научная статья по теме МНОГОЦЕЛЕВАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ГЛУБОКОВОДНАЯ ГИРЛЯНДА ДЛЯ НЕЙТРИННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ОЗ. БАЙКАЛ Физика

Текст научной статьи на тему «МНОГОЦЕЛЕВАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ГЛУБОКОВОДНАЯ ГИРЛЯНДА ДЛЯ НЕЙТРИННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ОЗ. БАЙКАЛ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 2, с. 21-25

_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _

- ЭКСПЕРИМЕНТА -

УДК 621.383.2+539.1.074.4+539.1.075

МНОГОЦЕЛЕВАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ГЛУБОКОВОДНАЯ ГИРЛЯНДА ДЛЯ НЕЙТРИННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ОЗ. БАЙКАЛ

© 2008 г. Р. В. Васильев, Е. Э. Вятчин, Б. К. Лубсандоржиев, П. Г. Похил, Б. А. М. Шайбонов, Р. В. Полещук

Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а Поступила в редакцию 03.07.2007 г.

Описывается многоцелевая экспериментальная глубоководная гирлянда, созданная для тестирования и испытания новых перспективных технических разработок и решения методических вопросов глубоководного детектирования мюонов и нейтрино на оз. Байкал. Представлена конструкция установки, приводятся некоторые экспериментальные результаты, полученные в ходе эксплуатации в натурных условиях на оз. Байкал пилотного образца гирлянды.

PACS: 29.40.Ka, 85.60.Ha, 95.85.Ry, 07.06.Vg, 85.60.Jb

История нейтринного эксперимента на оз. Байкал насчитывает уже более четверти века. В течение девяти лет в рамках этого эксперимента на оз. Байкал успешно функционирует первый и пока единственный в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ-200 [1] - уникальный детектор для изучения природных потоков мюонов и нейтрино высоких энергий, исследования темной материи, поиска экзотических частиц, таких как магнитные монополи и кварковые самородки, и т.д. Уже установлены рекордные на сегодняшний день верхние пределы на потоки нейтрино высоких энергий, релятивистских и медленно движущихся магнитных монополей, нейтрино от аннигиляции темной материи в центре Земли [2-4]. Телескоп служит также мощным инструментом для исследования и непрерывного мониторинга воды оз. Байкал.

В настоящее время ведутся работы по проектированию нейтринных телескопов следующего поколения на оз. Байкал с эффективным объемом вплоть до 1 км3 [5]. В рамках этих работ в ИЯИ РАН разработана многоцелевая глубоководная экспериментальная гирлянда (комплексная установка) для решения широкого круга экспериментальных задач: тестирования новых разработок фотодетекторов и оптических модулей следующего поколения, детекторной электроники, элементов системы передачи, сбора и первичной обработки данных, отработки новых методов измерения параметров воды озера и т.д.

На рис. 1 показан эскиз экспериментального комплекса, созданного для испытаний в натурных условиях описываемой гирлянды. Гирлянда состоит из оптических каналов ОК1-ОК4 и ОМ-2; глубоководных модулей наносекундных источников света ГМИС1 и ГМИС2; системных модулей электроники "связки" СМ и СМ-2; блоков элек-

троники гирлянды БЭГ и детектора БЭД. Оптический канал образуется из двух оптических модулей, работающих в режиме совпадений. "Связка" - это структурная единица установки, состоящая из двух оптических каналов и одного модуля СМ, обслуживающего эту связку. ОК1-ОК4 идентичны оптическим каналам нейтринного телескопа НТ-200, а ОМ-2 - это двухканальный оптический модуль.

Самый нижний оптический канал в гирлянде, предназначенный для исследования процессов рассеяния света, располагается под источниками света и регистрирует предельно рассеянные фотоны от этих источников. Четыре других канала размещаются вдоль гирлянды на различных расстояниях от этих источников и используются для исследования оптических параметров воды озера, для измерения групповой скорости света для различных длин волн и тестирования новых разработок фотодетекторов, оптических модулей и источников света. Все модули закреплены на одном геофизическом кабеле-тросе КГ7-60. Полная высота гирлянды составляет ~70 м. Управление гирляндой, сбор и накопление экспериментальных данных осуществляется с мобильного экспериментального центра управления, сбора и первичной обработки информации УСОИ, созданного аналогично центру, используемому в НТ-200, и расположенного на льду озера непосредственно над гирляндой. Измерения проводились на глубине ~1100м.

