Повышение эффективности работы установок для регистрации космических лучей аппаратными средствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Волченко, Владимир Иванович

• Волченко, Владимир Иванович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Волченко, Владимир Иванович

Введение.

Глава 1. Описание установок БНО для регистрации космических лучей.

1.1 .Установка «Ковер».

1.2.Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп.

1.3 .Установка «Андырчи».

ГЛАВА 2.Энергетические и временные измерения сцинтилляционными детекторами.

2.1.Анализ параметров сцинтилляционных детекторов.

2.2.0бщие сведения о преобразовании амплитуды в длительность.

2.3.Логарифмический RC-преобразователь с временной привязкой.

2.4.Поелеимпульсы ф.э.у.;.

2.5.Логарифмический RC- преобразователь с защитным ключом.

2.6ХС-преобразователь с временной привязкой.

2.7.Линейный преобразователь амплитуды в длительность.

2.8.Чувствительный логарифмический LC- преобразователь с линейным пропускателем.

2.9.Измерение дифференциальной нелинейности преобразователей амплитуды в длительность.

ГЛАВА 3.Селекция фоновых событий по длительности.

3.1.Введени е.

3.2.Двупороговый селектор длительности импульсов ф.э.у.

ГЛАВА 4.Система молниезащиты установки «Андырчи».

4.1.Введение.

4.2.Элементы пассивной защиты.

4.3.Активная защита.

ГЛАВА 5.Термостабилизация сцинтилляционных детекторов.

5.1.Введение.

5.2.Термостатирование больших жидкостных сцинтилляционных детекторов.

5.3.Термостабилизация одиночного детектора на основе пластического сцинтиллятора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы установок для регистрации космических лучей аппаратными средствами»

Исследования в области физики элементарных частиц и астрофизики привело к необходимости создания больших экспериментальных ядерно-физических установок, возможности которых позволяют решать широкий круг современных научных проблем. К числу таких установок следует отнести установки «Ковер», Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ) и установку «Андырчи», вместе представляющие собой научный комплекс, созданный на базе Баксанской нейтринной обсерватории ИЛИ РАН. Каждая из этих установок была построена для решения целого ряда фундаментальных задач, связанных с изучением, как ядерных процессов, так и астрофизических явлений. Установки находятся в горах Северного Кавказа в Баксанском ущелье на высоте 1700м над уровнем моря. На рис. 1 представлен условный план расположения установок.

Установка «Ковер» предназначена для исследования широких атмосферных ливней (ШАЛ), анизотропии первичных космических лучей (ПКЛ), регистрации вариаций космических лучей, связанных с атмосферными явлениями и солнечной активностью, а также для решения задач гамма-астрономии в диапазоне сверхвысоких энергий.

Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ), действующий с 1978 года, является крупнейшей подземной установкой БНО ИЛИ РАН, расположенной на глубине 850м водного эквивалента. БПСТ был создан для изучения потоков атмосферных нейтрино, приходящих из нижней полусферы Земли, регистрации нейтринного излучения, возникающего при гравитационном коллапсе массивных звезд, анизотропии космических лучей, а также для изучения свойств мюонов.

Установка «Андырчи» предназначенная для регистрации ШАЛ, работает в режиме совпадения с БПСТ, над которым она расположена. Это позволяет изучать ядерный состав первичных космических лучей (ПКЛ) с энергией > 10,4эВ, благодаря одновременному измерению электронно-фотонной компоненты и числа высокоэнергичных мюонов в ШАЛ.

40м

Uom

Г. Андырчи установка "Андырчи"

2050м над уровнем моря

3930м

БПСТ

550м

900м уаанпша "Ковер" f f.

1700м над уровнем моря

Ш Ее В 1

Г-Гг 4

ШШ* Я выносные пункты

Рис.1. План расположения установок БПС, «Андырчи» и «Ковер».

Помимо этого, возможности установки позволяют использовать её также для работы в области гамма-астрономии сверхвысоких энергий, изучения анизотропии ПКЛ с энергией > 1014эВ и вариаций интенсивности космических лучей.

Создание такого комплекса установок стало возможным благодаря применению современных электронных систем, позволяющих не только автоматизировать процесс получения и накопления информации, но и обеспечить эффективный контроль работы каждого детектора установки и самой системы регистрации.

