-видимому, одним из наиболее информативных методов исследования
первичного космического излучения в области "излома" его спектра является изучение черенковского излучения ш.а.л.
Широкоугольный черенковский детектор ш.а.л. ТУНКА [2-6] успешно работает с 1994 г. Детектор расположен в Тункинской долине в Республике Бурятия в 50 км от оз. Байкал на высоте 675 м над уровнем моря. Детектор состоит из 25 оптических модулей и охватывает геометрическую площадь 340 х 340 м2. Общая схема детектора представлена на рис. 1. Расстояние между соседними модулями составляет 85 м. Базовым элементом оптических модулей установки является крупногабаритный гибридный вакуумный фотодетектор КВАЗАР-370в [7]. Энергетический порог детектора соответствует ~500 ТэВ, направление прихода первичной частицы определяется с погрешностью ~0.5°, а погрешность определения положения оси ливня составляет ~10 м. В эксперименте ТУНКА проводятся исследования энергетического спектра и химического состава первичного космического излучения, основанные на определении функции пространственного распределения черенковского излучения ливней.
Другой возможностью исследования свойств первичного космического излучения является изучение формы импульса черенковского света, порожденной заряженной компонентой ливней. В работах [8, 9] показано, что длительность импульса черенковского излучения ш.а.л. на расстояниях >200 м от оси ливня зависит от химического состава первичного космического излучения, вызвавшего данный ливень. Длительность импульса
У, м 200
100
-100
-200
О
N
\
Б
О
-О
-200 -100
100
200 X, м
Рис. 1. Общая схема широкоугольного черенковско-го детектора ш.а.л. ТУНКА. 1 - оптические модули на базе фотодетекторов КВАЗАР-3700; 2 - оптические модули для регистрации формы импульса черен-ковского излучения ш.а.л. на базе фотодетекторов ТНОЯК-ЕМ! Б668КВ/5.
пшп.в. связана с глубиной максимума раз-
ш.а.л. А^
вития ливня Хтах следующим соотношением [10]:
(Хабс/^б) - Хтах = К(Я) ^ (А?п.ш.п.в.) + С(Я), (1)
где Хтах, г/см2 - глубина максимума развития ливня; Хабс, г/см2 - полная толщина атмосферы над установкой; б, град - зенитный угол падения ш.а.л.; А?пшпв., нс - полная ширина на половине высоты импульса; Я, м - расстояние до оси ливня.
Зависимости параметров К и С от расстояния Я хорошо описываются полиномами второй степени для диапазона расстояний 200-500 м до оси ливня. Ошибка метода определения глубины максимума развития ливня по длительности импульса черенковского излучения ш.а.л. не превышает 20 г/см2.
Проводить такие исследования с помощью базовых фотодетекторов КВАЗАР-З70в детектора ТУНКА не представляется возможным. Дело в том, что задний фронт выходных импульсов фотодетектора описывается экспоненциальной функцией (с постоянной времени т ~ 30-50 нс), которая определяется экспоненциальным характером высвечивания сцинтиллятора, использующегося в качестве первого каскада усиления фотодетектора. В силу этого в состав установки введены дополнительные оптические модули на основе быстродействующего фотоэлектронного умножителя (ф.э.у.) ТНОЯК-ЕМ! Б668КВ/5 классического типа (с полу-
Рис. 2. Оптический модуль для регистрации формы импульса черенковского излучения ш.а.л. 1 - ф.э.у. ТНОЯК-ЕМ! Б668КВ/5; 2 - конический концентратор света; 3 - активный делитель напряжения питания ф.э.у.; 4 - высоковольтный источник напряжения питания ф.э.у.; 5 - преобразователь анодных импульсов ф.э.у. в аналоговые световые импульсы; 6 - оптоволоконный кабель.
сферическим фотокатодом 0 ~ 20 см и динодной системой с линейной фокусировкой с шестью каскадами умножения). Ф.э.у. разработан фирмой ТНОЯК-ЕМ1 для использования в черенковском детекторе ш.а.л. АШОВ1СС [11], действовавшего в 90-е годы прошлого века на острове Ла Пальма в Испании.
