Установка кластерного типа для регистрации широких атмосферных ливней в Экспериментальном комплексе НЕВОД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Шульженко Иван Андреевич

• Шульженко Иван Андреевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Шульженко Иван Андреевич

Введение

В.1. EAS-TOP

В.2. KASCADE-Grande

B.3. TAIGA

В.4. Экспериментальный комплекс НЕВОД

Раздел 1. Исследование характеристик счетчиков и детектирующих станций

1.1. Сцинтилляционный счетчик и детектирующая станция

1.2. Калибровка фотоэлектронных умножителей

1.2.1. Стенд для калибровки фотоумножителей

1.2.2. Настройка коэффициента усиления динодной системы

1.2.3. Измерение джиттера

1.2.4. Измерение верхней границы диапазона линейности

1.2.5. Измерение относительной чувствительности фотокатода

1.2.6. Измерение темновых шумов

1.3. Тестирование сцинтилляторов

1.4. Исследование неоднородности светосбора счетчиков на годоскопе УРАГАН

1.5. Настройка сцинтилляционных счетчиков и детектирующих станций

1.5.1. Сборка и настройка сцинтилляционных счетчиков

1.5.2. Сборка и настройка детектирующих станций

1.5.3. Настройка дополнительного фотоумножителя

Раздел 2. Первая очередь установки НЕВОД-ШАЛ

2.1. Структура регистрирующей системы

2.2. Кластер установки НЕВОД-ШАЛ

2.2.1. Локальный пункт сбора и первичной обработки данных

2.2.2. Тестирование сумматоров-мультиплексоров

2.2.3. Калибровка измерительных каналов ПАА БЭКДС

2.3. Центральный пункт управления, синхронизации, сбора и обработки данных

2.3.1. Система сбора и обработки данных

2.3.2. Система глобальной временной синхронизации

2.3.3. Коммуникационный узел

2.4. Программный комплекс установки

2.5. Коммуникационные системы установки

Раздел 3. Методы обработки данных

3.1. Данные установки НЕВОД-ШАЛ

3.2. Анализ разверток сигналов с измерительных каналов БЭКДС кластеров

3.3. Определение рабочих параметров кластеров

3.3.1. Темпы счета кластера и детектирующих станций

3.3.2. Положение и среднеквадратичное отклонение пьедестала

3.3.3. Задержки срабатывания детектирующих станций

3.3.4. Положения мюонных пиков ДС и счетчиков

3.3.5. Коэффициенты сшивки ДС и дополнительных ФЭУ

3.4. Реконструкция событий ШАЛ

3.4.1. Математическая модель отклика установки

3.4.2. Методы реконструкции направлений прихода ШАЛ

3.4.3. Оценка погрешности определения момента срабатывания ДС

3.4.4. Реконструкция направлений прихода ШАЛ по данным кластеров

3.4.5. Объединение данных кластеров в события ШАЛ

3.4.6. Визуализация событий ШАЛ

Раздел 4. Результаты измерительных серий

4.1. Результаты регистрации ШАЛ установкой

4.2. Отбор совместных событий с детекторами ЭК НЕВОД

4.3. Примеры совместных событий

4.4. Оценка точности реконструкции направления прихода ШАЛ

Заключение. Основные результаты

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Паспорт детектирующей стации НЕВОД-ШАЛ

Приложение Б. Координаты детектирующих станций НЕВОД-ШАЛ

Приложение В. Программное обеспечение установки

Введение

В области энергий выше 1015 эВ интенсивность потока первичных космических лучей

2

(ПКЛ) снижается от 1 частицы в год на м при 3*10 эВ до 1 частицы в столетие на км для энергий более 1019 эВ, что делает невозможным проведение прямых измерений энергии и массового состава частиц ПКЛ с помощью детекторов, размещенных на космических аппаратах и стратостатах. Поэтому единственным источником информации о свойствах ПКЛ в данной энергетической области являются широкие атмосферные ливни (ШАЛ), которые образуются в атмосфере Земли в результате развития ядерно-каскадного процесса, инициированного взаимодействием первичной частицы с ядрами атомов воздуха.

С момента открытия Пьером Оже широких атмосферных ливней (1938 г.) в мире было создано множество установок для их исследования в разных интервалах энергий частиц ПКЛ:

- в области «колена» энергетического спектра (1015 - 1016 эВ) - ШАЛ МГУ [1], EAS-TOP [2], GAMMA [3], Тунка-133 [4], установка на горе Норикура (Япония) [5], «Ковер» [6, 7] и «Андырчи» [8], GRAPES-3 [9], ливневая установка Тянь-Шаньской высокогорной научной станция ФИАН [10] площадью от 0.01 до 1 км ;

- в области второго колена (1016 - 1018 эВ) - установки Акепо-AGASA [11], KASCADE-

Grande [12], Тунка-133, Havera Park [13], SUGAR [14] (1 - 10 км2);

18

- в области обратного изгиба (> 3 10 эВ) - Якутская установка ШАЛ [15], AGASA, HiRes [16], Telescope Array (TA) [17], Havera Park, SUGAR (10 - 100 км2);

- в области предельно высоких энергий (1019 - 1020 эВ - область ГЗК обрезания спектра [18, 19]) - HiRes, Pierre Auger Observatory (PAO) [20], TA (более 1000 км2).

Вне зависимости от исследуемого диапазона энергий, физических задач, размеров и расположения (на уровне моря или на высоте гор), в основе организации регистрирующих систем установок ШАЛ лежит единый принцип: размещение большого числа детекторов с определенным шагом в определенной конфигурации на большой площади. В установках могут применяться различные типы детекторов, предназначенных как для регистрации отдельных компонент широких атмосферных ливней (электронно-фотонной, мюонной, адронной, а также черенковского, флуоресцентного и радио излучения), так и их комбинаций.

В экспериментах по изучению ШАЛ были обнаружены особенности в характеристиках КЛ сверхвысоких энергий: изменения в энергетическом спектре и массовом составе [21], растущий с энергией избыток мюонов в ШАЛ, избыток молодых и старых ливней, большие поперечные импульсы и т.д. Классические методы исследования ШАЛ не дают ответа на вопрос о причинах возникновения данных особенностей. Поэтому в настоящее время создаются новые гибридные экспериментальные установки, способные одновременно регистрировать

большое число компонент, и активно развиваются уже существующие за счет расширения состава используемых типов детекторов. Одним из примеров таких установок является Экспериментальный комплекс НЕВОД, в котором в настоящее время разрабатываются и строятся новые детекторы для регистрации различных компонент широких атмосферных ливней. В число новых детекторов комплекса входит установка НЕВОД-ШАЛ, которая создается из сцинтилляционных счетчиков, использовавшихся ранее в экспериментах EAS-TOP и KASCADE-Grande.

В.1. EAS-TOP

Установка EAS-TOP [22] в 1987 - 2000 гг. работала в Италии над подземной лабораторией Гран-Сассо на высоте 2000 м над уровнем моря и была предназначена для изучения КЛ в диапазоне энергий 3*1013-1016 эВ. Установка состояла из:

- детектора электромагнитной компоненты ШАЛ (EMD), который включал 37 сцинтилляционных детектирующих станций (ДС) площадью 10 м ;

- центрального детектора (MHD), выполнявшего функции мюонного трекового детектора и адронного калориметра, площадью 200 м2;

- детекторы черенковского (8 телескопов) и радио (3 антенны) излучений ШАЛ.

Установка работала не только как самостоятельный детектор ШАЛ, но и в совместном

режиме с мюонными детекторами подземной лаборатории Гран-Сассо (MACRO [23] и LVD [24]), что являлось ее важнейшей особенностью и позволяло проводить комбинированный анализ данных о ШАЛ, регистрируемых на поверхности, и мюонах ТэВ-ных энергий, детектируемых под землей.