Как известно, аппаратная структура установок для изучения космических лучей включает в себя несколько этапов обработки сигналов, начиная от аналоговой формы, характеризующей регистрируемые события как параметрические распределения значений сигналов по амплитуде, форме, времени появления, углу прихода, так и цифровой формы, с дальнейшей предварительной обработкой и накоплением информации в ЭВМ. В последние годы быстрое развитие вычислительной техники и ее элементной базы привело к значительному усовершенствованию автоматизированных систем сбора и регистрации потоков информации, что позволило увеличить эффективность работы физических установок по быстродействию, по возможности контроля за параметрами измерительных систем, а также позволило решать ряд системных логических операций программными методами.

Вместе с тем, исходным звеном получения информации служат приборы, непосредственно примыкающие к детектирующим устройствам, и осуществляющие первичную обработку регистрируемых сигналов. Поэтому, основная задача этой работы состоит в решении таких ключевых проблем совершенствования аналоговой аппаратуры, как достижение максимальных диапазонов измерения энергии, выделяемой в детекторах, оптимизация электронных трактов по шумовому критерию, отбраковка шумоподобных сигналов и помех, повышение температурной и долговременной стабильности параметров, защита установок или отдельных электронных узлов от воздействия атмосферного электричества.

Цели представляемой диссертации.

Разработать и применить новые аналоговые электронные устройства для установок ПСТ, «Андырчи», «Ковер» с целью: а) улучшения параметров логарифмических преобразователей амплитуды в длительность; б) обеспечения контроля параметров преобразователей амплитуды в длительность (код); в) понижения шумового фона на БПСТ по программе «Коллапс» для уменьшения вероятности имитаций в режиме регистрации нейтринных сигналов от взрывов сверхновых звезд; г) защиты установки «Адырчи» в периоды грозовой активности; д) повышения температурной стабильности сцинтилляционных детекторов.

Новизна работы.

1. Разработаны комбинированные логарифмические преобразователи амплитуды в длительность с временной привязкой к анодному сигналу для установки «Андырчи», не применяемые ранее на установках для регистрации ШАЛ.

2. Разработаны новые логарифмические и линейные преобразователи амплитуды в длительность, нечувствительные к послеимпульсам ф.э.у, для модернизации установок «Андырчи», БПСТ, «Ковер».

3. Разработана новая методика контроля параметров логарифмических преобразователей, отличающаяся от ранее используемых тем, что изменение тестирующих сигналов во времени по экспоненциальному закону позволило получить равномерное распределение ошибок во всем диапазоне измерения нелинейности исследуемого преобразователя.

4. Разработано новое электронное устройство, для БПСТ, позволившее уменьшить импульсный шумовой фон на телескопе в режиме регистрации одиночных событий.

5. Разработана система молниезащиты высокогорной установки «Андырчи», использующая систему новых оригинальных молниезащитных средств.

6. Разработаны новые устройства термостабилизации сцинтилляционных детекторов для установок «Андырчи» и «Ковер», учитывающие их основные эксплуатационные характеристики, при работе на открытой местности в широком диапазоне окружающих температур.

Практическая и научная значимость.

1. Разработанные широкодиапазонные логарифмические преобразователи с временной привязкой к переднему фронту импульса ФЭУ, позволили не только производить измерения энерговыделения в сцинтилляционных детекторах, но и повысить точность в определении направления прихода ШАЛ. Это исключило необходимость применения дополнительных устройств временной привязки и позволило уменьшить поправочные коэффициенты в определении углового положения оси ливня.

2. Разработаны также новые типы логарифмических RC-преобразователей заряда в длительность с подавлением послеимпульсов ФЭУ, а также логарифмические LC- преобразователи, нечувствительные к послеимпульсам ФЭУ.

3. Применение двупороговых селекторов длительности анодных сигналов позволило снизить шумовой импульсный фон на внутренних плоскостях ПСТ за счет отбраковки импульсов нестандартной формы, что уменьшило вероятность появления ложных событий по программе «Коллапс».

4. Разработанная система молниезащиты физических установок, работающих на открытой местности, существенно снизила вероятность выхода из строя электронных узлов от дистанционного воздействия молнии, что позволило значительно увеличить время непрерывного набора данных по всем рабочим программам.

5. Термостатирование сцинтилляционных детекторов позволило значительно повысить эффективность их работы применительно к вариационным исследованиям при изучении анизотропии первичных космических лучей и сезонных изменений интенсивности вторичных космических лучей.

6. Результат вышеперечисленных работ в большинстве случаев реализован в виде универсальных приборов и систем, испытанных многолетней практикой. Они могут применяться не только на установках для исследования космических лучей, но и для решения широкого круга исследований в долговременных физических экспериментах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанный логарифмический преобразователь с временной привязкой к фронту импульса ФЭУ, имеет динамический диапазон 2-104. Точность временной привязки 1-*-7нс в зависимости от амплитуды измеряемого импульса.