Эскиз оптического модуля для исследования формы импульса черенковского излучения ш.а.л. показан на рис. 2. Ф.э.у. и детекторная электроника установлены в металлическом контейнере с коническим концентратором света. Концентратор света выполнен из акрилового пластика и покрыт зеркальным слоем алюминия. Полный угол раствора конуса составляет 30°. Применение конических концентраторов света увеличивает эффективную площадь оптического модуля до ~0.1 м2. Использование небольшого количества каскадов умножения ф.э.у. позволяет работать в условиях светового фона ночного неба, средний уровень которого составляет в районе расположения детектора (1-1.2) ■ 1012 фотонов/м2 ■ с ■ стер. Уровень по-
0
2
0
Рис. 3. Функциональная схема подключения активного делителя напряжения питания ф.э.у. АДНП - активный делитель напряжения питания; ФЭУ- фотоэлетронный умножитель ТНОЯК-ЕМ! Б668КВ/5; К - фотокатод; А - анод; Д1-Д6 - диноды; - нагрузочное сопротивление; ВИП - высоковольтный источник питания; Ф - фокусирующий электрод.
Рис. 4. Функциональная схема электронной системы передачи выходных сигналов оптического модуля детектора по оптоволоконному кабелю. ФЭУ - фотоэлектронный умножитель THORN-EMI D668KB/5; T - передатчик-преобразователь электрических импульсов в оптические (СД - светодиод); ОК - оптоволоконный кабель UB04-080U-W; R - приемник-преобразователь оптических импульсов в электрические HFBR-2316-T (AGILENT Electronics); ФД и ТУ - фотодиод и трансимпедансный предусилитель HFBR-2316-T; М1 - AD8001AR; М2 - OPA2662AP; М3 - LST0500 (AGILENT Electronics).
стоянного анодного тока ф.э.у., соответствующий такой фоновой засветке, не превышает 30 мкА. Для надежной и стабильной работы ф.э.у. применяется активный делитель напряжения питания ф.э.у., обеспечивающий стабильность коэффициента усиления ф.э.у. в широком диапазоне изменения уровня фоновой засветки и подробно описанный в [12].
Функциональная схема подключения такого активного делителя напряжения к ф.э.у. и типичное распределение потенциалов на электродах ф.э.у. показана на рис. 3. Для достижения максимально высокого временного разрешения ф.э.у. фокусирующий электрод Ф соединен с динодом
Д3. Для достижения максимального сбора фотоэлектронов на динод Д1 разность потенциалов между фотокатодом и Д1 выбрана равной ~600 В. Длительность анодных импульсов при этом составляет ~5.5 нс (полная ширина на половине высоты импульса) при полном коэффициенте усиления ф.э.у. ~104, который достигается при рабочем напряжении питания ~1300 В.
Для передачи выходных аналоговых сигналов детекторов на значительные расстояния без существенного ослабления и искажения сигнала и для защиты от электромагнитных помех использован метод передачи аналогового светового импульса по оптоволоконному кабелю, предложен-
Рис. 5. Форма импульса оптического модуля установки на
хождения оптоволоконного кабеля длиной 400 м.
ный в работах [13-17]. На рис. 4 показана функциональная схема электронных узлов системы передачи и приема выходных сигналов оптического модуля по оптоволоконному кабелю. Для передачи анодного сигнала фотодетектора из оптического модуля в центральный электронный пункт электрический анодный сигнал преобразуется в оптический в преобразователе Т, расположенном в непосредственной близости от анода ф.э.у. Для преобразования в оптический сигнал анодный сигнал усиливается сначала предусили-телем М1, а затем усилителем мощности М2 и подается на модуль М3, включающий в себя свето-диод СД с максимумом излучения на длине волны 1300 нм. С помощью переменного сопротивления Я* устанавливается ток смещения светодиода, необходимый для достижения максимально возможного линейного динамического диапазона выходных импульсов. Получающийся аналоговый оптический сигнал по одномодовому оптоволоконному кабелю ОК длиной
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.