На рис. В.1 представлена схема расположения детекторов установки EAS-TOP. Прямоугольник соответствует центральному детектору, точки и соответствующие им латинские буквы обозначают ДС детектора электромагнитной компоненты ШАЛ. Вблизи центрального детектора расстояние между станциями составляло 17 м. На периферии установки расстояние

5

между ДС достигало 80 м. Общая площадь установки составляла ~ 10 м

Центральный детектор состоял из 9 слоев поглотителя из железа и свинца толщиной 13 см, между которыми были проложены 8 двухкоординатных слоев (140 м ) камер стримерных трубок, работавших в режиме ограниченного стримерного разряда при регистрации треков мюонов и в квазипропорциональном режиме при измерении энергии адронов. Пороговая энергия для мюонов составляла ~ 2 ГэВ, а для адронов ~ 50 ГэВ.

Станция детектора электромагнитной компоненты ШАЛ включала 16 сцинтилляционных счетчиков, каждый из которых состоял из двух фотоумножителей Philips XP3462B и сцинтиллятора NE102A с размерами 80*80*4 см . Один из фотоумножителей счетчика имел

более высокий коэффициент усиления (КУ) и использовался для временных измерений и определения числа регистрируемых частиц. Второй фотоумножитель счетчика имел меньший КУ и обеспечивал широкий диапазон линейности при регистрации больших плотностей частиц. Динамический диапазон ДС по каналам с высоким и низким КУ составлял от 1 до 120 и от 100 до 105 частиц, соответственно.

Электроника детектирующей станции включала: 32-канальный делитель высоковольтного напряжения питания фотоумножителей; два 16-канальных сумматора-мультиплексора для суммирования сигналов с ФЭУ с высоким и низким КУ; дискриминаторы с двойным порогом для выработки триггерного сигнала и временных измерений; микрокомпьютер, соединенный с центральным компьютером установки по волоконно-оптической линии связи и предназначенный для управления делителями высоковольтного напряжения, дискриминаторами, сумматорами-мультиплексорами и контроля температуры. Счетчики и внутренняя электроника ДС размещались в термостабилизированном корпусе.

Рис. В.1. Схема расположения детекторов установки ЕЛ8-ТОР [2].

Установка включала 2 кластера из 4 ДС (С4: а, Ь, с, ё и аа, ЬЬ, сс установленных в вершинах квадрата со сторонами 10 м, а также ряд перекрывающихся кластеров в форме шестиугольника С7. Каждый кластер С7 включал 7 станций (6 внешних и 1 центральную).

Аналоговые сигналы с сумматоров и дискриминаторов ДС по радиочастотным кабелям передавались в центральный пункт сбора данных, в котором осуществлялась оцифровка амплитудной (2 АЦП на ДС) и временной (1 ВЦП на ДС) информации и отбор событий по триггерным условиям.

При регистрации ШАЛ использовались 3 варианта триггерных условий: 4-кратное срабатывание ДС кластеров С4; срабатывание 4 из 7 ДС кластера С7 (3 внешних + центральная,

С4/7); срабатывание всех ДС кластера С7 (С7/7). Порог регистрации ДС составлял ~ 0.3 частицы. Отдельно рассматривались события С7/7, в которых ось ШАЛ попадала внутрь кластера ( С^п ). Каждому из триггерных условий соответствовали различные наиболее вероятные энергии первичных частиц: 30, 100, 200 и 1000 ТэВ, соответственно. Угловые разрешения кластеров для каждого типа событий составляли 4.2°, 2°, 1.6° и 0.9°, соответственно [23, 27].

На основе анализа соотношений между электромагнитной и мюонной компонентами ШАЛ в эксперименте БАБ-ТОР было сделано предположение о том, что излом энергетического спектра космических лучей в области ~ 3*1015 эВ связан с уменьшением потока легких ядер (р, Не) из-за особенностей процессов их ускорения. Излом в спектре более тяжелых элементов не

наблюдался. Однако было сделано указание на то, что он может быть обнаружен в области

энергий до ~ 10 эВ [26].

После завершения эксперимента БАБ-ТОР в 2000 г. все детектирующие станции детектора электромагнитной компоненты ШАЛ были переданы в Технологический Институт Карлсруэ (Германия) для расширения установки КАБСАОБ, запущенной в 1996 г.

В.2. КА8САБЕ-Сгапае

Установка для регистрации широких атмосферных ливней в интервале энергий частиц ПКЛ 1014 ^ 1018 эВ КАБСАББ-Огапёе (Технологический Институт Карлсруэ, Германия, начало эксперимента - 1996 г., завершение - 2012 г.) (рис. В.2), предназначалась для исследования энергетического спектра в районе 1 -го и 2-го колена, проверки моделей взаимодействия адронов при высоких и сверхвысоких энергиях.

Рис. В.2. Эксперименты КА8САБЕ-Огапёе (слева) и КА8САБЕ (справа) [27].

Первоначально установка включала массив сцинтилляционных детектирующих станций KASCADE [28], адронный калориметр (центральный детектор) [29] и мюонный трековый детектор [30]. Такое сочетание детекторов частиц КЛ позволяло одновременно наблюдать три различные компоненты ШАЛ: электронно-фотонную, мюонную и адронную в диапазоне энергий 1014 - 1017 эВ.

Массив KASCADE состоял из 252 детектирующих станций, располагавшихся в регулярном порядке на площади 200*200 м . Расстояние между ДС составляло 13 м. Станция состояла из четырех детекторов электронно-фотонной компоненты ШАЛ на базе жидкого сцинтиллятора и четырех детекторов мюонной компоненты на основе пластикового сцинтиллятора Bicron BD-416. Площадь ДС ~ 3.25 м . Такая комбинация детекторов электронно-фотонной и мюонной компонент ШАЛ в детектирующих станциях в совокупности с их плотным расположением позволяли детально изучать функции пространственного распределения электронов и мюонов в регистрируемых событиях. Детектирующие станции были объединены в 16 кластеров (по 16 станций).

Результаты эксперимента KASCADE подтвердили сделанное в эксперименте EAS-TOP предположение о том, что «колено» в области нескольких ПэВ связано с уменьшением потока легких ядер.

В 2003 г. комплекс был дополнен еще одним массивом сцинтилляционных детектирующих станций Grande [27], что позволило расширить энергетический диапазон до энергий ~ 1018 эВ. В установку Grande входили 37 сцинтилляционных детектирующих станций (рис. В.3) из 16 счетчиков частиц электронно-фотонной компоненты ШАЛ на основе пластикового сцинтиллятора NE102A с размерами 800*800*40 мм , которые ранее работали в эксперименте EAS-TOP. В отличие от детектора электромагнитной компоненты ШАЛ установки EAS-TOP, в станции Grande только 4 из 16 счетчиков, расположенные в центре, были оборудованы фотоумножителями Philips XP3462 с пониженным коэффициентом усиления. Динамический диапазон ДС по числу регистрируемых частиц составлял от 0.3 до 8000. Расстояние между станциями установки Grande составляло 137 м, а её площадь ~ 0.5 км2.

Внутренняя электроника детектирующей станции Grande включала: 2 блока CAEN N169 для суммирования сигналов с 16 ФЭУ с высоким КУ и с 4 ФЭУ с низким КУ; 2 аналоговых мультиплексора для тестирования и настройки КУ определенных ФЭУ ДС; усилитель-формирователь CAEN N422; 2-уровневый дискриминатор для отбора событий по заданному для ДС триггерному условию и временных измерений; 32-канальный пассивный программируемый высоковольтный делитель CAEN SY170; микропроцессор для управления мультиплексорами и высоковольтными делителями. При превышении суммарным сигналом с фотоумножителей канала с высоким коэффициентом усиления порога дискриминатора, соответствующего

~ 0.3 частицы, на выходе дискриминатора вырабатывался логический сигнал, который, параллельно с суммарными аналоговыми сигналами с двух каналов ДС, передавался в центральный пункт сбора данных установки Grande, в котором осуществлялась оцифровка амплитудной и временной информации со сработавшей станции.

Рис. В.3. Детектирующая станция Grande (слева) [31], схема размещения ее счетчиков (справа) [31] и функциональная схема внутренней электроники ДС (снизу) [27].

Установка Grande имела кластерную организации. Детектирующие станции были объединены в 18 перекрывающиеся кластеров в форме шестиугольников. Как и в EAS-TOP, кластер Grande включал 7 станций (6 внешних станций и 1 центральную). При регистрации ШАЛ использовались 2 варианта триггерных условий: C4/7 и C7/7. Отбор сработавших ДС кластеров по триггерным условиям выполнялся в центральном пункте сбора данных.