2. Представленный двупороговый селектор длительности позволяет снизить шумовой фон внутренних плоскостей ПСТ в режиме регистрации одиночных событий по программе «Коллапс» на ~38% и в несколько раз уменьшить вероятность имитации коллапсных событий.

3. Разработанная комплексная система молниезащиты установки «Андырчи» снизила годовые потери информации по регистрации космических лучей, связанные с послегрозовым ремонтом аппаратуры, на ~50%.

4. Термостатирование больших сцинтилляционных детекторов на основе уайт-спирита на уровне ± 0,25°С в диапазоне -20°С 29°С позволило стабилизировать их чувствительность в указанном диапазоне температур на уровне 0,09%, а термостатирование пластических сцинтилляционных детекторов с точностью 0,1-0,2°С стабилизировало их чувствительность на уровне 0,01-0,02% и дало возможность решать вариационные задачи, а также изучать анизотропию ПКЛ без поправочных температурных коэффициентов.

Примечание.

В силу своей прикладной специфики настоящая работа содержит четыре не связанные между собой темы:

1. измерение энерговыделения в сцинтилляционных счетчиках преобразователями тока ф.э.у. в длительность;

2. селекция шумоподобных сигналов сцинтилляционных детекторов по длительности;

3. система молниезащиты установки «Андырчи»

4. термостабилизация сцинтилляционных детекторов.

В связи с этим понятие эффективности в каждом из разделов трактуется сообразно тем параметрам физических установок, которые были достигнуты применением нового оборудования.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Волченко, Владимир Иванович

Заключение.

Приборы, описанные в данной работе, разрабатывались и внедрялись на установках «Ковер», БПСТ и «Андырчи» в процессе их создания, а также на протяжении ряда последних лет и показали следующие результаты: 1 .Разработанный для установки «Андырчи» логарифмический преобразователь с порогом 0,5р.ч. и точностью измерения энерговыделения 10% показал высокую эксплуатационную надежность и долговременную стабильность параметров на уровне ±0,1% по порогу и 0,01% по коэффициенту преобразования. Совместно с фотоумножителем ФЭУ-49Б прибор позволил измерять энерговыделение в сцинтилляционном детекторе в диапазоне 2000 (0,5- ЮООр.ч), хотя реальный амплитудный диапазон преобразователя значительно выше (2-104). Совмещение в одном приборе 2х функций позволило одновременно измерять энерговыделение в детекторе и направление прихода ШАЛ по время-пролетной методике. При этом, угловая погрешность, вносимая прибором, не превышает 3% от полной погрешности определения угла.

2.В целях модернизации установок «Андырчи», БПСТ и «Ковер» были разработаны альтернативные преобразователи амплитуды в длительность с временной привязкой нечувствительные к послеимпульсам ф.э.у. с динамическим диапазоном 2-103.

3.Двупороговый селектор длительности, разработанный для установки БПСТ, позволил снизить уровень шумового фона на внутренних плоскостях телескопа на 38%, что дало возможность уменьшить вероятность имитаций коллапсных событий в несколько раз в зависимости от числа ожидаемых однократных событий в скользящем временном интервале 20сек.

4.Разработана концепция защиты экспериментальных наземных установок большой площади от атмосферного электричества. На базе этой концепции создана система молниезащиты установки «Андырчи», позволившая сохранить установку и уменьшить потери информации связанные с послегрозовым ремонтом аппаратуры вдвое.

5.Создание точной термостабилизации сцинтилляционных детекторов дало возможность поддерживать температурный дрейф чувствительности больших жидкостныых сцинтилляционных детекторов на уровне ±0,1% и пластических сцинтилляционных детекторов - на уровне ±(0,01.- 0,02)%. Это исключило необходимость введения температурных поправок на установке «Андырчи» в вариационных программах, при изучении характеристик ШАЛ, а также при измерении анизотропии. На установке «Ковер» термостабилизация детекторов выносных пунктов позволила отказаться от применения температурных поправок при решении вариационных задач и при изучении характеристик ШАЛ.

