ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 5, с. 627-631
УДК 537.591.15
ТУНКА-133: СТАТУС 2008 ГОДА И РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ДАННЫХ
© 2009 г. Н. М. Буднев2, Р. Вишневский5, О. А. Гресс2, А. В. Заблоцкий1, А. В. Загородников2, Н. Н. Калмыков1, В. А. Кожин1, Е. Е. Коростелева1, Л. А. Кузьмичёв1, Б. К. Лубсандоржиев3, Д. Наварра6, Р. Р. Миргазов2, М. И. Панасшк1, Л. В. Паньков2, В. В. Просин1, В. С. Птускин4, Ю. А. Семеней2, А. А. Силаев1, А. А. Силаев (мл.)1, А. В. Скурихин1, О. А. Чвалаев2, Б. А. Шайбонов3, К. Шпиринг5, И. В. Яшин1
Е-та11:Киг@ёес1мпр.ши.ги
В 2006 г. в Тункинской долине начались работы по созданию установки для регистрации ШАЛ по че-ренковскому свету площадью 1 км2. Новая установка позволит единым методом исследовать космические лучи в интервале энергий 1015-1018 эВ. Зимой 2007-2008 гг. установка работала в составе четырех кластеров по семь детекторов в каждом. Экспериментальные данные, полученные за 270 ч ясной погоды в безлунные ночи, показали уникальные возможности новой установки, связанные с регистрацией формы импульсов с шагом 5 нс от каждого детектора.
ВВЕДЕНИЕ
С 2006 г. в Тункинской долине на астрофизическом полигоне НИИПФ ИГУ проводятся работы по созданию установки для изучения ШАЛ по че-ренковскому свету Тунка-133 площадью 1 км2 [1, 2]. Установка такого класса позволит единым методом исследовать космические лучи в интервале энергий от 1 до 1000 ПэВ, включающем как излом в спектре при энергии 3 ПэВ, так и другие особенности спектра, возможно, связанные с переходом от галактических к внегалактическим космическим лучам, и выяснить происхождение галактических лучей сверхвысоких энергий. За один год работы (400 ч наблюдений) установка будет регистрировать более 300 событий с энергий выше 100 ПэВ с положением оси внутри геометрии установки. При использовании алгоритмов восстановления параметров ШАЛ, разработанных для установки Тун-ка-25 [3], погрешность локации оси в новой установке составит 6 м, погрешность восстановления энергии ~15%, а погрешность восстановления положения максимума развития ливня Хтах ~ 25 г ■ см2.
В ноябре 2007 г. начали работать первые 28 детекторов установки.
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.
2Научно-исследовательский институт прикладной физики
Иркутского государственного университета.
3Учреждение Российской академии наук Институт ядерных
исследований РАН, Москва.
4Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), Троицк.
5ДЭЗИ-Цойтен, Цойтен, Германия.
6Туринский университет, Италия.
1. УСТАНОВКА ТУНКА-133 -КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Установка Тунка-133 будет содержать 133 оптических детектора на базе фотоумножителей EMI 9350 (диаметр фотокатода 20 см). Детекторы сгруппированы в 19 кластеров по семь детекторов в каждом. В каждом кластере один детектор расположен в центре, а шесть - симметрично относительно центра в вершинах правильного шестиугольника со стороной 85 м. Оптический детектор состоит из металлического цилиндрического контейнера высотой 60 см и диаметром 50 см, в котором помещен ФЭУ (EMI 9350), блок электроники, содержащий источник высоковольтного питания, делитель и два предусилителя. Отношение амплитуд импульсов с выходов анодного и динодного предусилителей около 30, что обеспечивает необходимый динамический диапазон. Кроме того, в контейнере помещается блок управления детектором и быстрый светодиод со схемой запуска для целей калибровки [4]. Окно контейнера направлено в зенит и закрыто оргстеклом с подогревом для защиты от выпадения инея и росы. Металлическая крышка контейнера снабжена механизмом дистанционного управления. Вся электроника [5] и механика оптического детектора разработаны с учетом возможности работы при температурах до -40°C. Импульсы от каждого оптического детектора подаются в контейнер кластера, расположенный рядом с центральным детектором, по двум коаксиальным кабелям RG-58 длиной 100 м.
В состав блока электроники кластера входят следующие модули: четыре четырехканальные платы FADC на базе 12 разрядных АЦП AD9430, обеспечивающих частоту выбора 200 МГц, кон-
628
БУДНЕВ и др.
троллер управления оптическими детекторами и контроллер управления кластером. Каждая плата FADC преобразует аналоговые сигналы от двух оптических детекторов в цифровые коды с шагом 5 нс. Оцифрованные данные сохраняются в циклической буферной памяти объемом 1024 кода: 512 значений до момента выработки тригтера и 512 после. Кроме того, оцифрованные данные с анодных каналов через цифровой сглаживающий фильтр подаются на амплитудный анализатор и программно управляемый цифровой дискриминатор. При превышении сглаженным сигналом заданного уровня дискриминатор выдает сигнал "запрос" на триггерную систему, входящую в состав контроллера управления кластером. Спектры, набираемые анализатором, служат для контроля работы детекторов и их относительной амплитудной калибровки.