Площадь установки Grande существенно превышала размеры массива KASCADE, что делало невозможным их взаимное триггирование в совместных событиях ШАЛ. Поэтому для выработки общего триггера для установок и детекторов комплекса KASCADE-Grande в его центральной части был размещен кластер KASCADE-Piccolo [30], состоявший из 8 сцинтилляционных детектирующих станций, аналогичных ДС Grande, располагавшихся на сторонах квадрата на расстоянии 20 м друг от друга. В качестве внутрикластерного триггерного условия KASCADE-Piccolo использовались срабатывания как минимум 2 из 8 станций.

Погрешности реконструкции направления прихода, положения оси и мощности широких атмосферных ливней установками комплекса KASCADE-Grande составляли < 1°, < 10 м и < 20%, соответственно.

Главными результатами эксперимента KASCADE-Grande являются обнаружение

17

«колена» в спектре тяжелых элементов при энергиях около 10 эВ, а также указание на наличие в области энергий > 10 эВ обратного излома в спектре легких элементов [32].

В марте 2009 года эксперимента KASCADE-Grande был официально закрыт. В 2012 г. сцинтилляционные счетчики детектирующих станций Grande были перевезены в Россию для создания ливневых установок Tunka-Grande (Тункинский астрофизический центр ИГУ, республика Бурятия), которая входит в состав гамма-обсерватории TAIGA, и НЕВОД-ШАЛ (НИЯУ МИФИ, Москва).

B.3. TAIGA

Гамма-обсерватории TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray and Gamma Astronomy) [33], создаваемая в Тункинской долине в 50 км от озера Байкал, является

уникальным активно развивающимся комплексом для изучения широких атмосферных ливней

13

в энергетическом диапазоне от 10 до 10 эВ и сочетает в себе различные методы их регистрации.

1000

Е

€ 0 о Z

-500

-1000

East (m)

Рис. В. 4. Расположения детекторов Тунка-133 и Tunka-Grande [34]. Основой обсерватории является установка Тунка-133, запущенная в 2009 г., в которой применяется метод регистрации ШАЛ по черенковскому излучению заряженных частиц ливня

- о Тип ka-133 РМТ

9 at cluster center Q

with local DAQ o^ °

□ Tunka-Grande scintillator X Tunka-Rex radio antenna

preliminary positions

в атмосфере. Установка состоит из 175 оптических детекторов черенковского излучения ШАЛ [4], объединенных в 25 кластеров в форме правильного шестиугольника со стороной 85 м. Каждый кластер включает по 7 детекторов: 6 - в вершинах шестиугольника, 1 - в центре. Площадь установки - 3 км2. Схема расположения детекторов и кластеров установки Тунка-133 представлена на рис. В

Черенковский метод регистрации ШАЛ применяется также и в установке Tunka-HiSCORE [33] (начало развертывания - 2012 г.), предназначенной для выделения ливней, рожденных гамма-квантами, из фона, создаваемого заряженными частицами. На данный момент установка включает 28 низкопороговых черенковских оптических станций (ОС), расположенных в узлах решетки с шагом около 106 м. Площадь установки ~ 0.25 км . Оптическая станция включает 4 модуля (ФЭУ EMI ET9352KB или Hamamatsu R5912 (R7081), оборудованного для увеличения светосбора конусами Винстона). Понижение энергетического порога ОС достигается суммированием сигналов с анодов ФЭУ модулей перед передачей их на вход компаратора триггерной системы. Порог компаратора соответствует области пересечения интегрального амплитудного спектра сигналов от ШАЛ со спектром флуктуаций фона ночного неба. Для расширения динамического диапазона осуществляется съем сигналов с анода и одного из динодов ФЭУ модуля. Шаг дискретизации при оцифровке сигналов составляет 0.5 нс.

Создаваемая установка TAIGA-IACT [33] предназначена для решения задач гамма-астрономии и будет представлять собой сеть атмосферных черенковских телескопов (IACT, Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes), построенных по оптической схеме Дэвиса-Коттона. Телескоп состоит из 34 зеркал диаметром 60 см с фокусным расстоянием 4.75 м, установленных на подвижной раме и просматриваемых камерой из 547 ФЭУ XP1911 с диаметром фотокатода 19 мм. Камера разбита на кластеры из 28 ФЭУ. Каждый кластер обслуживается электроникой на базе 64-канальной ASIC MAROC-3. Поле зрения телескопа составляет 9.6° х 9.6°. Первый телескоп TAIGA-IACT был запущен в тестовом режиме в декабре 2016 г.

Метод исследования ШАЛ по черенковскому излучению, применяемый в обсерватории TAIGA, позволяет с высокой точностью определять энергию ливней, направление их прихода и положение максимума. Соответствующие разрешения установок обсерватории: лучше 15 %, 0.1°- 0.3° и 20 - 25 г/см . Однако использование данного метода осложняется тем, что оптические детекторы могут работать только в ясные безлунные ночи (~ 400 - 600 часов в год).

Для увеличения времени наблюдения ШАЛ в обсерватории TAIGA созданы радиоустановка Tunka-Rex и установка для регистрации электронно-фотонной и мюонной компонент широких атмосферных ливней Tunka-Grande.

Установка Tunka-Rex [35] была введена в эксплуатацию в октябре 2012 г. и представляет собой массив из 47 радиоантенн типа SALLA, расположенных на площади 0.5 км . Разрешение

установки по энергии первичных частиц составляет ~ 15 %, а точность определения положения максимума ШАЛ - около 40 г/см

Установка Tunka-Grande [33] (площадь - 0.5 км2) состоит из 19 детектирующих станций (ДС), размещенных в регулярном порядке внутри круга диаметром 800 м. Центр круга совпадает с центром установки Тунка-133. Станция Tunka-Grande состоит из двух частей: наземного детектора электронно-фотонной компоненты ШАЛ из 12 сцинтилляционных счетчиков и подземного детектора мюонов ШАЛ из 8 аналогичных счетчиков. Данные сцинтилляционные счетчики ранее использовались в эксперименте KASCADE-Grande. Площади наземного и подземного детекторов ДС составляют 8 и 5 м , соответственно. Наземные детекторы установлены в контейнерах на расстоянии около 30 метров от центров кластеров Типка-133. Детектор мюонов ДС размещен вблизи наземной части ДС на глубине 1.5 м в бетонном боксе. Точности реконструкции направления прихода и положения оси широких атмосферных ливней установкой Tunka-Grande (относительно реконструкции по данным установки Тунка-133) составляют ~ 1.3° и ~ 20 м, соответственно [36].

В.4. Экспериментальный комплекс НЕВОД

Экспериментальный комплекс НЕВОД является уникальной научной установкой, позволяющей проводить как фундаментальные исследования в области физики частиц и астрофизики, так и прикладные в сфере мониторинга и прогнозирования состояния околоземного пространства, используя природные потоки частиц на поверхности Земли из верхней небесной полусферы (зенитные углы от 0 до 90°) в рекордно широком диапазоне энергий (1 - 1010 ГэВ).

Основой экспериментального комплекса является черенковский водный детектор (ЧВД)

3

НЕВОД [37] объемом 2000 м (размеры водного бассейна - 9 х 26 х 9 м ). Детектирующая система ЧВД представляет собой пространственную решетку из квазисферических оптических модулей (КСМ), объединенных в вертикальные гирлянды (кластеры) из 3 или 4 КСМ, которые внутри водного объема располагаются с шагом 2.5 м вдоль детектора, 2 м поперек. Расстояние между модулями одной гирлянды - 2 м. 3 Гирлянды КСМ объединены в плоскости. Одна плоскость включает либо 3 гирлянды из 3 КСМ (малая плоскость), либо 4 гирлянды из 4 КСМ (большая плоскость). В настоящей конфигурации ЧВД включает 4 больших и 3 малых плоскости (всего 91 КСМ). Двухдинодный съем сигналов с ФЭУ обеспечивает динамический диапазон регистрируемых сигналов от 1 до 105 фотоэлектронов (ф.э.). Большой динамический диапазон и плотная решетка оптических модулей КСМ позволяют ЧВД работать в режиме калориметра и измерять энерговыделение групп мюонов и стволов широких атмосферных ливней, а также каскадов, генерируемых одиночными мюонами в водном объеме.