В заключение автор выражает благодарность своему научному руководителю Валерию Борисовичу Петкову за руководство и постоянное стимулирование интереса к данной работе, В.В.Алексеенко, С.Н. Карпову, Г.В.Волченко, Л.Н.Алексеевой, Е.Н.Алексееву, Ю.Ф.Новосельцеву за консультации и длительное плодотворное сотрудничество, а также Т.Ю.Спиридоновой за помощь при переводе иностранных публикаций. Автор особенно признателен А.Е.Чудакову и А.В.Воеводскому за постоянноё внимание и участие на разных этапах разработки описанных приборов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Волченко, Владимир Иванович, 2005 год

1. В.Н.Бакатанов, А.В.Воеводский, В.Л.Дадыкин, «Большие сцинтилляционные счетчики», Харьков, с.119-123.

2. А.В.Воеводский «Применение жидкостных сцинтилляционных детекторов большой площади для измерения интенсивности космических лучей». Диссертация к.ф.м.н., ФИАН, 1974. с. 17-18, 40.

3. Е.Н.Алеексеев «400-канальная сцинтилляционная установка для исследования центральной части ШАЛ». Диссертация к.ф.м.н., НИИЯФ,МГУ, 1978.

4. В.А.Тизенгаузен «Пространственное распределение электронно1. С <7фотонной компоненты ШАЛ в диапазоне Ne ~ 10-10 на высоте 1700 метров над уровнем моря». Диссертация НИИЯФ, МГУ, 1979.

5. E.N.Alekxeyev, L.N.Alekxeyeva, A.E.Chydakov et al, in Proc. 16th Cosmic Ray Conference, Kyoto, Japan, (1979), vol.10, p282.

6. Е.Н.Алеексеев, В.Н.Бакатанов, А.В.Воеводский и др., Изв. АН СССР, сер.физ. 44, 609, (1980).

7. Е.Н.Алеексеев и др., Препринт ИЛИ АН СССР, П-0610, Москва, 1989г.

8. Е.Н.Алеексеев, А.В.Воеводский, В.И.Волченко и др., Препринт ИЛИ -853/94, Москва,1994.

9. В.Б.Петков «Установка «Андырчи» для регистрации ШАЛ над Баксанским подземным сцинтилляционным телескопом». Диссертация к.ф.м.н., ИЛИ РАН, Москва, 1996.

10. Д.Д.Джаппуев «Метод спектров центральных плотностей для изучения характеристик ШАЛ с Ne=6-104 2-107 на высоте 1700метров над уровнем моря». Диссертация к.ф.м.н. ИЛИ АН СССР, Москва 1988, с.53

11. А.В.Воеводский, В.Л.Дадыкин, О.Г.Ряжская, ПТЭ, 1970, №1, с.85-87.

12. A.MJonson, IEEE J. Quantum Electronics, 1965, 1, p. 99.

13. PHPT0MULTIPLIER TUBES rprinciples & applicatios, Re-edited ■ September 2002 by S-O Flyckt* and Carole Marmonier**, Photonis,Brive,France.

14. М.Ю.Ф.Новосельцев «Разделение адронных и электромагнитных ливней методом регистрации 7l-JJ,-e распадов на Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе». Диссертация к.ф.м.н., Москва, 1988, ИЛИ АН СССР, с.86-90.

15. Н.А.Соболева, А.Е.Меламид «Фотоэлектронные приборы», Высшая школа, Москва, 1974.

16. Ю.В.Стенькин, В.И.Степанов «Формирователь для временной привязки», ПТЭ, 1978, №5, с.135-137.

17. В.Л.Дадыкин, Я.С.Еленский, А.Л.Цябук, ПТЭ, 1979, №2, с.223.

18. В.Мейлинг, Ф.Стари «Наносекундная импульсная техника», под ред.Е.А.Мелешко, Москва, Атомиздат, 1973, с.38.

19. В.И.Степанов «логарифмический преобразователь амплитуды импульсов», ПТЭ, 1969, №3, с. 115-118.

20. В.И.Волченко, А.Ф.Янин, В.Б.Петков и др., Препринт ИЛИ 0913/96, Москва, 1996.

21. Giannelli G., Mandl V., Rev. Scint. Instrum., 31, 623 (1960).

22. В.И.Бельский, Ю.Б.Бушнин, С.А.Зимин и др., Препринт ИФВЭ ОЭА, №85-60, Серпухов, 1985.

23. Е.Н.Алексеев, В.В.Алексеенко, Ю.М.Андреев и др., Изв. АН СССР, сер.физическая, 1980, т.44, с.609-612.

24. В.И.Волченко, ПТЭ, №1, 1981, с. 101-104.

