Каскадные ливни в черенковском водном детекторе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат наук Хохлов, Семён Сергеевич

• Хохлов, Семён Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Хохлов, Семён Сергеевич

Содержание

Введение

Глава 1. Экспериментальный комплекс и серия измерений

1.1. Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР

1.1.1. Черенковский водный детектор НЕВОД

1.1.2. Система калибровочных телескопов

1.1.3. Координатно-трековый детектор ДЕКОР

1.2. Экспериментальная серия и типы выделяемых событий

1.2.1. Конфигурации установок и триггерной системы

1.2.2. Окологоризонтальные мюоны - события "ОпеТгаск"

1.2.3. Телескопные события, отбор для калибровки

1.2.4. События с большой засветкой

1.3. Калибровка ФЭУ ЧВД

1.3.1. Коэффициент относительной чувствительности

1.3.2. Коэффициент сшивки диапазонов 12-го и 9-го динодов ФЭУ

Глава 2. Каскадная кривая в черенковском водном детекторе

2.1. Математическая модель черенковского водного детектора НЕВОД

2.1.1. Геометрия детектора и оптические свойства воды

2.1.2. Моделирование отклика детектора

2.1.3. Проверка математической модели

2.2. Восстановление параметров ливня

2.2.1. Метод восстановления каскадной кривой

2.2.2. Восстановление параметров ливней с фиксированными энергиями

2.2.3. Восстановление энергетического спектра каскадных ливней

Глава 3. Энергетический спектр каскадных ливней,

генерируемых в воде окологоризонтальными мюонами

3.1. Экспериментальные каскадные кривые в воде

3.2. Дифференциальный энергетический спектр каскадных ливней

3.3. Оценка параметров энергетических спектров атмосферных

пионов и мюонов

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Каскадные ливни в черенковском водном детекторе»

Введение

Изучение энергетического спектра первичных космических лучей (ПКЛ) является одной из фундаментальных задач современной науки. Знание точного вида спектра позволит решить целый ряд космологических и ядерно-физических проблем. Однако из-за быстрого степенного спада спектра прямые измерения энергий частиц выше 1015 эВ на спутниках в околоземном пространстве или на баллонах в атмосфере становятся проблематичными. Поэтому исследование спектра космических лучей проводят по вторичным компонентам, рожденным при взаимодействии ПКЛ с атмосферой Земли. Мюонная компонента является одной из наиболее информативных, поскольку образуется в результате распадов заряженных %- и К-мезонов, количество и энергия которых сильно зависят от массового и энергетического составов ПКЛ. Измерение энергетического спектра мюонов является актуальной и научно значимой задачей, так как дает возможность изучать как характеристики потока ПКЛ, так и характеристики адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий ПКЛ с ядрами атомов атмосферы, особенно в области сверх-ускорительных энергий, где предсказывается появление новых частиц или состояний материи.

Свойства мюонов как частиц (отсутствие сильного взаимодействия, относительно большое время жизни, большая, по сравнению с электроном, масса) во многом определяют возможности различных методов их спектрометрии [1]. Так, в отличие от электронов или адронов, вследствие большой проникающей способности мюонов высоких энергий, практически нереально использовать для таких измерений спектрометры полного поглощения, толщина подобных установок должна составлять многие сотни метров стали. С другой стороны, большая величина пробега мюонов открывает дополнительные возможности применения методов, основанных на регистрации взаимодействий мюонов в толстых слоях вещества.

Весьма распространенным методом спектрометрии заряженных частиц является измерение их отклонения при движении в магнитном поле. Для измерения импульса высокоэнергичных мюонов обычно применяются спектрометры из намагниченной стали, что, во-первых, позволяет создать достаточно однородное и сильное (В 1,5-2 Тл) поле в большом объеме,

и, во-вторых, идентифицировать мюоны, так как другие частицы (электроны и адроны) поглощаются в веществе магнита. Точность измерения импульса в таких спектрометрах ограничивается влиянием многократного рассеяния.

Измерения при помощи магнитных спектрометров позволили получить наиболее надежные данные по энергетическому спектру мюонов космических лучей в области 102 - 103 ГэВ. Однако измерение данным методом спектра мюонов в области более высоких энергий потребует многократного увеличения размеров, времени экспозиции, а вместе с тем и стоимости установок. В связи с этим прямое измерение энергий мюонов в ТэВ-ной области не представляется возможным.

Для спектрометрии мюонов сверхвысоких энергий используют косвенные методы. Вместо спектра мюонов можно измерять спектр энергий, переданных в результате взаимодействий мюонов (тормозное излучение, прямое рождение электрон-позитронных пар и неупругое ядерное рассеяние) в каскадные ливни.

Весьма целесообразным является использование для этих целей черенковских водных (ледных) детекторов (ЧВД), представляющих собой большие водные объемы (естественного или искусственного происхождения), в которых размещены оптические датчики в виде регулярной структуры, которая может быть как поверхностной, когда фотоприемники размещаются по внутренней поверхности просматриваемого объема (периферийная система), так и пространственной, когда датчики располагаются равномерно по детектирующему объему. В первом случае характерный размер детектора ограничен величиной длины ослабления света в воде. Во втором случае принципиального ограничения размеров детектора нет, однако длина поглощения света определяет шаг используемой пространственной решетки.

Черенковские водные детекторы IceCube [2], ANTARES [3] и БНТ-200+ [4] имеют объемные структуру. Черенковский водный детектор Super-KAMIOKANDE [5] является периферийным.