Рис. В.5. Детекторы экспериментального комплекса НЕВОД: ЧВДНЕВОД, ДЕКОР и СКТ.

Для калибровки спектрометрических трактов ЧВД при проведении измерительных серий используется система калибровочных телескопов [38], состоящая из 80 сцинтилляционных счетчиков. Сорок счетчиков расположены на крышке бассейна (верхняя плоскость) и сорок на дне водного резервуара (нижняя плоскость). Счётчики размещены на площади 8 х 10 м между гирляндами КСМ на расстоянии 1.25 м и 1 м друг от друга вдоль и поперек бассейна, соответственно. Любая пара счетчиков из верхней и нижней плоскостей образует мюонный телескоп; всего имеется 1600 различных телескопов, позволяющих выделять треки мюонов с 40 различными зенитными углами наклона в диапазоне от 0 до 51°. Угловое разрешение телескопов лучше 2°, минимальная пороговая энергия - 2 ГэВ [39, 40, 41]. Таким образом, СКТ позволяет калибровать фотоумножители КСМ по черенковскому излучению от одиночных мюонов с известными параметрами трека. Благодаря плотному расположению счетчиков в плоскостях и наличию между плоскостями водного объема, СКТ позволяет разделять электронно-фотонную и мюонную компоненты ШАЛ, а также измерять спектры их локальных плотностей в интервалах энергий ПКЛ от 1014 до 1015 эВ и от 1016 до 1018, соответственно.

Координатно-трековый детектор ДЕКОР [42] располагается в галереях вокруг ЧВД и предназначен для изучения космических лучей на поверхности Земли под большими зенитными углами вплоть для горизонтальных направлений. Детектор ДЕКОР состоит из восьми вертикально расположенных супермодулей общей площадью ~ 70 м2. Каждый супермодуль представляет собой 8 вертикально подвешенных на расстоянии 6 см друг от друга параллельных плоскостей. Размер чувствительной области плоскости - 3.1 х 2.7 м2. Плоскости составлены из 16 камер по 16 газоразрядных трубок с внутренним сечением 9х9 мм и длиной 3.5 м, объединенных в один корпус из ПВХ. Использование в трубках особой трехкомпонентной смеси газов (Аг + С02 + н-пентан) в сочетании с относительно толстой

анодной нитью (~ 100 мкм), к которой приложено высоковольтное напряжение питания, обеспечивает их работу в режиме ограниченного стримерного разряда. Двухкоординатный съем сигналов с плоскостей позволяет локализовать место прохождения частицы с пространственной точностью около 1 см, а использование координат со всех 8 плоскостей супермодуля обеспечивает пространственную точность восстановления трека мюона лучше 1 см, а угловую ~ 0.7°. Двутрековое разрешение супермодулей составляет ~ 3 см. Хорошие пространственно-угловые характеристики детектора ДЕКОР позволяют не только с высокой точностью реконструировать направление прихода групп мюонов наклонных ШАЛ, но и определять множественность и плотность мюонов в группе.

Сочетание в экспериментальном комплексе ЧВД, способного работать в калориметрическом режиме, а также координатно-трековых детекторов большой площади, позволяет применять для изучения наклонных ШАЛ в диапазоне энергий первичных частиц КЛ от 1015 до 1019 эВ новый метод спектров локальной плотности мюонов (СЛПМ) [43]. С помощью данного метода для различных зенитных углов впервые была измерена

17

энергетическая зависимость избытка мюонов ШАЛ в области выше 1017 эВ по сравнению с расчетными оценками даже в предположении чисто железного состава ПКЛ, который был ранее обнаружен на ускорительных экспериментах ALEPH [44] и DELPHI [45]. В 2013 г.

Е, ГэВ

Рис. В.6. Распределение энергий первичных частиц, дающих вклад в события с фиксированной

плотностью мюонов [48]. Возможности нового метода для оценки энергии первичных частиц проиллюстрированы на рис. В.6, на котором отображены результаты расчета распределений энергий первичных частиц, дающих вклад в события с плотностью мюонов Б = 0.2 м- в точке наблюдения для

разных зенитных углов [48]. Расчеты для первичных протонов (сплошные кривые) и ядер железа (штриховая кривая) выполнены с помощью программы СОЯБКА на основе модели 008ШТ01; значение показателя наклона первичного спектра принято равным 2.0 (в ~ 2.2). Для удобства сравнения, расчетные кривые нормированы по площади.

Как видно из рисунка, при одинаковой плотности мюонов разным зенитным углам соответствуют существенно (на порядки) отличающиеся эффективные энергии первичных частиц, что свидетельствует о том, что измерение спектров локальной плотности мюонов позволяет исследовать характеристики потока и взаимодействия КЛ в очень широком энергетическом диапазоне в рамках одного эксперимента с помощью одной установки относительно небольших размеров. Однако типичная ширина распределений первичных энергий (для фиксированной плотности мюонов) характеризуется среднеквадратичным разбросом а1ёЕ ~ 0.4. Такой разброс обусловлен тем, что вклад в события с фиксированной

локальной плотностью мюонов дают ШАЛ с различными энергиями, регистрируемые на разных (случайных) расстояниях от оси.

Для значительного повышения точности оценок энергетического спектра первичных частиц КЛ, полученных методом СЛПМ, за счет дополнения данных о характеристиках групп мюонов, регистрируемых в детекторах НЕВОД и ДЕКОР, информацией о положении осей ШАЛ, а также привязки данных по мюонной компоненте ШАЛ, полученных новым методом, к измерениям электронно-фотонной компоненты классическим методом и увеличения площади регистрации электронно-фотонной компоненты при проведении мультикомпонентных исследований КЛ в экспериментальном комплексе создается ливневая установка НЕВОД-ШАЛ.

Установка НЕВОД-ШАЛ предназначена для регистрации классическим методом

15

электронно-фотонной компоненты ШАЛ в диапазоне энергий от 10 до 10 эВ и реконструкции положения осей ливней, их мощности и направлений прихода. Так как ЭК НЕВОД располагается на территории НИЯУ МИФИ и окружен большим количеством лабораторных корпусов и других объектов инфраструктуры, детектирующие элементы новой установки размещаются на крышах корпусов университета и на поверхности Земли (перепад высот достигает 20 м), что является ее главным отличием от традиционных установок для исследования ШАЛ, детектирующие элементы которых преимущественно располагаются на одной поверхности.

Разновысотность расположения детектирующих элементов НЕВОД-ШАЛ определяет необходимость её кластерной организации. В настоящее время установка включает 6 кластеров

2

с характерными размерами 15 х 15 м , размещенных на площади 10 м . Кластер состоит из 4 детектирующих станций (ДС), каждая из которых состоит из 4 сцинтилляционных счетчиков частиц электронно-фотонной компоненты ШАЛ. Станции каждого кластера объединены локальным пунктом (ЛП) сбора и обработки данных.

Принципиальным отличием НЕВОД-ШАЛ от других установок с кластерной организацией регистрирующей системы является полная независимость отдельных кластеров друг от друга при обработке сигналов с ДС, отборе событий по триггерным условиям, присваивании событиям временной метки и передаче информации в центральный пункт установки. То есть каждый кластер является самостоятельной ливневой установкой, определяющей как число регистрируемых станциями частиц, так и направление прихода фронта ШАЛ.

Такой подход к организации работы ливневой установки из полностью независимых друг от друга кластеров применяется впервые. Кластерный подход позволяет легко расширять установку за счет дополнительных кластеров вне зависимости от окружающего ландшафта и инфраструктуры. Но при этом стандартные методы реконструкции характеристик ШАЛ, используемые при анализе данных традиционных «плоских» установок, оказываются неприменимыми, что требует разработки нового кластерного подхода и к анализу экспериментальной информации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Установка кластерного типа для регистрации широких атмосферных ливней в Экспериментальном комплексе НЕВОД»

Цель работы

Разработка и создание первой очереди ливневой установки НЕВОД-ШАЛ для получения независимой информации о характеристиках широких атмосферных ливней (мощности, положении оси и направлении прихода), регистрируемых другими детекторами и установками Экспериментального комплекса НЕВОД.