Контроллер управления кластером в случае выработки триггера считывает данные с плат FADC, данные передаются в центр сбора данных установки (ЦСД) по оптическому каналу связи. Триггерная система вырабатывает локальный триггер данного кластера при совпадении трех или более "запросов" за время 500 нс. Время выработки триггера фиксируется по внутреннему таймеру кластера с шагом 10 нс.
Контроллер управления оптическими детекторами обеспечивает связь с каждым детектором по интерфейсу RS485, а также запуск светодиодов.
Электроника ЦСД представляет собой крейт VME, в котором установлены пять четырехка-нальных приемных плат. Все пять плат жестко синхронизованы между собой одним тактовым сигналом. Каждая плата осуществляет преобразование и передачу данных между четырьмя оптическими линиями связи и интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Передача данных по оптоволокну осуществляется с использованием физического уровня интерфейса 1 Гбит Ethernet. Оптический канал связи обеспечивает как передачу данных в центр, так и синхронизацию локального таймера каждого кластера.
2. АНАЛИЗ ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ПЕРВОЙ ОЧЕРЕДИ УСТАНОВКИ ТУНКА-133
За период с ноября 2007 г. по апрель 2008 г. на установке набраны данные за 270 ч ясной погоды в безлунные ночи. Средняя частота триггера составила 0.2 Гц, число зарегистрированных событий около 200 тысяч.
Программы калибровки и восстановления параметров ливней претерпели существенные изменения, связанные с изменением размером установки, логики сбора данных, появления новой информации о форме импульсов от каждого детектора. В
результате комплекс программ восстановления параметров ливней состоит из трех основных блоков.
1. Первый блок работает с первичными данными, записанными раздельно для каждого кластера, и включает следующие этапы:
а) анализ развертки длительностью 5 мкс с шагом между точками измерения 5 нс, выделение импульса как заметного увеличения абсолютного значения амплитуды в пяти и более последовательных точках, определение нулевого уровня развертки как среднего значения на отрезке 1500 нс в начале развертки, коррекция измеренных амплитуд путем вычитания нулевой линии с учетом ее слабого смещения в течение импульса из-за трансформаторной связи на входе и выходе передающего кабеля ЯО-58;
б) фитирование откорректированных амплитуд четырехпараметрической функцией [6], определение по этой функции трех основных параметров импульса: задержки фронта на уровне 0.25 от амплитуды хь площади импульса Qi и длительности импульса на уровне 0.5 от амплитуды т1/2, ¡. Этот блок программ создан впервые для обработки данных установки Тунка-133. Отметим появление нового параметра т1/2 для каждого импульса.
2. Второй блок программ работает с файлами параметров импульсов. Этот блок объединяет данные разных кластеров, проводит временные и амплитудные калибровки и восстанавливает направление прихода ШАЛ:
а) объединение данных различных кластеров в единое событие проводится, если время выработки триггеров кластеров совпадает до 2 мкс;
б) временная калибровка состоит из восстановления плоского фронта ливня по измеренным задержкам ti раздельно по показаниям детекторов каждого кластера, строятся и анализируются распределения отклонений задержек каждого детектора относительно восстановленного плоского фронта, аппаратурные задержки каждого детектора (определяемые в основном длиной кабелей связи Яв-58) корректируются и процедура повторяется до получения средних отклонений не более 1 нс, за направление прихода ливня принимается направление, определенное по данным кластера с максимальными амплитудами импульсов;
в) для относительной амплитудной калибровки детекторов, как и раньше [3], сравниваются интегральные спектры площадей импульсов Qi и определяются корректирующие коэффициенты, делающие спектры одинаковыми для больших амплитуд, корректирующие коэффициенты записываются в калибровочный файл.
3. Третий блок программ работает с файлами параметров импульсов и калибровочными файлами.
М/фп д 008 д) 700
600
(б/фотон ■ см-2 ■ эВ-1)
500 400 300 200
| ЦЩТ^ ^ т
0 10 20 30 40 50 60
д,град
Рис. 1. Зенитно-угловое распределение ШАЛ с энергией выше 7 ПэВ.
Восстановление положения следа оси ливня на плоскости наблюдения проводится путем фитиро-вания площадей импульсов Qi априорной функцией пространственного распределения (ФПР) с варьируемыми параметрами крутизны Р и плотности на расстоянии 175 от оси Q175. Вид этой функции несколько изменен, по сравнению с применявшимся на установке Тунка-25, в связи с увеличением диапазона расстояний на установке Тун-ка-133.
Введен новый метод восстановления положения оси ливня по длительностям импульсов с использованием эмпирической функции длительность-расстояние (ФДР), полученной в результате анализа экспериментальных данных:
Т( Я ) = 11 (Т400/11)
((Я + 100) /500)
для т > 20 нс, (1)
где т400 - длительность на расстоянии 400 м от оси, т = 20 нс - минимальная длительность для канала передачи импульсов.
Глубина максимума развития ливня Хтах будет восстанавливаться для каждого события двумя независимыми методами по крутизне ФП
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.