Детектор IceCube развернут во льдах Антарктиды в месте расположения географического Южного полюса Земли на глубине от 1450 до 2450 метров. Детектор состоит из 80 гирлянд, в состав которых входят

60 цифровых оптических модулей, расположенных на расстоянии 17 м друг от друга. Гирлянды образуют равносторонние треугольники с длиной ребра 125 м. Детектирующий объем установки составляет около 1 км3.

Детектор ANTARES расположен в Средиземном море в 40 км от французского города Тулон на глубине 2.4 км. В состав детектора входят 12 гирлянд. Каждая гирлянда состоит из 25 ярусов оптических датчиков, расположенных на расстоянии 14 м друг от друга. Расстояние между гирляндами 60 м.

Эксперимент НТ-200+ проводится в озере Байкал на глубине 1100 м. Детектор состоит из 8 гирлянд центральной части и 3 внешних гирлянд. Каждая гирлянда состоит из 12 ярусов оптических детекторов, расположенных на расстоянии 6,25 м друг от друга. Гирлянды центральной части располагаются в вершинах правильного семиугольника с одной гирляндой в центре. Длина ребра семиугольника 18,6 м, расстояние от центра до вершин 21,5 м. Внешние гирлянды удалены от центральной на расстояние 100 м.

Размер ячеек пространственных решеток описанных детекторов превышает радиационную длину в воде в десятки раз в вертикальном и в сотни раз в горизонтальном направлениях, что препятствует детальному изучению развития ливня. Вследствие этого при восстановлении энергии, переданной в каскад, ливень рассматривается в точечном приближении (IceCube [6], ANTARES [7], БНТ200+ [8]), что увеличивает погрешность измеряемого спектра.

Черенковский водный детектор Super-Kamiokande расположен внутри горы Камиока в Японии на глубине 1000 м. Детектор представляет водный резервуар цилиндрической формы высотой 42 м и диаметром 39,3 м. По боковой поверхности, верхней и нижней плоскостям резервуара размещены фотоумножители с шагом 0,7 м. Малый шаг решетки способствует изучению процессов развития каскадных ливней [9], однако черенковские фотоны преодолевают расстояния в десятки метров от точек излучения до фотоумножителей, что увеличивает влияние процессов рассеяния и геометрической расходимости света в воде, увеличивая ошибки при реконструкции формы и энергии каскада. К тому же динамический диапазон

фотоумножителей установки находится в пределах 1 - 300 ф.э. [5], что препятствует изучению каскадов высоких энергий.

Прямое измерение каскадной кривой можно осуществить в ЧВД с плотной пространственной решеткой оптических модулей;, такой эксперимент является актуальным для решения задачи корректного восстановления энергетического спектра. Особый интерес представляют измерения каскадных ливней от горизонтального потока космических лучей в ЧВД, расположенном на поверхности Земли, так как из-за свойств атмосферы при увеличении зенитного угла средняя энергия потока мюонов быстро растет и достигает величин ~ 100 ГэВ вблизи горизонта, а значительная часть частиц имеют ТэВ-ные энергии. Черенковский водный детектор НЕВОД [10], расположенный на территории НИЯУ МИФИ, является единственной в мире установкой, на которой можно выполнить подобные эксперименты.

Цель работы:

Разработка методов измерения энергии каскадных ливней и восстановления каскадной кривой в черенковском водном детекторе, и оценка на основе данных по каскадным ливням энергетического спектра мюонов космических лучей.

Научная новизна:

Впервые разработан и реализован метод восстановления каскадной кривой по черенковскому излучению в водном детекторе с плотной объемной решеткой регистрирующих модулей

Впервые экспериментально получены каскадные кривые ливней в воде, восстановленные по черенковскому свету.

Впервые получен экспериментальный спектр каскадных ливней, генерируемых окологоризонтальными мюонами в черенковском водном детекторе.

Практическая значимость:

Разработанные методы могут быть использованы при измерении энерговыделений различных типов событий, регистрируемых как

экспериментальным комплексом НЕВОД-ДЕКОР, так и другими экспериментальными установками подобного класса. Поскольку энергию каскадных ливней в существующих ЧВД определяют в точечном приближении, результаты исследования формы каскадных кривых в широком диапазоне энергий и их связи с переданной в каскад энергией будут использованы при верификации и коррекции методов определения энергии каскадов в глубоководных/подледных черенковских нейтринных телескопах.

Личный вклад автора:

Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании новой регистрирующей системы черенковского водного детектора НЕВОД, в создании стендов технологической линии по сборке элементов детектора и разработке программного обеспечения для них, а также в подготовке и проведении длительного эксперимента (2011-2013 гг.). Автором написан комплекс программ первичной обработки данных ЧВД НЕВОД (анализа работоспособности установки и оценки калибровочных коэффициентов ФЭУ) и программа отбора событий с каскадными ливнями.

Автор внес определяющий вклад в разработку метода восстановления каскадной кривой по черенковскому свету и в проведение расчетов ожидаемого спектра каскадных ливней. В результате автором лично были получены формы каскадных кривых в воде, данные по экспериментальному спектру каскадных ливней, генерируемых окологоризонтальными мюонами, и параметры дифференциальных энергетических спектров атмосферных пионов и мюонов, а также подготовлены основные публикации по результатам работы.

Автор защищает:

1. Метод калибровки фотоумножителей по черенковскому излучению одиночных мюонов, проходящих на различных расстояниях под разными углами в воде.