Научная новизна

1. Впервые разработан и реализован кластерный подход не только к созданию регистрирующей системы установки ШАЛ, но и к анализу получаемых на ней экспериментальных данных.

2. Впервые в мире создана установка ШАЛ на основе полностью независимых друг от друга кластеров, расположенных на разных высотах, и решена проблема реконструкции широких атмосферных ливней в такой установке.

3. Впервые обеспечена привязка широких атмосферных ливней, регистрируемых по группам мюонов, к их параметрам, реконструируемым традиционным методом по электронно-фотонной компоненте, в широком интервале зенитных углов.

Практическая значимость

1. Созданная установка включена в состав Экспериментального комплекса НЕВОД и расширяет его возможности в мультикомпонентных исследованиях космических лучей.

2. Одновременная регистрация широких атмосферных ливней и реконструкция их параметров по электронно-фотонной компоненте в НЕВОД-ШАЛ и по группам мюонов в НЕВОД-ДЕКОР позволят впервые провести калибровку метода спектров локальной плотности

мюонов путем прямого сопоставления энергетических спектров ПКЛ, полученных двумя методами при регистрации одних и тех же событий.

3 . Результаты работы, в первую очередь регистрирующая система, конструкторские решения, методы и стенды для тестирования и настройки детектирующих элементов и регистрирующей электроники, а также методы мониторинга рабочих параметров кластеров будут использованы при расширении установки НЕВОД-ШАЛ до площади ~ 0.2х 106 м2.

4. Опыт создания установки кластерного типа, а также разработанные методы реконструкции характеристик ШАЛ по данным установки, состоящей из независимых друг от друга кластеров, могут быть использованы при создании новых ливневых детекторов.

Личный вклад

Все работы по диссертации были выполнены лично автором, либо при его определяющем участии. Непосредственно автором:

- разработана регистрирующая система установки НЕВОД-ШАЛ на основе независимых кластеров сцинтилляционных детекторов;

- созданы стенды и разработаны методы для тестирования и настройки основных элементов установки;

- исследованы характеристики сцинтилляционных счетчиков, их составных элементов и регистрирующей электроники;

- разработано программное обеспечение для управления регистрирующей системой, обработки экспериментальных данных и определения рабочих характеристик кластеров;

- разработаны алгоритмы интерпретации отклика кластеров при регистрации широких атмосферных ливней, определения мониторинговых параметров;

- разработаны методы объединения данных отдельных кластеров в события ШАЛ на установке, а также методы поиска совместных событий в данных НЕВОД-ШАЛ и других детекторов и установок Экспериментального комплекса НЕВОД;

- проведены экспериментальные исследования характеристик кластеров установки НЕВОД-ШАЛ, получены и проанализированы методические и физические результаты, подготовлены основные публикации.

Автор защищает

42

1. Первую очередь установки НЕВОД-ШАЛ кластерного типа площадью 10 м , предназначенную для регистрации и реконструкции по электронно-фотонной компоненте характеристик ШАЛ, детектируемых совместно с черенковским водным калориметром НЕВОД и координатно-трековым детектором ДЕКОР.

2. Стенды, методы и результаты тестирования и настройки сцинтилляционных детекторов, их элементов и регистрирующей электроники.

3. Программный комплекс для мониторинга рабочих параметров кластеров и реконструкции регистрируемых ими событий, объединения данных отдельных кластеров в события ШАЛ на установке и поиска совместных событий в данных НЕВОД-ШАЛ и других детекторов Экспериментального комплекса НЕВОД.

4. Результаты сопоставления данных НЕВОД-ШАЛ, ЧВД НЕВОД и ДЕКОР при регистрации широких атмосферных ливней.

Достоверность

1. Исследование характеристик, тестирование и настройка сцинтилляционных детекторов, их элементов и регистрирующей электроники проводились с использованием сертифицированного измерительного оборудования.

2. Измерение зонных характеристик сцинтилляционных детекторов проводилось с помощью мюонного годоскопа УРАГАН, прошедшего метрологические испытания и имеющего высокую пространственную и угловую точность регистрации мюонов (соответственно 1 см и 0.8°).

3. Точность реконструкции кластерами установки НЕВОД-ШАЛ направления прихода фронтов широких атмосферных ливней определена путем сопоставления данных кластеров с результатами реконструкции по данным координатно-трекового детектора ДЕКОР, имеющего точность лучше 0.7° и 0.8° для зенитных и азимутальных углов соответственно.

4. Оценка энергетических характеристик регистрируемых событий основана на регулярной калибровке откликов измерительных каналов при регистрации одиночных мюонов и их линейности.

Апробация

Результаты работы были представлены на российских и международных конференциях: Международных конференциях по космическим лучам (ICRC 2013, 2015), Международной сессии-конференциии Секции ядерной физики ОФН РАН (2013), научных сессиях НИЯУ МИФИ (2014, 2015), Всероссийских конференциях по космическим лучам (ВККЛ 2014, 2016), Европейских симпозиумах по космическим лучам (ECRS 2012, 2014, 2016), 19-м Международном симпозиуме по взаимодействиям космических лучей сверхвысоких энергий (ISVHECRI-2016), Международных конференциях по физике частиц и астрофизике (ICPPA 2015, 2016), Международном симпозиуме по космическим лучам и астрофизике (ISCRA-2017), конференции «Приборы для физики сталкивающихся пучков» (INSTR17) и опубликованы в их трудах, а также в статьях в журналах: "Известия РАН. Серия физическая" [50, 52, 58], "Proceedings of Science" [51], "Приборы и техника эксперимента" [54], "The European Physical Journal. Web of Conferences" [57], "Journal of Instrumentation" [56], "Journal of Physics: Conference Series" [49, 53, 55]. Получен патент на изобретение [59].

Раздел 1. Исследование характеристик счетчиков и детектирующих станций

1.1. Сцинтилляционный счетчик и детектирующая станция

Основными детектирующими элементами первой очереди установки НЕВОД-ШАЛ являются сцинтилляционные счетчики частиц электронно-фотонной компоненты широких атмосферных ливней (рис. 1.1.1), которые ранее использовались в экспериментах EAS-T0P и КА8САОЕ-Огапёе.

Разъем HV

Рис. 1.1.1. Схема сцинтилляционного счетчика установки.

Основными элементами счетчика являются: пластиковый сцинтиллятор типа NE102A [60] с размерами 800*800*40 мм и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) Philips XP3462 с полусферическим фотокатодом, размещенные в светоизолированном корпусе пирамидальной формы из нержавеющей стали. При этом сцинтиллятор располагается на расстоянии 30 см над фотокатодом ФЭУ. В корпусе сцинтилляционного счетчика предусмотрена возможность установки еще одного дополнительного ФЭУ Philips XP3462. Внутренняя поверхность корпуса окрашена специальным диффузно-отражающим покрытием для улучшения собирания света от вспышек в сцинтилляторе, обусловленных прохождением частиц через его рабочий объем.

Детектирующая станция состоит из 4 сцинтилляционных счетчиков, расположенных внутри защитного корпуса (рис. 1.1.2). Суммарная площадь счетчиков ДС составляет ~ 2.6 м .

Рис. 1.1.2. Детектирующая станция (слева) и размещение счетчиков внутри ДС (справа).

Три счетчика оснащены одним («стандартным») ФЭУ Philips XP3462. Четвертый счетчик ДС оборудован двумя ФЭУ Philips XP3462: «стандартным» и «дополнительным». Стандартные ФЭУ используются для измерения плотности частиц регистрируемых ШАЛ и временных измерений и настроены таким образом, чтобы отклики счетчиков при регистрации одиночного мюона составляли ~ 13 пКл. Такая настройка позволяет обеспечить динамический диапазон счетчиков до 100 регистрируемых частиц. Дополнительный ФЭУ предназначен для расширения динамического диапазона ДС при регистрации ШАЛ с высокой плотностью заряженных частиц и имеет значительно меньший коэффициент усиления динодной системы, чем стандартный (~ 90 раз), что обеспечивает динамический диапазон счетчика до ~ 10000 частиц/м . Отклик дополнительного ФЭУ при регистрации одиночного мюона составляет ~ 0.15 пКл.

