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.