ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 4, с. 11-19
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 621.383.2+539.1.074.4+539.1.075
СВЕТОДИОДНАЯ КАЛИБРОВОЧНАЯ СИСТЕМА ВНЕШНИХ ГИРЛЯНД ГЛУБОКОВОДНОГО НЕЙТРИННОГО ТЕЛЕСКОПА
НТ-200+ НА ОЗЕРЕ БАЙКАЛ © 2011 г. Р. В. Васильев, Е. Э. Вятчин, Б. К. Лубсандоржиев, Р. В. Полещук, Б. А. М. Шайбонов
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а Поступила в редакцию 11.01.2011 г.
Описана система, разработанная для калибровки внешних гирлянд глубоководного нейтринного телескопа НТ-200+ на озере Байкал, разнесенных на расстояния ~100 м от основного ядра установки. Калибровочная система основана на наносекундных источниках света на основе ультраярких синих светоизлучающих диодов. Показано, что при использовании такой калибровочной системы достигается точность синхронизации во времени внешних гирлянд с центральной частью телескопа не хуже 1 нс.
Открытие космических лучей произошло почти сто лет назад. Тем не менее, происхождение космических лучей и механизмы их ускорения продолжают оставаться одними из самых интригующих загадок современной физики. Неопровержимым доказательством так называемых адрон-ных механизмов ускорения было бы детектирование высокоэнергичных космических нейтрино — продуктов распадов адронов, образовавшихся в результате взаимодействий еще более высокоэнергичных адронов с веществом. Детектирование таких нейтрино представляет не простую экспериментальную задачу. Это связано, в первую очередь, с малой вероятностью взаимодействия нейтрино с веществом, с их очень малыми потоками и высоким уровнем фона, обусловленного нейтрино, порожденными в атмосфере Земли. В силу этого приходится создавать детекторы огромных объемов глубоко под землей или под водой для подавления фона от атмосферных нейтрино. В отличие от подземных детекторов, глубоко под водой возможно создание нейтринных детекторов гигантских размеров.
Глубоководные нейтринные эксперименты имеют более чем тридцатилетнюю историю. Первый в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ-200 [1], расположенный на озере Байкал, функционирует с апреля 1998 года. Одной из основных задач глубоководных нейтринных телескопов является детектирование высокоэнергичных адронных и электромагнитных ливней от продуктов взаимодействия нейтрино высокой энергии с веществом. Из-за большой энергии ливней становится возможным их детектирование на больших расстояниях от точки образования ливней. Это приводит к существенному увеличению чувствительного объема детекторов.
Именно для увеличения эффективного объема телескопа для нейтрино высоких энергий предпринята попытка расширения телескопа до масштаба 107 т. Модернизация осуществлена за счет добавления к существующему телескопу НТ-200 трех внешних гирлянд. Модернизованный телескоп получил название НТ-200+ [2], его общая схема приведена на рис. 1. Каждая внешняя гирлянда НТ-200+ расположена в ~100 м от центральной части телескопа НТ-200, конструкция которого остается неизменной. Для синхронизации во времени внешних гирлянд с телескопом НТ-200 была создана калибровочная система, основанная на использовании наносекундных источников света повышенной мощности, разработанных для этой системы на основе ультраярких светодиодов.
Калибровочная система НТ-200+ состоит из существующей лазерной системы НТ-200 [3] и системы на основе светодиодов [4], специально разработанной для телескопа НТ-200+. Лазерная система содержит два лазерных модуля на основе азотных лазеров и лазеров на красителях, закрепленных в верхней и нижней частях центральной гирлянды телескопа. Нижний лазерный модуль излучает световые импульсы прямо в воду, верхний лазер через систему оптоволоконных кабелей засвечивает каждый оптический канал телескопа НТ-200.
Из-за технической сложности, малого срока службы и неудобства применения лазеров все более перспективными становятся источники на основе ультраярких светодиодов, у которых число фотонов в одном импульсе может достигать величины ~ 1010—1012 при наносекундной длительности [5, 6].
Рис. 1. Глубоководный нейтринный телескоп НТ-200+. • — оптические и электронные модули; • — модули наносекундных световых импульсов светодиодной калибровочной системы; Т — триггерный модуль светодиодной калибровочной системы.
Основная идея новой калибровочной системы заключается в использовании светодиодных источников света на каждой внешней гирлянде и на одной из периферийных гирлянд телескопа
НТ-200 (рис. 2). Все источники света запускаются из одного триггерного модуля, расположенного на кабель-тросе одной из внешних гирлянд НТ-200+. Триггерный импульс из этого модуля посылается по коаксиальным кабелям одинаковой длины к источникам света внешних гирлянд по команде с берегового центра. В связи с конструктивными особенностями телескопа НТ-200 длины коаксиальных кабелей должны быть равными ~1200 м.
На первый взгляд, возможность синхронизации работы внешних гирлянд и телескопа НТ-200 с точностью <1 нс не выглядит столь уж очевидной. Дело в том, что время нарастания запускающего импульса при прохождении данного коаксиального кабеля (РК-50-2-11) увеличивается со скоростью 0.12 нс/м и после 1200 м кабеля время нарастания импульса составляет ~145 нс. Временной разброс между выходными (запускающими) импульсами триггерного модуля не превышает 50 пс [7].