Каждая ДС комплектуется одним блоком высоковольтного питания ФЭУ, а конфигурации делителей ФЭУ подобраны таким образом, что все 5 ФЭУ ДС питаются одним номиналом высоковольтного напряжения. В основе блока высоковольтного питания детектирующей станции НЕВОД-ШАЛ лежит DC/DC-преобразователь TRACO PHV12-2.0K2500N [61], конвертирующий постоянное напряжение питания +12 В в постоянное высоковольтное напряжение в диапазоне от -600 В до -2000 В. Электрическая схема блока высоковольтного питания ДС представлена на рис. 1.1.3. Фотографии блока высоковольтного питания ДС представлены на рис. 1.1.4. Регулировка выходного напряжения питания преобразователя осуществляется с помощью многооборотного резистора. Для удобства контроля за работой в блоке предусмотрен светоизлучающий диод. Все элементы блока смонтированы на печатной плате и размещаются внутри алюминиевого защитного корпуса. Для подключения фотоумножителей детектирующей станции в блоке предусмотрены 5 выходных кабелей (длина 2.5 м) с разъемами SHV3100-0059.

В каждом блоке дополнительно установлен аналоговый датчик температуры LM335z [62], который используется для контроля температуры внутри детектирующей станции в процессе проведения измерительных серий.

Рис. 1.1.3. Схема блока высоковольтного питания ДС.

Рис. 1.1.4. Фотография блока высоковольтного питания ДС.

Для обеспечения питания блока постоянным напряжением +12 В, а также передачи аналоговых сигналов с ФЭУ ДС и температурной информации, детектирующая станция подключается к локальному пункту кластера с помощью специальных составных кабелей внутрикластерных коммуникаций. В состав одного кабеля внутрикластерных коммуникаций входят 5 высокочастотных кабелей RG-174 (волновое сопротивление 50 Ом) длиной 29 м и 1 кабель КПСВЭВ 2х2х0.75 с двумя витыми парами длиной 27 м, уложенные в защитный металлорукав длиной 25 м.

Перед созданием ливневой установки было проведено детальное исследование характеристик элементов сцинтилляционных счетчиков - фотоэлектронных умножителей Philips XP3462 и сцинтилляционных пластин, а также сборка, тестирование и настройка самих счетчиков для использования в детектирующих станциях кластеров.

Ниже рассматриваются методы и исследовательские стенды, которые применялись для выполнения этих задачи. Приводятся результаты проведенных исследований.

1.2. Калибровка фотоэлектронных умножителей

1.2.1. Стенд для калибровки фотоумножителей

При калибровке фотоэлектронных умножителей Philips XP3462 изучались следующие характеристики:

- напряжение питания, обеспечивающее заданный коэффициент усиления динодной системы;

- разброс задержек срабатывания (джиттер) при одноэлектронной подсветке;

- верхняя граница диапазона линейности;

- относительная чувствительность фотокатода;

- темп счета темновых шумов.

Измерения этих характеристик проводились на автоматизированном стенде, схема которого представлена на рис. 1.2.1.

Рис. 1.2.1. Функциональная схема стенда для калибровки ФЭУPhilips XP3462.

Основными элементами автоматизированного стенда для тестирования характеристик фотоумножителей являются: измерительный бокс, на дне которого установлены 2 светоизлучающих диода (СИД) KingBright (Х=470 нм), источник высоковольтного питания ФЭУ Stanford Research Systems PS350, контроллер запуска светодиодов, цифровой осциллограф Tektronix MDO3034, цифровой частотомер Tektronix FCA3100 с изменяемым порогом регистрации и персональный компьютер (ПК) с установленным программным обеспечением для управления и приема данных с частотомера и осциллографа, а также накопления и

обработки полученной от них информации. Измерительный бокс представляет собой светонепроницаемый алюминиевый короб размером 600*300*300 мм . Внутренняя поверхность бокса покрыта черной краской. Исследуемый фотоумножитель в ходе измерений располагается на специальной платформе. Для защиты от внешних магнитных полей колба фотоумножителя закрыта пермаллоевым экраном.

Связь ПК с частотомером и осциллографом осуществляется при помощи USB-шины данных. Управление контроллером запуска светодиодов осуществляется через LTP-порт ПК. С помощью переключателя сигнал с анода ФЭУ подается либо на цифровой осциллограф, либо на цифровой частотомер в зависимости от текущего режима измерения.

С источника высоковольтного питания на ФЭУ подается напряжение отрицательной полярности. Съем сигнала осуществляется с анода фотоумножителя.

Контроллер подсветки и осциллограф используются при измерении коэффициента усиления (КУ) динодной системы, джиттера ФЭУ при одноэлектронной подсветке, верхней границы диапазона линейности и относительной чувствительности фотокатода. По команде с ПК контроллер подсвечивает один или оба СИД, а также вырабатывает сигнал запуска АЦП осциллографа, оцифровывающего сигнал с ФЭУ. По завершению оцифровки сигнала, содержимое буфера памяти осциллографа передается на ПК для хранения и обработки.

Частотомер применяется для измерения темпов счета темновых шумов ФЭУ. По команде с ПК частотомер измеряет темп счета шумовых импульсов ФЭУ при заданном пороге регистрации в течение заданного временного интервала и передает информацию на ПК стенда.

1.2.2. Настройка коэффициента усиления динодной системы

Сравнение характеристик ФЭУ необходимо проводить при одинаковом КУ динодной системы. Поэтому на начальном этапе калибровки для каждого фотоумножителя определялось напряжение питания, обеспечивающее заданный КУ. Определение коэффициента усиления ФЭУ (M) осуществлялось методом одноэлектронной подсветки фотокатода, основанным на подборе такого уровня светодиодной подсветки, при котором эффективность срабатывания ФЭУ составляет ~10 %. В этом случае вероятность многоэлектронных откликов по отношению к одноэлектронным не превышает 5%. Для корректного определения коэффициента M необходимо, чтобы одноэлектронный пик в распределении заряда откликов хорошо разрешался от пика пьедестала. Для фотоумножителей Philips XP3462B это условие выполняется при коэффициенте усиления M ~ (2.0 ± 0.1)*106. При измерении КУ зарядовые спектры отклика на одноэлектронную подсветку светодиодом имеют статистическую обеспеченность не менее 500 срабатываний ФЭУ.

Пример получаемого распределения откликов ФЭУ по заряду при одноэлектронной подсветке представлен на рис. 1.2.2 слева.

Рис. 1.2.2. Спектр откликов при одноэлектронной подсветке ФЭУ № 3339 (слева) и распределение ФЭУ по напряжению питания, обеспечивающему КУ ~ 2.0*10б (справа). Получаемые зарядовые спектры аппроксимировались с помощью суммы двух нормальных распределений:

У = Уо +■

А

( *~Яр )2

2 ст2 ,

■г 1 +■

4

(*~б1е ~6р )2

2 ст2

(11)

СТ ■ л/2 п ст ' V2 я '

где ( - среднее значения заряда пьедестала, Я1е - среднее значение заряда одноэлектронного

пика, ст12 - среднеквадратичные отклонения первого и второго пиков, А12 - площади (число

событий) первого и второго пиков распределения. По параметрам аппроксимирующей функции определялся коэффициент усиления динодной системы М :

М =

Яг.

Яг

(12)

где Яе - средний заряд сигнала с анода ФЭУ; де - заряд электрона (1.6-10 -19 Кл).

В ходе тестирования были подобраны напряжения питания, обеспечивающие коэффициент усиления динодной системы М ~ (2.0 ± 0.1)*106, для 216 фотоумножителей. Распределение ФЭУ по напряжению питания представлено на рис. 1.2.2 справа. Двадцать четыре фотоумножителя были отбракованы из-за низкого коэффициента усиления при максимально допустимом для данного типа ФЭУ значении напряжения питания (2000 В).

Дальнейшие исследования характеристик фотоумножителей проводились при напряжениях питания, подобранных на данном этапе тестирования.