Эскиз глубоководного оптического модуля [7], основанного на гибридном вакуумном фотодетекторе КВАЗАР-370 [8-11], представлен на рис. 2. Оптический модуль состоит из защитной сферы, выполненной из боросиликатного стекла С1-49 толщиной 1.2 см, фотодетектора КВАЗАР-370, двух высоковольтных источников питания фото-

СПУ

БЭД ОК1

БЭГ

ОК2

ОМ-2(Щ

ОК

ГМИС

ОК

СМ-2

ГМИС2

6 м

24 м

3 м

31 м

3 м

Рис. 2. Глубоководный оптический модуль на основе фотодетектора КВАЗАР-370. 1 - фотодетектор КВАЭАР-370; 2 - защитная стеклянная сфера; 3 - химически чистый глицерин; 4 - слой полиуретана; 5 -делитель напряжения питания ф.э.у. и предусилитель выходных сигналов фотодетектора; 6 и 7 - высоковольтные источники питания фотодетектора на 2 и 25 кВ соответственно; 8 - калибровочный светодиод; 9 - манометр; 10 - глубоководные герморазъемы.

Я,

Рис. 1. Многоцелевая глубоководная экспериментальная гирлянда. БЭД - блок электроники детектора; БЭГ - блок электроники гирлянды; СМ - глубоководный системный модуль электроники связки; ГМИС 1, ГМИС2 - глубоководные модули наносе -кундных источников света; ОК1-ОК4 - оптические каналы нейтринного телескопа НТ-200; ОМ-2 - двух-канальный оптический модуль; СМ-2 - системный модуль двухканального оптического модуля; Я -якорь; СПУ - спуско-подъемное устройство [6]; УСОИ - наледный электронный центр управления, сбора и обработки информации; ДГ - дизельный генератор.

детектора с выходными напряжениями 25 и 2 кВ, калибровочного светодиода и предусилителя анодных и динодных импульсов фотодетектора. Анодные импульсы используются для временны х измерений, а динодные для амплитудных измерений. Оптический контакт между фотодетектором и стеклом защитной сферы осуществляется с помощью химически чистого глицерина. Герметизация глицерина производится при помощи слоя полиуретана толщиной ~1 см.

Электронная система гирлянды также аналогична используемой в нейтринном телескопе

НТ-200 [12]. Функциональная схема электронной системы гирлянды представлена на рис. 3. Системный модуль электроники связки состоит из шести электронных блоков: двух блоков платы ПВЛТ выработки сигнала ЛТ (Локальный триггер); блоков преобразования амплитуды БПА; блока запуска калибровочных светодиодов оптических модулей БЗСД; источника питания и контроллера крейта КК. Все блоки включаются в единый крейт, выполненный в механическом стандарте УМЕ, который помещается в стеклянную глубоководную защитную сферу.

С помощью системного модуля осуществляется управление оптическими модулями двух соседних каналов, входящих в состав связки, - высоковольтными напряжениями питания фотодетекторов и калибровочными светодиодами, а также сбор информации от этих оптических модулей. В системном модуле вырабатывается сигнал ЛТ, фронт которого несет информацию о времени срабатывания оптического канала, а его длительность соответствует заряду зарегистрированного сигнала. Сигнал ЛТ по глубоководному коаксиальному кабелю подается в модуль блока электроники гирлянды БЭГ. Управление всеми режимами работы СМ осуществляется через универсальный контроллер крейта КК (КК входят в