На рис. 3а приведена схема измерений разброса времен прихода импульсов относительно сигналов генератора после прохождения коаксиального кабеля РК-50-2-11 длиной 1200 м. Сигнал с генератора Г (DG535, Stanford Research System) разветвляется и, пройдя через дискриминатор Д (LeCroy 621AL) и блок цифровой задержки ЦЗ (БЗЦ-4А), подается на вход "Старт" времяциф-рового преобразователя ВЦП (БПТ-12А1) с шириной канала 75 пс и максимальным диапазоном измеряемых интервалов времени 5 мкс.
Этот же сигнал с разветвителя, пройдя через коаксиальный кабель длиной 1200 м, поступает на дискриминатор Д2 (LeCroy 621AL), выходной сигнал которого подается на вход "Стоп" ВЦП. Блок цифровой задержки введен для того, чтобы интервалы времени между сигналами Старт и Стоп попадали в рабочий диапазон ВЦП.
K1
K2
Кз
К4
ОК,
Рис. 2. Функциональная схема калибровочной системы глубоководного нейтринного телескопа НТ-200+. Т — триггерный модуль; К1—К4 — коаксиальные кабели РК-50-2-11 длиной 1200 м каждый; ИС^—ИС^ — источники световых импульсов на внешних гирляндах, ИС4 — на одной из периферийных гирлянд телескопа НТ-200; ОК1—ОК3 — системы оптоволоконных кабелей внешних гирлянд; ОМ — оптические модули глубоководных гирлянд.
18000 г
16000
14000
^ 12000 н
о 10000 о О
4
о
5
Ч
8000 6000 4000 2000 0
(б)
¿А
300 310 320 330 340 350 360 370 380
Время, каналы ВЦП
Рис. 3. а — схема измерений разброса времен прихода импульсов генератора после прохождения коаксиального кабеля РК-50-2-11 длиной 1200 м относительно импульсов генератора (Г — генератор; Д1? Д2 — дискриминаторы; ВЦП - времяцифровой преобразователь; ЦЗ — блок цифровой задержки); б — распределение времен прихода импульсов генератора после прохождения этого кабеля относительно сигналов генератора, задержанных блоком цифровой задержки.
На рис. 3б показано измеренное распределение времен прихода импульсов после прохождения коаксиального кабеля длиной 1200 м относительно сигнала генератора, задержанного блоком цифровой задержки. Полная ширина на половине высоты (п.ш.в.п.) этого распределения составляет ~350 пс, причем основной вклад в эту величину вносит блок цифровой задержки, у которого разброс времени задержки выходных сигналов (внутренний "джиттер") составляет ~330 пс (п.ш.в.п.). Следовательно, истинный разброс времен прихода импульсов после прохождения кабеля не превышает 120 пс (п.ш.в.п.).
Измерение временного разброса между выходными импульсами триггерного модуля после прохождения коаксиальных кабелей РК-50-2-11 длиной 1200 м проводилось на стенде, блок-схема которого приведена на рис. 4а. В измерениях используются сигналы любых двух выходов триггерного модуля из четырех. Эти сигналы через коаксиальные кабели длиной 1200 м поступают на входы дискриминаторов Д и Д2, с помощью которых формируются сигналы Старт и Стоп ВЦП. Выходной сигнал дискриминатора Д2 предвари-
тельно задерживается с помощью небольшой (~40 нс) кабельной линии задержки ЛЗ. Результаты измерений приведены на рис. 4б. Разброс времен прихода импульсов друг относительно друга не превышает 150 пс (п.ш.в.п.). Этот результат одинаков для сигналов от всех комбинаций выходов триггерного модуля.
Для использования в калибровочных системах разнесенных гирлянд нами были разработаны глубоководные модули наносекундных источников света. Наносекундный источник света состоит из 5 ультраярких светодиодов NSPB500S производства Nichia Chemical, собранных в единую матрицу. Светодиоды NSPB500S являются одними из первых коммерчески доступных ультраярких синих светодиодов на основе соединений InGaN/GaN.
К сожалению, было обнаружено, что светоди-оды NSPB500S весьма сильно различаются по кинетике свечения в зависимости от времени их производства [8]. Так, светодиоды этой марки, приобретенные нами до 2000 г., отличаются очень быстрой кинетикой свечения без медленных компонент. К обозначениям этих светодиодов мы добавили расширение old — NSPB500S(old). Все
(а)
300001-
(б)
25000
« 20000-и
н
8 15000 -
о ч
о
^ 10000 -
5000 -
0
500 510 520 530 540 550 560 570 580
Время, каналы ВЦП
Рис. 4. а — функциональная схема измерений временного разброса между выходными импульсами триггерного модуля после прохождения коаксиальных кабелей РК-50-2-11 длиной 1200 м (1—4 — выходы триггерного модуля, ЛЗ — линия задержки); б — распределение времен прихода импульсов друг относительно друга после прохождения коаксиальных кабелей РК-50-2-11 длиной 1200 м каждый.
светодиоды этой марки, приобретенные после 2000 года, имеют уже существенно медленную кинетику свечения, практически исключающую возможность их использования во временных калибровочных системах. Эти светодиоды обозначаются NSPB500S(new).
Каждый светодиод матрицы имеет свой собст
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.