1.2.3. Измерение джиттера

Разброс времени срабатывания ФЭУ (джиттер) оказывает влияние на точность определения времени срабатывания сцинтилляционного счетчика при регистрации частиц. Данная характеристика измерялась параллельно с настройкой КУ динодной системы фотоумножителей. При измерении спектров откликов ФЭУ при одноэлектронной подсветке для каждого срабатывания фотоумножителя кроме заряда определялся и момент превышения сигналом программного порога 2 мВ относительно момента прихода триггерного сигнала от контроллера подсветки.

Джиттер ФЭУ определялся, как полная ширина на полувысоте (FWHM) распределения временных задержек срабатывания фотоумножителя относительно момента прихода триггерного сигнала. На рис. 1.2.3 слева представлено распределение временных задержек срабатывания для ФЭУ №3339 при одноэлектронной подсветке. Джиттер данного ФЭУ составляет 14.4 нс.

На рис. 1.2.3 справа представлено распределение разбросов задержек срабатывания для партии из 216 протестированных фотоумножителей. Среднее значение джиттера для партии составило 14.82 ± 1.04 нс.

Рис. 1.2.3. Распределения временных задержек срабатывания ФЭУ №3339 при одноэлектронной подсветке (слева) и ФЭУ по джиттеру при КУ ~ 2.0*10б (справа).

1.2.4. Измерение верхней границы диапазона линейности

Для измерения энерговыделения в многочастичных событиях детектор должен обладать большим динамическим диапазоном, который определяется диапазоном линейности ФЭУ. Измерение диапазона линейности ФЭУ проводилось методом парных подсветок. На каждом шаге средний заряд отклика фотоумножителя измерялся три раза: набирались спектры Q1 при подсветке сначала только первым СИД, затем только вторым - Q2, после этого ФЭУ засвечивался двумя СИД одновременно - Q1+2. Интенсивность подсветки светодиодов

постепенно увеличивается на каждом последующем шаге. В области линейности отклик ФЭУ на подсветку двумя источниками должен быть равен сумме откликов на подсветку только первым и только вторым источником. В качестве критерия для оценки диапазона линейности использовался коэффициент нелинейности а:

а« - (01+ш

а

х 100%

(1.3)

01+а

Область линейности определялась из условия |а| < 5%. На рис. 1.2.4 слева представлена типичная зависимость коэффициента нелинейности от заряда отклика ФЭУ при напряжении питания, обеспечивающем коэффициент усиленияМ~ (2.0±0.1)*106.

Заряд отклика

Рис. 1.2.4. Зависимость коэффициента нелинейности от заряда отклика ФЭУ№6063 (слева) и распределение ФЭУ по значению верхней границы диапазона линейности (справа).

На рис. 1.2.4 справа представлено распределение значений оценок верхней границы диапазонов линейности для 216 протестированных фотоумножителей. Среднее значение верхней границы диапазона линейности для 216 ФЭУ составляет ~ 5000 пКл.

1.2.5. Измерение относительной чувствительности фотокатода

Относительная чувствительность фотоумножителей определялась при подсветке светодиодом с фиксированной для всех ФЭУ мощностью вспышек. В этом случае при одинаковом коэффициенте усиления динодной системы отклики ФЭУ пропорциональны интегральной чувствительности. Поэтому оценкой относительной чувствительности может служить отношение заряда отклика отдельного ФЭУ к среднему по полной выборке (216 ФЭУ) отклику. На рис. 1.2.5 слева показан зарядовый спектр отклика ФЭУ № 6038 на светодиодную подсветку с фиксированной мощностью. Распределение всех протестированных ФЭУ по относительной чувствительности представлено на рис. 1.2.5 справа. Как видно, ФЭУ близки по

относительной чувствительности, среднеквадратичное отклонение составляет ~10% от среднего.

Рис. 2.1.5. Распределение по заряду отклика ФЭУ№ 6038 на подсветку от СИД с фиксированной мощностью кодом 35 (слева) и распределение ФЭУ по относительной

чувствительности фотокатода (справа).

1.2.6. Измерение темновых шумов

Для оценки вероятности случайных совпадений между детекторами установки необходимо знать темп счета темновых шумов фотоумножителей. Измерение темпа счета шумов проводилось в диапазоне порогов регистрации 6 ^ 158 мВ с шагом 4 мВ (при коэффициенте усиления M ~ 2.0*106 средний отклик с амплитудой 4 мВ соответствует 1 фотоэлектрону). При каждом значении порога темп счета шумов измерялся 10 раз. Время одного измерения темпа счета шумов цифровым частотомером составляло 10 секунд. Полученные значения усреднялись.

На рис. 1.2.6 представлена зависимость темпа счета шумовых импульсов ФЭУ №3339 от порога регистрации.

Темп счета темновых шумов большей части ФЭУ (175 штук) не превышает значений

3 1

3*10 с- , и эти фотоумножители использовались при сборке детекторов без каких-либо

«-» 3 1

ограничений; 31 ФЭУ имел шумы в диапазоне (3 - 100)*10 с- и использовались в детекторах как дополнительные, работающие с пониженным коэффициентом усиления. У 10

«-» 3 1

фотоумножителей шумы превышали значение 100*10 с- . Данные ФЭУ были отбракованы, так как их использование может значительно увеличить частоту случайных срабатываний кластера.

Таким образом, по результатам тестирования из 240 фотоумножителей Philips XP3462, поступивших из эксперимента KASCADE-Grande, для использования в установке НЕВОД-ШАЛ было отобрано 206 ФЭУ.

Рис. 1.2.6. Зависимость темпа счета шумов ФЭУ №3339 от порога регистрации. 1.3. Тестирование сцинтилляторов

Исследование световыхода сцинтилляционных пластин проводилось в корпусе одного из счетчиков НЕВОД-ШАЛ с одним и тем же ФЭУ (№6331). Схема стенда для исследования сцинтилляционных пластин представлена на рис. 1.3.1.

Рис. 1.3.1. Схема стенда для исследования световыхода сцинтилляционных пластин.

На фотоумножитель подавалось фиксированное напряжение питания 1600 В, обеспечивающее коэффициент усиления M = 2*10б. Исследуемые пластины поочередно устанавливались в корпус детектора. Питание фотоумножителя высоковольтным напряжением осуществлялось с помощью источника Stanford Research Systems PS350. Сигналы с фотоумножителя поступали на цифровой осциллограф Tektronix MSO3014, подключенный по USB-шине данных к персональному компьютеру (ПК) с установленным программным обеспечением для управления цифровым осциллографом и приема данных, а также измерения

амплитудных и зарядовых спектров отклика сцинтилляционного детектора на прохождение заряженных частиц.

Для каждой пластины были измерены зарядовые спектры отклика детектора в режиме самозапуска при пороге регистрации 30 мВ. Пример зарядового спектра отклика детектора с установленной в нем сцинтилляционной пластиной №135 приведен на рис. 1.3.2. Правый ("мюонный") пик распределения обусловлен регистрацией атмосферных мюонов. Часть спектра слева от долины в основном обусловлена темновыми шумами ФЭУ и низкоэнергетичными электронами, проходящими через рабочий объем сцинтиллятора.

45-,

ФЭУ 6331

сцинтиллятор №135 и = 30 мВ

пор

и =1600 в

О = 30.8 пКл

пик

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130 140 150 Заряд,пКл

Рис. 1.3.2. Зарядовый спектр отклика сцинтилляционного счетчика НЕВОД-ШАЛ с пластиной

№135, измеренный в режиме самозапуска.

Относительный световыход Рис. 1.3.3. Распределение сцинтилляционных пластин по относительному световыходу.

Относительный световыход п сцинтилляционной пластины определялся как отношение наиболее вероятного заряда отклика данной пластины в мюонном пике к усреднененному по полной выборке (192 пластины) наиболее вероятному заряду отклика. Распределение сцинтилляционных пластин по относительному световыходу представлено на рис. 1.3.3.

В распределении на рисунке 10 можно условно выделить 3 группы сцинтилляционных пластин, отличающихся между собой по световыходу: пластины с низким световыходом п < 0.6 (41 пластина), пластины со средним световыходом п ~ 0.6-1.4 (111 штук) и пластины с высоким световыходом п > 14 (40 штук).