2. Математическую модель черенковского водного детектора НЕВОД, разработанную в программном пакете Оеап14, и результаты ее проверки.

3. Метод восстановления каскадной кривой и энергии ливня в черенковском водном детекторе с плотной решеткой регистрирующих модулей.

4. Экспериментальные каскадные кривые, измеренные в черенковском свете в воде.

5. Результаты анализа экспериментального спектра каскадов в ЧВД НЕВОД и параметров спектра мюонов при больших зенитных углах.

Апробация работы и публикации:

Результаты работы были представлены на российских и международных конференциях: Научной сессии НИЯУ МИФИ (2009, 2010, 2012), Баксанской молодежной школе экспериментальной и теоретической физики (2009), Молодежной школе-семинаре ФИАН (2009), Черенковских чтениях (2010, 2012, 2013), Всероссийской конференции по космическим лучам (BKKJ1 2008, 2010, 2012), Европейском симпозиуме по космическим лучам (ECRS 2010, 2012), Международной конференции по космическим лучам (ICRC 2009, 2011), опубликованы в их трудах, а также в 8 статьях в рецензируемых научных журналах (7 из них в журналах из перечней Web of Science или Scopus):

1. С.С. Хохлов, И.А.Воробьев, В.Г. Гулый, И.С.Карцев, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, М.А. Королев, A.A. Петрухин, В.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Новая регистрирующая система черенковского водного детектора НЕВОД", Краткие сообщения по физике, № 4, 49-51 (2010). (Журнал входит в перечень Web of Science).

2. С.С. Хохлов, М.Б. Амельчаков, В.В. Ашихмин, И.А. Воробьев, Е.А. Задеба, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, A.A. Петрухин, M.G. Соколов, И.А. Шульженко, В.В. Шутенко, И.И. Яшин,. "Мюонная калибровка черенковского водного детектора НЕВОД". Известия РАН. Серия физическая, 75, № 3, 460-462 (2011). (Журнал входит в перечень Scopus).

3. S.S. Khokhlov, M.B. Amelchakov, V.V. Ashikhmin, I.A. Vorobiev, V.G. Gulyi, E.A. Zadeba, l.S. Kartsev, V.V. Kindin, K.G. Kompaniets, M.A. Korolev, A.A. Petrukhin, I.A. Shulzhenko, V.V. Shutenko, I.I. Yashin, "New measuring system of multipurpose Cherenkov water detector

NEVOD", Astrophysics and Space Sciences Transactions (ASTRA), 7, 271-273 (2011). (Журнал входит в перечень Scopus).

4. Е.А. Задеба, В.В. Ашихмин, А.Н. Дмитриева, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, А.А. Петрухин, С.С. Хохлов, В.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Нейтринный водный детектор НЕВОД на поверхности Земли", Ядерная физика и инжиниринг, 2, № 6, 483-493 (2011).

5. S.S. Khokhlov, A.V. Borshevsky, D.V. Chernov, A.N. Dmitrieva, L.I. Dushkin, V.V. Kindin, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko, I.I. Yashin, E.A. Zadeba, "Measurements of the energy spectrum of cascade showers initiated by muons in the Cherenkov water calorimeter NEVOD", J. Phys.: Conf. Ser., 409, 012134 (2013). (Журнал входит в перечни Web of Science и Scopus).

6. E.A. Kovylyaeva, S.S. Khokhlov, V.A. Khomyakov, R.P. Kokoulin,

A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko, I.I. Yashin, "Reconstruction of single muon tracks in Cherenkov water detector NEVOD", J. Phys.: Conf. Ser., 409, 012132 (2013). (Журнал входит в перечни Web of Science и Scopus).

7. О. Saavedra, M.B. Amelchakov, N.S. Barbashina, A.G. Bogdanov,

D.V. Chernov, A. Chiavassa, L.I. Dushkin, S.S. Khokhlov, V.A. Khomyakov, V.V. Kindin, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, G. Mannocchi, S.Yu. Matveev, A.A. Petrukhin, V.V. Shestakov, I.A. Shulzhenko, V.V. Shutenko, G. Trinchero, I.I. Yashin, and

E.A. Zadeba. "NEVOD-DECOR experiment: results and future", J. Phys.: Conf. Ser., 409, 012009 (2013). (Журнал входит в перечни Web of Science и Scopus).

8. С.С. Хохлов, Н.С. Барбашина, А.Г. Богданов, А.Н. Дмитриева, Л.И. Душкин, Е.А. Задеба, В.В. Киндин, Е.А. Ковыляева, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, В.В. Овчинников, А.А. Петрухин,

B.А. Хомяков, Д.В. Чернов, В.В. Шутенко, И.И. Яшин. "Энергетический спектр каскадных ливней, генерируемых в воде окологоризонтальными мюонами", Известия РАН. Серия физическая, 77, № 5, 707-709 (2013). (Журнал входит в перечень Scopus).

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации: 132 стр., 96 рис., 11 табл., 59 наименований цитируемой литературы.

В первой главе приводится описание экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР, измерительной серии и основных типов регистрируемых событий. Обсуждаются методы калибровки ФЭУ ЧВД НЕВОД.

Во второй главе дано описание и результаты проверки математической модели черенковского водного детектора. Приводится описание метода восстановления каскадной кривой по черенковскому свету, результаты реконструкции моделированных каскадных ливней в ЧВД, а также моделированные средние каскадные кривые в воде.