25. M.M.Winn, J.Ulrichs, L.S.Peak, et al, Phys. 12,(1982), p.653, Printed in Great Britain.

26. Yoshida, N.Hayashida, K.Honda, et al, J.Phys.G: Nicl. Part 20, (1994), p.651-664. Printed in th UK.

27. Г.Ряжская, Л.Н.Степанец, ПТЭ, 1975, №5, с. 174

28. С.П.Михеев. Диссертация к.ф.м.н., М.: ИЯИ АН СССР, 1982, с.54.

29. Е.Н.Алексеев, В.В.Алексеенко, В.Н.Бакатанов и др., Изв. РАН. Сер. Физ. 1993, т.57., Вып.4, с.99-102.

30. В.А.Морозов, Н.В.Морозова, ПТЭ, 1997, №4, с.97.

31. В.А.Морозов, Н.В.Морозова, ПТЭ, 2002, №6, с.75.

32. В.С.Мурзин, «Введение в физику космических лучей». М., МГУ, 1988, с.29.

33. А.В.Воеводский, В.И.Волченко, В.Ф.Кавторов и др. Угловое разрешение установки «Андырчи». Препринт ИЯИ 1001/98, Москва, 1998.

34. В.И.Волченко, Г.В.Волченко. Широкодиапазонные преобразователи амплитуды в длительность. Препринт ИЯИ 1128/2004, Москва, 2004.

35. В.И.Волченко, Г.В.Волченко, ПТЭ, 2005, №2, с.78-87.

36. Е.Н.Алексеев, Л.Н.Алексеева, В.И.Волченко и др. Ограничение на частоту коллапсов массивных звезд в Галактике по данным наблюдения 1980-1992 годах на Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе. М., Наука, ЖЭТФ, т. 104, с.2897-2911, 1993.

37. П.С.Имшенник, Д.К.Надежин. Итоги науки и техники, сер. Астрономия, 21, 63 (1982).

38. W.Hillebrandt and Hoflich, Rep. Prog. Phys.52, 1421, (1989).

39. A.Burrows, Ann. Rev. Nucl. Part Sci. 40, 181 (1990).

40. K.S.Hirata, T. Kajita, M. Koshiba et al, Phys. Rev. Lett. 58, 1490 (1987).41 .R.M.Bionta, G.Bliwitt, C.B. Bratton et al., Phys. Rev. Lett. 58, 1494 (1987).

41. Е.Н.Алексеев, Л.Н.Алексеева, В.И.Волченко и др., письма в ЖЭТФ, т. 45, с. 461 (1987).

42. E.N.Alexeyv, L.N. Alexeyeva, I.V.Krivosheina et.al., Phys.Lett. B205,209 (1988).

43. Е.А.Мелешко. «Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике», М.: Атомиздат, 1977,с.78-87.

44. В.И.Волченко, Г.В.Волченко, Препринт ИЯИ 1142/2005,.Москва, 2005.

45. М.Юман, «Молния», изд.Мир, М.,1972 под редакцией Н.В.Красногорской.

46. Э.М.Базелян, Ю.П.Райзер. «Физика молнии и молниезащита», М., Физматлит, 2001.

47. А.А.Репин, В.И.Поддубный, Ю.В.Писаревский, конф. Современные проблемы радиоэлектроники, док.106, сек.74, «Активные системы молниезащиты антенных систем», 2001.

48. Авторское свидетельство СССР №456383, Кл Н 05 F3/00, 1973.

49. Э.М.Базилян, Б.Н.Горин, В.И.Левишов, «Физические и инженерныеосновы молниезащиты», Л., Гидрометеоиздат, 1987.

50. В.И.Волченко,Г.В.Волченко, А.Н.Заиченко и др., Препринт ИЯИ-1085/2002, Москва,2002.

51. В.И.Волченко, Г.В.Волченко, А.Н.Заиченко и др., ПТЭ, 2004, №4, с.44-48.

52. В.И.Волченко, Г.В.Волченко, Преприт ИЯИ 1120/2004, Москва, 2004.

53. В.А.Волгов. «Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры», М., Энергия, 1977, с.541.

54. В.С.Мурзин, «Физика космических лучей», М., издт.МГУ, 1970, с.214.

55. Ю.К.Акимов. «Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий», М., изд.МГУ, 1963, с. 15, с.47.

56. E.N.Alexeyev, V.V.Alexeyenko, V.N.Bakatanov и др. «The EAS about Baksan Underground Scintillation Teleskope». Proc. of 23th ICRC, CALGARY, 1993, v.2, p.474-476.