5

6

9

8

2

1

Связка

ОК

СМ

КК

О

А1

А2 L Д1

-1 г

ПВЛТ

О

БПА

О

БЗСД

О

Сигнал ЛТ

БЭГ

КК

БПИ

3 шт. Старт

Стоп

ИК T^K A^K

1

Р

БЗ

Запрос

Мастер

БЭД

КК

БПИ

О О

БР

tТС

Д

о о

а с

к центру УСОИ

Рис. 3. Функциональная схема электронной системы экспериментальной гирлянды. ОК - оптический канал; СМ - системный модуль электроники связки; КК - контроллер крейта; ПВЛТ - блок выработки локального триггера; БПА — блок преобразования амплитуды; БЗСД - блок формирователей импульсов запуска калибровочных светоди-одов оптических модулей связки; А1 и А2, Д1 и Д2 - анодные и динодные сигналы оптических модулей; БЭГ - блок электроники гирлянды; БПИ - блок передачи информации; ИК - измерительный канал; БЗ - блок запросов; БЭД -блок электроники детектора; БР - блок ретранслятора данных; ТС - триггерная система; Д - дискриминатор триггер-ной системы; Р - разветвитель.

состав всех глубоководных электронных модулей гирлянды).

Модуль БЭГ состоит из блоков "измерительный канал" ИК, блока передачи информации БПИ, блока запроса БЗ и контроллера крейта КК. В измерительном канале производится оцифровка длительности сигнала ЛТ (преобразование заряд-код) и измерение интервала времени между сигналом ЛТ и триггерным сигналом всей гирлянды (преобразование время-код). Максимальный диапазон измеряемых временных интервалов составляет 2 мкс с шагом 1 нс. Дифференциальная и интегральная нелинейности преобразователя не превышают 3% и 1% соответственно.

В блоке запроса производится аналоговое суммирование сигналов ЛТ, поступающих со всех оптических каналов гирлянды. В триггерную систему гирлянды, размещенную в блоке электроники детектора БЭД, посылается сигнал Запрос. Полная информация о поступившем сигнале ЛТ (временная отметка и заряд сигнала, номер события и сработавшего измерительного канала) из измерительного канала записывается в блок передачи информации БПИ.

Модуль блока электроники детектора БЭД содержит систему выработки триггерного сигнала ТС, блок ретранслятора системы передачи данных БР, блок передачи информации БПИ и контроллер крейта КК. Сигналы Запрос от всех модулей БэГ суммируются в триггерной системе на входе дискриминатора Д с программно управляемым порогом. Выходной сигнал дискриминатора является триггерным сигналом (сигнал Мастер) и подается в модуль БЭГ на счетчик номеров собы-

тий и на входы стоп измерительных каналов. Условия выработки триггерного сигнала определяются и устанавливаются из наледного центра управления, сбора и обработки информации УСОИ. Такими условиями могут быть срабатывание одного, двух и т.д. оптических каналов гирлянды во временном окне 500 нс.

Записанные в блоке БПИ данные передаются в центр УСОИ при циклическом опросе этих блоков. Блок ретранслятора системы передачи данных принимает сигналы от блоков БПИ, усиливает их и посылает по кабелю длиной ~1 км на поверхность в центр УСОИ.

Двухканальный оптический модуль ОМ-2 [13], разработанный для нейтринных телескопов следующего поколения, основан на мод

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»

  • СВЕТОДИОДНАЯ КАЛИБРОВОЧНАЯ СИСТЕМА ВНЕШНИХ ГИРЛЯНД ГЛУБОКОВОДНОГО НЕЙТРИННОГО ТЕЛЕСКОПА НТ-200+ НА ОЗЕРЕ БАЙКАЛ

    ВАСИЛЬЕВ Р. В., ВЯТЧИН Е. Э., ЛУБСАНДОРЖИЕВ Б. К., ПОЛЕЩУК Р. В., ШАЙБОНОВ Б. А. М. — 2011 г.

  • СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО ТЕЛЕСКОПА НТ1000

    BANNASCH R., HONS Z., KOШЕЧКИН A.П., KУЛЕПОВ В.Ф., MИЛЕНИН M.Б., MИРГАЗОВ Р.Р., OСИПОВА E.A., TAРАЩАНСКИЙ Б.A., АВРОРИН А.В., АВРОРИН А.Д., АЙНУТДИНОВ В.М., БЕЛОЛАПТИКОВ И.A., БОГОРОДСКИЙ Д.Ю., БРУДАНИН В.Б., БУДНЕВ Н.M., ГАПОНЕНКО O.Н., ГАФАРОВ А.Р., ГОЛУБКОВ К.В., ГРЕСС Т.И., ДАНИЛЬЧЕНКО И.A., ДЖИЛКИБАЕВ Ж.-А. М., ДОМОГАЦКИЙ Г.В., ДОРОШЕНКО А.А., ДЬЯЧОК А.Н., ЖУКОВ В.А., ЗАГОРОДНИКОВ А.В., ЗУРБАНОВ В.Л., КЕБКАЛ К.Г., КЕБКАЛ О.Г., КОЖИН В.А., КОНИЩЕВ К.В., КОНСТАНТИНОВ Е.Н., КОРОБЧЕНКО А.В., КОШЕЛЬ Ф.К., КУЛЕШОВ Д.А., ЛОЛЕНКО А.И., ЛЯШУК В.И., ПАНФИЛОВ A.И., ПАНЬКОВ Л.В., ПЕРЕВАЛОВ А.А., ПЛИСКОВСКИЙ E.Н., ПОЛЕЩУК В.А., РОЗАНОВ M.И., РУБЦОВ В.Ю., РЯБОВ Е.В., СКУРИХИН А.В., СМАГИНА А.А., СУВОРОВА О.В., ФИАЛКОВСКИЙ С.В., ШАЙБОНОВ Б.А., ШЕЙФЛЕР А.А., ЯКОВЛЕВ С.А. — 2014 г.

  • ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАСТИКОВЫХ ОПТОВОЛОКОННЫХ КАБЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В КАЛИБРОВОЧНЫХ СИСТЕМАХ КОСМОМИКРОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

    GRABMAYR P., JOCHUM J., RITTER F., ВАСИЛЬЕВ Р. В., ЛУБСАНДОРЖИЕВ Б. К., ЛУБСАНДОРЖИЕВ Н. Б., ШАЙБОНОВ Б. А. М. — 2011 г.

  • СТАТУС БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

    KOШЕЧКИН A. П., KЛАБУКОВ A. M., KЛИМОВ A. И., KУЗЬМИЧЁВ Л. A., KУЛЕПОВ В. Ф., MИЛЕНИН M. Б., MИРГАЗОВ Р. Р., OСИПОВА E. A., TAРАЩАНСКИЙ Б. A., АВРОРИН А. В., АЙНУТДИНОВ В. М., БАЛКАНОВ В. A., БЕЛОЛАПТИКОВ И. A., БОГОРОДСКИЙ Д., БУДНЕВ Н. M., ВИШНЕВСКИ Р., ГАПОНЕНКО O. Н., ГОЛУБКОВ К. В., ГРЕСС O. A., ГРЕСС Т. И., ГРИШИН О. Г., ДАНИЛЬЧЕНКО И. A., ДЖИЛКИБАЕВ Ж. -A. M., ДОМОГАЦКИЙ Г. В., ДОРОШЕНКО А. А., ДЬЯЧОК А., ЖУКОВ В. А., КОНИЩЕВ К., КОЧАНОВ А., КУЛЕШОВ Д. А., МИДДЕЛЛ Е., МИХЕЕВ С. П., ПАНФИЛОВ A. И., ПАНЬКОВ Г. Л., ПАНЬКОВ Л. В., ПЕТУХОВ Д. А., ПЛИСКОВСКИЙ E. Н., ПОЛЕЩУК В. А., ПОПОВА E. Г., ПОХИЛ П. Г., ПРОСИН В. В., РОЗАНОВ M. И., РУБЦОВ В. Ю., СУВОРОВА О. В., ФИАЛКОВСКИЙ С. В., ШАЙБОНОВ Б. А., ШЕЙФЛЕР А. А., ШПИРИНГ К., ЯШИН И. В. — 2009 г.