В третьей главе описывается отбор экспериментальных событий с каскадными ливнями, приводится экспериментальный спектр каскадных ливней, экспериментальные средние каскадные кривые в воде, а также оценки параметров спектров атмосферных пионов и мюонов и их сравнение с результатами мировых экспериментов.

В заключении диссертации перечислены основные результаты работы.

Глава 1. Экспериментальный комплекс и серия измерений

В данной главе приводится описание принципа работы, конфигураций и триггерных сигналов установок экспериментального комплекса: черенковского водного детектора НЕВОД, системы калибровочных телескопов (СКТ) и координатно-трекового детектора ДЕКОР. Описываются экспериментальная серия и условия отбора различных типов событий. Обсуждается способ калибровки ФЭУ по одиночным мюонам.

1.1. Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР

Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР (рисунок 1.1) располагается в специально построенном четырехэтажном здании на территории Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Комплекс создавался для регистрации всех основных компонент космических лучей на поверхности Земли.

Черенковский водный детектор НЕВОД

Система калибровочных телескопов

Координатно-трековый детектор ДЕКОР

Рисунок 1.1 Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР.

В состав комплекса входят следующие основные установки: черенковский водный детектор (ЧВД) НЕВОД объемом 2000 м3 [11], система калибровочных телескопов [12] и координатно-трековый детектор ДЕКОР [13], развернутый вокруг ЧВД.

1.1.1. Черенковский водный детектор НЕВОД

Черенковский водный детектор НЕВОД представляет собой многофункциональную экспериментальную установку с рабочим объемом 9 х 26 х 9 м3, предназначенную для изучения всех основных компонент космических лучей на поверхности Земли.

Для эффективной регистрации событий с любого направления используется детектирующая система в виде пространственной решетки с шагом 2.5 м вдоль детектора, 2 м поперек и 2 м по глубине, слои которой смещены на полшага относительно друг друга (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 Пространственная решетка черенковского водного детектора НЕВОД: 1 - квазисферические модули, 2 - сцинтилляционные калибровочные телескопы.

В узлах решетки расположены квазисферические измерительные модули (КСМ) [11]. Модули регистрируют направленное черенковское излучение, возникающее в объеме детектора при прохождении релятивистских заряженных частиц. КСМ объединены в гирлянды (кластеры) по 3-4 в каждой. 3 гирлянды по 3 КСМ или 4 гирлянды по 4 КСМ образуют плоскость. Всего в объеме детектора может быть размещено 19 плоскостей (10 больших и 9 малых, 241 КСМ). В существующей конфигурации ЧВД имеет 4 больших плоскости и 3 малых, всего в решетке 91 КСМ.

При анализе экспериментальных данных используется система координат, начало которой расположено в одном из нижних углов бассейна (см. рисунок 1.1). Для удобства нумерация плоскостей осуществлляется вдоль оси У (с 5 по 11 от начала системы координат). Координаты центров КСМ (в метрах) в этой системе определяются формулами (1.1) - (1.3) для

больших плоскостей и (1.4) - (1.6) для малых:

х= 1.5+ 2.0'(/'г-1); (1-1)

у = 1.875 + 2.5'((/пл -1)/2); (1.2)

г = 7.5-2.0'(/1КСМ-1); (1-3)

х = 2.5 + 2.0*(/> - 1); (1.4)

у = 3.125 + 2.5*(/пл/2 - 1); (1.5)

^ = 6.5 - 2.0*(лксм - 1)'. (1-6)

где />- номер гирлянды, от 1 до 4(3); у'пл - номер плоскости, у'пл = 5, 7, 9, 11 для больших и у'пл = 6, 8, 10 для малых плоскостей; /7ксм - номер КСМ в гирлянде, от 1 до 4(3), КСМ нумеруются сверху вниз.

Каждый квазисферический модуль содержит шесть ФЭУ-200 с плоским фотокатодом диаметром 15 см, ориентированных вдоль осей ортогональной системы координат (рисунок 1.3). ФЭУ в модуле нумеруются следующим образом: ФЭУ-1 направлен вдоль оси У, ФЭУ-2 вдоль оси X, ФЭУ-3 против оси У, ФЭУ-4 против оси X, ФЭУ-5 против оси Т, ФЭУ-6 вдоль оси Ъ. Фотоумножители и внутримодульная электроника располагаются в гидроизолирующем дюралюминиевом корпусе. Для защиты фотокатодов ФЭУ от давления воды используются иллюминаторы из оргстекла. Оптический контакт между фотокатодом ФЭУ и оргстеклом обеспечивается глицерином или силиконом.

Пространственная решётка из таких измерительных модулей дает возможность восстанавливать параметры излучающих треков на основании только амплитудного анализа. Благодаря измерительным модулям такой конфигурации стало возможным исследовать поток вторичных космических лучей, пересекающих рабочий объем ЧВД, в 4тт геометрии.

Рисунок 1.3 Внешний вид квазисферического модуля.

Регистрирующая система (РС) ЧВД НЕВОД имеет многоуровневую архитектуру сбора и обработки данных [14-19]. Схема РС представлена на рисунке 1.4. Модули одной гирлянды объединены в кластеры, образующие нижний уровень триггирования. РС включает внутримодульную электронику (ВЭ), блоки электроники кластеров (БЭК) и триггерную систему.

Внутримодульная электроника обеспечивает штатный режим регистрации черенковского излучения фотоумножителями ФЭУ-200 и процедуру их мониторинга. ВЭ состоит из шести плат ПХ-514П, узла питания ПНН-382 и шестиканальной светодиодной системы мониторинга [20].

Платы ПХ-514П устанавливаются на цоколи фотоумножителей и включают в себя резистивный делитель питания фотоумножителя и два зарядо-чувствительных усилителя (ЗЧУ), формирующие сигналы с 9-го и 12-го динодов для дальнейшей обработки амплитудно-цифровым

преобразователем (АЦП). ЗЧУ преобразуют короткие (30-100 не) сигналы с динодов ФЭУ в длинные сигналы специальной формы, адаптированные для АЦП. Амплитуда сигналов на выходе ЗЧУ пропорциональна заряду на диноде. Временные параметры сформированных сигналов не зависят от амплитуды и имеют следующие значения: фронт 50 не, спад ~ 2 мкс. Сигналы с ЗЧУ имеют пологую вершину, в пределах длительности которой открывается строб АЦП длиной в 25 не.

Рисунок 1.4 Регистрирующая система ЧВД НЕВОД.

Использование двухдинодного съема сигналов с ФЭУ обеспечивает динамический диапазон регистрируемых сигналов от 1 до 105 фотоэлектронов (ф.э.). При этом спектрометрический тракт 12-го динода дает возможность измерять сигналы в диапазоне 1 - 1000 ф.э., а тракт 9-го динода в диапазоне 102-105 ф.э. Пересечение диапазонов (102-103 ф.э.) используется для сшивки сигналов с 12-го и 9-го динодов каждого ФЭУ. Большой динамический диапазон и плотная решетка КСМ позволяют ЧВД работать в режиме калориметра.

Для контроля характеристик спектрометрического тракта ФЭУ—>ЗЧУ—>АЦП в ВЭ КСМ предусмотрена система мониторинга на базе шестиканального контроллера LS6CH, управляющего работой шести драйверов подсветки светоизлучающих диодов (СИД) KingBright L-7113NBC с длиной волны излучения 470 нм. Каждый драйвер обеспечивает засветку фотокатода одного ФЭУ короткими (FWHM ~7 не) вспышками СИД. Управление контроллером осуществляется по командам БЭК по шине l2C.

Мониторинг PC проводится периодически в течение экспериментальной серии. В автоматическом режиме набираются амплитудные спектры сигналов с ФЭУ при стандартной засветке вспышками светодиодов. По характеристикам спектров каждого ФЭУ опеределяются величины коэффициентов преобразования спектрометрических трактов 12-го и 9-го динодов, их отношение и стабильность. Питание ФЭУ и всех плат ВЭ обеспечивается узлом ПНН-382П на основе преобразователей DC/DC, которые конвертируют напряжение +12 В в номиналы +2000 В и ±12 В.

Все сигналы от одного КСМ передаются в БЭК с помощью двух подводных кабелей. БЭК располагаются в герметичных корпусах, закрепленных под крышкой бассейна выше уровня воды [21].

Каждый блок электроники кластера объединяет до четырех КСМ, обрабатывает аналоговые сигналы с модулей, обеспечивает мониторинг спектрометрических каналов и обмен данными с системами верхнего уровня. БЭК содержит четыре модуля амплитудного анализа МАА-01П, процессорную плату WAFER-C400E2VN-RS, модуль сопряжения с датчиком температуры и модуль питания.

Модули амплитудного анализа производят оцифровку аналоговых сигналов шести ФЭУ с помощью 12-разрядных АЦП, со стробом 25 не и

временем преобразования 2 мкс. МАА также содержат дискриминаторы с программно управляемым порогом, который может принимать значение от О до 6,375 ф.э. с шагом 0.025 ф.э. Управляющим элементом МАА является программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). ПЛИС обеспечивает взаимодействие между узлами платы, производит блокировку спектрометрических каналов с помощью программно-управляемых ключей и осуществляет обмен данными с процессорной платой БЭК.

Важная функция ПЛИС - измерение шумов ФЭУ с помощью 16-разрядных счетчиков и выработка триггерных сигналов трех типов для каждого КСМ: "a" (any) - логическое "ИЛИ" шести сигналов с 12-ых динодов ФЭУ; "b" (bottom) - сигнал от ФЭУ №5, фотокатод которого направлен вниз; "с" (coincidence) - совпадение сигналов от любых двух ФЭУ, кроме противоположно направленных, в пределах временного окна 150 не.

Платы МАА имеют два основных режима работы: режим мониторинга и режим экспозиции. Режим мониторинга предназначен для проверки корректности работы измерительных каналов внутримодульной электроники PC. Режим экспозиции предназначен для регистрации физических событий (ФЭУ детектируют черенковское излучения от заряженных частиц, пересекающих рабочий объем детектора). В режиме экспозиции при превышении сигналом с ФЭУ порога дискриминатора вырабатывается логический сигнал, который передается на блок выработки триггерных сигналов и счетчик шумов в ПЛИС. По логическому сигналу дискриминатора производится оцифровка сигналов с ФЭУ. На время преобразования вход АЦП закрывается и перестает быть чувствительным к сигналам с ФЭУ. По этому же сигналу через программно задаваемый промежуток времени То открываются ворота ожидания сигнала «Хранение» от триггерной системы детектора. Если сигнал «Хранение» получен и попадает во временные ворота 250 не, производится фиксация данных в регистрах сработавших каналов, чтение данных с АЦП и их передача на центральную ЭВМ. Если сигнал «Хранение» отсутствует или не попадает во временные ворота, АЦП после окончания преобразования переводится в исходное состояние ожидания события.

Все четыре модуля амплитудного анализа по шине РС/104 соединяются с процессорной платой WAFER-C400E2VN-RS Celeron 400

МГц. Плата осуществляет контроль режимов измерения, производит считывание данных с модулей амплитудного анализа и обеспечивает их передачу через Ethernet на центральную ЭВМ. ПЛИС МАА вырабатывают триггерные сигналы в стандарте TTL, который не предусматривает передачу данных по длинной линии. Для преобразования сигналов в стандарт RS422 в БЭК предусмотрен модуль сопряжения.

Таким образом, блок электроники кластера связан с внешними системами кабелем питания, кабелем Ethernet для обмена данными с центральной ЭВМ, кабелем передачи сигналов "а","Ь","с" в триггерную систему через блоки приемников и получения сигнала "Хранение".

1.1.2. Система калибровочных телескопов

Для калибровки спектрометрических трактов ЧВД во время длительных экспериментальных серий, а также для проверки различных методов реконструкции параметров треков одиночных частиц, используется система калибровочных телескопов [22]. Система состоит из 80 сцинтилляционных детекторов. Сорок детекторов расположены на крышке и сорок на дне водного резервуара (верхняя и нижняя плоскости). Любая пара детекторов из верхней и нижней плоскостей образует мюонный телескоп. Телескопы выделяют одиночные мюоны в диапазоне зенитных углов от 0° до 45°.

Оси вертикальных телескопов располагаются между гирляндами КСМ на расстоянии 1 м вдоль оси X и 1,25 м вдоль оси У (рисунок 1.5). Такие телескопы позволяют выделять треки вертикальных мюонов с точностью -2° и пороговой энергией 2 ГэВ [23,24,25].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хохлов, Семён Сергеевич, 2013 год

Список литературы

1. Р.П.Кокоулин, "Спектрометрия мюонов высоких энергий". Труды 1-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики. Неускорительная физика высоких энергий, Нальчик, КБГУ, 2000, 96-108.

2. Р. Berghaus et al., "IceCube: Status and First Results", Nucl. Phys. В Proc. Suppl., 190, 127-132 (2009).

3. E. Aslanides et al., "A Deep Sea Telescope for High Energy Neutrinos", ANTARES proposal, astro-ph\9907432 (1999).

4. A. Avrorin et al., "Status of the BAIKAL neutrino experiment", Proc. 31th ICRC, Lodz, electronic form (2009).

5. S. Fukuda et al., "The Super-Kamiokande detector", Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 501, 418-462 (2003).

6. E. Middell, J. McCartin and M. D'Agostino, "Improved Reconstruction of Cascade-like Events in IceCube", Proc. 31th ICRC, Lodz, electronic form (2009).

7. S. Mangano, "Algorithm for muon electromagnetic shower reconstruction", Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 588, 107-110 (2008).

8. O. Streicher, "Muon energy determination with the Baikal neutrino telescope NT-96", Proc. 26th ICRC, Salt Lake City, 2, 192-195 (1999).

9. S. Desai et al., "Study of TeV neutrinos with upward showering muons in Super-Kamiokande", Astropart. Phys., 29, 42-54 (2008).

10. V.M. Aynutdinov, V.V. Kindin, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko and I.I. Yashin, "Cherenkov neutrino telescope on the ground level", Nucl. Phys. B, 70. 489-491 (1999).

11. B.M. Айнутдинов, М.Б. Амельчаков, H.C. Барбашина, B.B. Киндин, К.Г. Компанией, A.A. Петрухин, Д.А. Роом, В.В. Шутенко, Э.Е. Янсон, И.И. Яшин, "НЕВОД - многоцелевой нейтринный детектор на поверхности Земли", Инженерная физика, № 4, 71-80 (2000).

12. И.А. Шульженко, "Новая система калибровки ЧВД НЕВОД", Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, 2010, Т. 2, 249-257.

13. Н.С. Барбашина, А.А. Езубченко, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, А.А. Коновалов, А.А. Петрухин, Д.В. Чернов, В.В. Шутенко, Э.Е. Янсон, "Координатный детектор для исследования горизонтального потока космических лучей", Приборы и техника эксперимента, № 6, 20-24 (2000).

14. С.С. Хохлов, В.Г. Гулый, И.С. Карцев, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, М.А. Королев, А.А. Петрухин, В.Н. Распутный, В.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Новый измерительный комплекс ЧВД НЕВОД", Сборник докладов 30-й ВККЛ (электронная форма) (2008).

15. В.В. Киндин, В.Г. Гулый, К.Г. Компаниец, М.А. Королев, О.В. Красько, А.А. Петрухин, С.С. Хохлов, В.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Новая регистрирующая система черенковского водного детектора НЕВОД", Научная сессия МИФИ-2009, М., МИФИ, Сб. научных трудов, 2009, Т.4, 97-100.

16. S.Yu. Matveev, V.G. Gulyi, I.S. Kartsev, S.S. Khokhlov, V.V. Kindin, K.G. Kompaniets, M.A. Korolev, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko, I.I. Yashin, "The new detecting system of Cherenkov water calorimeter NEVOD", Proc. 31st ICRC, Lodz, electronic form (2009).

17. C.C. Хохлов, "Новая регистрирующая система черенковского водного детектора НЕВОД", Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, 2010, Т. 2, 229236.

18. С.С. Хохлов, И.А.Воробьев, В. Г. Гулый, И.С.Карцев, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, М.А. Королев, А.А. Петрухин, В.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Новая регистрирующая система черенковского водного детектора НЕВОД", Краткие сообщения по физике, №4, 4951 (2010).

19. S.S. Khokhlov, M.В. Amelchakov, V.V. Ashikhmin, I.A. Vorobiev, V.G. Gulyi, E.A. Zadeba, I.S. Kartsev, V.V. Kindin, K.G. Kompaniets, M.A. Korolev, A.A. Petrukhin, I.A. Shulzhenko, V.V. Shutenko, I.I. Yashin, "New measuring system of multipurpose Cherenkov water detector NEVOD", Astrophysics and Space Sciences Transactions (ASTRA), 7, 271-273 (2011).

20. B.B. Ашихмин, "Исследование характеристик квазисферического измерительного модуля черенковского водного детектора НЕВОД", Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, 2010, Т. 2, 237-244.

21. С.С. Хохлов, М.Б. Амельчаков, В.В. Ашихмин, Н.С. Барбашина, И.А. Воробьев, Л.И. Душкин, Е.А. Задеба, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, A.A. Петрухин, И.А. Шульженко, В.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Статус черенковского водного детектора НЕВОД", Труды научной сессии НИЯУ МИФИ 2010, Т. 4, 12-16 (2010).

22. С.С. Хохлов, М.Б. Амельчаков, В.В. Ашихмин, И.А. Воробьев, Е.А. Задеба, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, A.A. Петрухин, М.С. Соколов, И.А. Шульженко, В.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Мюонная калибровка черенковского водного детектора НЕВОД". Известия РАН. Серия физическая, 75, №3, 460-462 (2011).

23. С.С. Хохлов, М.Б. Амельчаков, В.В. Ашихмин, Н.С. Барбашина, А.Г. Богданов, И.А. Воробьев, Д.М. Громушкин, В.Г. Гулый, А.Н. Дмитриева, Е.А. Задеба, И.С. Карцев, В.В. Киндин, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, М.А. Королев, Дж. Маннокки, С.Ю. Матвеев, A.A. Петрухин, О. Сааведра, Д.А. Тимашков, Дж. Тринкеро, Д.В. Чернов, И.А. Шульженко, В.В. Шутенко, Е.И. Яковлева, И.И. Яшин, "Современный статус черенковского водного детектора НЕВОД", Труды III Черенковских чтений: Новые методы в экспериментальной ядерной физике и физике частиц. М., ФИАН, 2010, 30-39.

24. И.А. Шульженко, М.Б. Амельчаков, В.В. Киндин, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, A.A. Петрухин, С.С. Хохлов, В.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Ливневая установка на базе сцинтилляционных калибровочных телескопов экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР", Сб. трудов V Всероссийской молодежной конференции «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики», ФИАН, 2011, 101.

25. I.I. Yashin, M.B. Amelchakov, V.V. Ashikhmin, N.S. Barbashina, A.G. Bogdanov, D.V. Chernov, A.N. Dmitrieva, L.I. Dushkin, D.M. Gromushkin, S.S. Khokhlov, V.V. Kindin, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, G. Mannocchi, S.Yu. Matveev, V.V. Ovchinnikov, A.A. Petrukhin, O. Saavedra, I.A. Shulzhenko, V.V. Shutenko, G. Trinchero, I.A. Vorobiev, E.A. Zadeba, "Status of the NEVOD-DECOR experiment", Proc. 32nd ICRC, Beijing, China, ID 0322 (2011).

26. E.A. Задеба, В.В. Ашихмин, А.Н. Дмитриева, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, А.А. Петрухин, С.С. Хохлов, В.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Нейтринный водный детектор НЕВОД на поверхности Земли", Ядерная физика и инжиниринг, 2, № 6, 483-493 (2011).

27. Е.А. Задеба, "Триггерная система ЧВД НЕВОД". Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, 2010, Т. 2, 245-248.

28. G. Battistoni et al.,"The Nusex Detector", Nucl. Instrum. Meth., A245, 277290 (1986).

29. H.H. Вонсовский, К.Г. Компаниец, Ю.Н. Родин, В.В. Шутенко, "Многофункциональный контроллер для сбора данных со стримерных камер координатного детектора", Приборы и техника эксперимента, № 2. 58-62 (2000).

30. К.Г. Компаниец, "Триггерная система координатного детектора ДЕКОР", Сб. научн. трудов 2-й Всероссийской конференции «ФЭЧАЯ», 58-59 (2001).

31. D.M. Gromushkin, V.V. Alekseenko, А.А. Petrukhin, О.В. Shchegolev, Yu.V. Stenkinz, V.I. Stepanov, V.I. Volchenko, I.I. Yashin, "The ProtoPRISMA array for EAS study: first results", J. Phys.: Conf. Ser., 409, 012044 (2013).

32. Фотоумножитель ФЭУ-200. Паспорт. САГР.433244.032 ПС.

33. E.A. Kovylyaeva, S.S. Khokhlov, V.A. Khomyakov, R.P. Kokoulin, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko, I.I. Yashin, "Reconstruction of single muon tracks in Cherenkov water detector NEVOD", J. Phys.: Conf. Ser., 409, 012132 (2013).

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

Б. Росси, "Частицы больших энергий". М., ГИТТЛ, 1955.

S. Agostinelli et al., "Geant4 - a simulation toolkit", Nucl. Instrum. Meth., A506, 250-303 (2003).

J. Allison et al., "The Geant4 Visualisation System", Computer Physics Communications, 178, 331-365 (2008).

A. Исимару, "Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах", Т. 1, М., Мир, 1981.

L.G. Henyey, J.L. Greenshtein, "Diffuse radiation in the Galaxy", Astr. Journ, 93, 70-83 (1941).

M.A. Лобанова, A.B. Васильев, И.Н. Мельникова, "Зависимость параметра асимметрии индикатрисы рассеяния от характеристик среды", Современные методы зондирования Земли из космоса, 7, №4. 147-157 (2010).

И.М. Соболь, "Численные методы Монте-Карло", М., Наука, 1973.

М.Б. Амельчаков, В.В, Шутенко, И.И. Яшин, "Сравнительное изучение спектрометрических и временных характеристик ФЭУ-189, ФЭУ-200 и ФЭУ-49Б". Препринт 006-2004, М„ МИФИ, 2004.

М.Б. Амельчаков, А.В. Боженок, Н.А. Крылова, Е.Э. Пята,

B.В. Шутенко, И.И. Яшин, "Автоматизированный стенд для тестирования характеристик крупногабаритных ФЭУ", Препринт 00404. М., МИФИ. 2004.

C.Хаякава, "Физика космических лучей", Ч. 1, М., Мир, 1973.

Б. Росси, К. Грейзен. "Взаимодействие космических лучей с веществом", М., ИЛ, 1948.

С.З. Беленький, "Лавинные процессы в космических лучах", М., Гостехиздат, 1948.

С.З. Беленький, И.И. Иваненко, "Каскадная теория ливней", Успехи физических наук, 69, № 4, 591-656 (1959).

S.S. Khokhlov, A.V. Borshevsky, D.V. Chernov, A.N. Dmitrieva, L.I. Dushkin, V.V. Kindin, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko, I.I. Yashin, E.A. Zadeba, "Measurements of the energy spectrum of cascade showers initiated by muons in the Cherenkov water calorimeter NEVOD", J. Phys.: Conf. Ser., 409, 012134 (2013).

48. С.С. Хохлов, Н.С. Барбашина, А.Г. Богданов, А.Н. Дмитриева, Л.И. Душкин, Е.А. Задеба, В.В. Киндин, Е.А. Ковыляева, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, В.В. Овчинников, А.А. Петрухин, В.А. Хомяков, Д.В. Чернов, В.В. Шутенко, И.И. Яшин. "Энергетический спектр каскадных ливней, генерируемых в воде окологоризонтальными мюонами", Известия РАН. Серия физическая, 77, № 5, 707-709 (2013).

49. Beringer et al., "Particle Data Group", Phys. Rev. D86, 010001 (2012).

50. B.M. Айнутдинов, В.Г. Алалыкин, И.А. Данильченко, "Способ измерения коэффициента усиления динодной системы фотоэлектронных умножителей", Препринт № 082-88, М., МИФИ, 1988.

51. R. Hooke, Т.А. Jeeves "Direct search solution of numerical and statistical problems", Journal of the Association for Computing Machinery, 8, 212-219 (1961).

52 O. Saavedra, M.B. Amelchakov, N.S. Barbashina, A.G. Bogdanov,

D.V. Chernov, A. Chiavassa, L.I. Dushkin, S.S. Khokhlov, V.A. Khomyakov, V.V. Kindin, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, G. Mannocchi, S.Yu. Matveev, A.A. Petrukhin, V.V. Shestakov, I.A. Shulzhenko, V.V. Shutenko, G. Trinchero, I.I. Yashin, and

E.A. Zadeba. "NEVOD-DECOR experiment: results and future", J. Phys.: Conf. Ser., 409, 012009 (2013).

53. Т.П. Аминева, B.A. Астафьев, А.Я. Варковицкая, Jl.В. Волкова и др., "Исследование мюонов высоких энергий. Метод рентгеноэмульсионных камер", М., Наука, 1975.

54. Л.В. Волкова, "Расчет потоков и угловых распределений атмосферных мюонов высокой энергии на уровне моря", Препр. № 72, М.: ФИАН, 1969.

55. A.G. Bogdanov, Н. Burkhardt, V.N. Ivanchenko, S.R. Kelner, R.P. Kokoulin, M. Maire, A.M. Rubin and L. Urban, "Geant4 Simulation of Production and Interaction of Muons", IEEE Transactions of nuclear science, 53, No. 2, 513-519 (2006).

56. R.P. Kokoulin, "Monte-Carlo calculation for Pair Meter", Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, 1982.

57. Д. Худсон, "Статистика для физиков", М., Мир, 1970.

58. S. Matsuno, F. Kajino, Y. Kawashima, Т. Kitamura, К. Mitsui, Y. Muraki, Y. Ohashi, A. Okada, T. Suda, Y. Minorikawa, K. Kobayakawa, Y. Kamiya, I. Nakamura, T. Takahashi, "Cosmic-ray spectrum up to 20 TeV at 89° zenith angle", Phys. Rev. D. 29, 1-23 (1984).

59. O.C. Allkofer, G. Bella, W.D. Dau, H. Jokisch, G. Klemke, Y. Oren and R. Uhr, "Cosmic ray muon spectra at sea-level up to 10 TeV ", Nucl. Phys. В., 259, 1-18 (1985).