1.4. Исследование неоднородности светосбора счетчиков на годоскопе УРАГАН

Оценки энергии и положения оси ливня основаны на анализе распределения энерговыделений частиц ШАЛ, прошедших через детекторы. Поэтому для корректной оценки энерговыделения нужно знать зависимость отклика детектора от места прохождения частицы через рабочий объем сцинтиллятора (неоднородность светосбора). Данная характеристика может зависеть как от световыхода сцинтиллятора, так и от формы корпуса детектора.

Измерение неоднородности светосбора сцинтилляционных счетчиков установки НЕВОД-ШАЛ проводилось с помощью супермодуля мюонного годоскопа УРАГАН [63].

Супермодуль представляет собой восемь слоев камер (координатных плоскостей), собранных из камер газоразрядных трубок, работающих в режиме ограниченного стримера, вместе с системой внешних считывающих стрипов (каждый слой: 320Х + 2887 каналов с шагом 1.0 и 1.2 см соответственно), проложенных пенопластовыми листами толщиной 5 см.

Газоразрядные трубки имеют поперечное сечение 9 х 9 мм и длину 3.5 м. Считывающие Х-стрипы (полоски алюминиевой фольги, шириной 4 мм) расположены параллельно анодным нитям. 7-стрипы шириной 1 см расположены перпендикулярно Х-стрипам с другой стороны камер. Супермодуль имеет площадь 11.5 м и обеспечивает высокую пространственную и угловую точность регистрации мюонов (соответственно 1 см и 0.8°) в диапазоне зенитных углов 0° - 80°.

Условием выработки триггера супермодуля является совпадение не менее четырех триггерных сигналов различных сработавших плоскостей в течение 300 нс. Средний темп счета мюонов и высокоэнергетичных электронов супермодулем составляет ~ 1700 с-1.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шульженко Иван Андреевич, 2018 год

Список литературы

[1] М.Ю. Зотов, Г.В. Куликов, Ю.А. Фомин. Исследование распределения времен прихода широких атмосферных ливней по данным установки ШАЛ МГУ методами нелинейного анализа. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия, № 4, с. 33

(2004).

[2] M. Aglietta et al. The EAS-TOP array at Gran Sasso: results of the electmomagnetic detector. Nuclear Physics B (Proc. Suppl.), 16, p. 493 (1990).

[3] R.M. Martirosov et al. Status of the GAMMA experiment. Proc. 29th ICRC, Pune, 8, p. 9 (2005).

[4] S. Berezhnev et al. The Tunka - Multi-component EAS detector for high energy cosmic ray studies. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 732, p. 281 (2013).

[5] S. Kino et al. New Air Shower Observation Systems at Mt. Norikura. Proc. 14th ICRC, München, 8, p.2837 (1975).

[6] Д.Д. Джаппуев и др. Мюонно-адронный детектор установки "Ковер-2". Ядерная физика, 79, № 3, с. 245 (2016).

[7] J. Szabelski et al. Carpet-3 - a new experiment to study primary composition around the knee. Nuclear Physics B (Proc. Suppl.), 196, p. 371 (2009).

[8] Е.Н. Алексеев и др. Установка «Андырчи» для регистрации ШАЛ над Баксанским подземным сцинтилляционным телескопом. Известия РАН. Серия физическая, 57, № 4, с. 99 (1993).

[9] Сайт эксперимента GRAPES-3 (29.03.2018): http://grapes-3.tifr.res.in/

[10] A.P. Chubenko et al. New complex EAS installation of the Tien Shan mountain cosmic ray station. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 832, p. 158 (2016).

[11] M. Takeda et al. Energy determination in the Akeno Giant Air Shower Array experiment. Astroparticle Physics, 19, p. 447 (2003).

[12] J. Blumer et al. The KASCADE-Grande Experiment. J. Phys.: Conf. Ser., 120, 062026 (2008).

[13] D. Andrews et al. General results from the Haverah Park large EAS array. Proc.11th ICRC, Budapest, 3, p. 337 (1969).

17

[14] M.M. Winn et al. The cosmic ray energy spectrum above 10 eV. J. Phys. G: Nucl. Phys., 12, p. 653 (1986).

[15] В.М. Григорьев. Новый метод наблюдения профиля ливневого каскада на Якутской установке ШАЛ. Письма в ЭЧАЯ, 5, № 5(147), с. 766 (2008).

[16] R.U. Abbasi et al. A study of the composition of ultra high energy cosmic rays using the High -Resolution Fly's Eye. Astrophysical Journal, 622, p. 910 (2005).

[17] H. Kawai et al. Telescope Array: Progress of Surface Array. Proc. 29th ICRC, Pune, 8, p. 181

(2005).

[18] Г.Т. Зацепин, В.А. Кузьмин. О верхней границе спектра космических лучей. Письма ЖЭТФ, № 4, с. 114 (1966).

[19] K. Greisen. End to the Cosmic-Ray Spectrum? Phys. Rev. Letters, 16, p. 748 (1966).

[20] J. Abraham et al. Studies of Cosmic Ray Composition and Air Shower Structure with the Pierre Auger Observatory. Proc. 31st ICRC, Lodz, arXiv:0906.2319 (2009).

[21] Г.В. Куликов, Г.Б. Христиансен. О спектре широких атмосферных ливней по числу частиц. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 35, № 3, с. 635 (1958).

[22] M. Aglietta et al. UHE cosmic ray event reconstruction by the electromagnetic detector of EAS-TOP. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 336, p. 310 (1993).

[23] The MACRO Collaboration. MACRO, a large-area detector at the Gran Sasso Laboratory. Il Nuovo Cimento, 9C, p. 281 (1986).

[24] C. Alberini et al. The large-volume detector (LVD) of the Gran Sasso Laboratory. Il Nuovo Cimento, 9C, p. 237 (1986).

[25] M. Aglietta et al. The EAS-TOP array at E0 = 1014 - 1016 eV: stability and resolutions. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 277, p. 23 (1989).

[26] G. Navarra. Cosmic ray physics between 1012 and 1016 eV: the EAS-TOP results. Proc. Frontier Objects in Astrophysics and Particle Physics, Bologna, p. 453 (2003).

[27] W.D. Apel et al. The KASCADE-Grande experiment. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 620, p. 202 (2010).

[28] T Antoni et al. The cosmic-ray experiment KASCADE. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 513, p. 490 (2003).

[29] J. Engler et al. A warm-liquid calorimeter for cosmic-ray hadrons. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 427, p. 528 (1999).

[30] P. Doll et al. Muon tracking detector for the air shower experiment KASCADE. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 488, p. 517 (2002).

[31] Сайт эксперимента KASCADE-Grande (29.03.2018): https://web.ikp.kit.edu/KASCADE/

[32] A. Haungs et al. Two Decades of KASCADE and KASCADE-Grande Measurements: Some Achievements. Proc. 34th ICRC, Hague, POS(ICRC2015)278 (2015).

[33] N.M. Budnev et al. TAIGA: the Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy - present status and perspectives. JINST, 9, C09021 (2014).

[34] F.G. Schröder et al. Tunka-Rex: Status, Plans, and Recent Results. EPJ Web of Conferences 135, 01003 (2017).

[35] R. Hiller et al. Status and First Results of Tunka-rex, an Experiment for the Radio Detection of Air Showers. Physics Procedia, 61, p.708 (2015).

[36] L.A. Kuzmichev et al. Tunka Advanced Instrument for cosmic rays and Gamma Astronomy (TAIGA): Status, results and perspectives. EPJ Web of Conferences, 145, 01001 (2017).

[37] В.М. Айнутдинов и др. НЕВОД - многоцелевой нейтринный детектор на поверхности Земли. Инженерная физика, № 4, с. 71 (2000).

[38] С.С. Хохлов и др. Мюонная калибровка черенковского водного детектора НЕВОД. Известия РАН. Серия физическая, 75, № 3, с. 460 (2011).

[39] С.С. Хохлов и др. Современный статус черенковского водного детектора НЕВОД. Труды III Черенковских чтений: Новые методы в экспериментальной ядерной физике и физике частиц. М., ФИАН, 2010, с .30.

[40] И.А. Шульженко и др. 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», М., ФИАН, 2011, с. 101.

[41] I.I. Yashin et al. Status of the NEVOD-DECOR experiment. Proc. 32nd ICRC, Beijing, China, ID 0322 (2011).

[42] Н.С. Барбашина и др. Координатный детектор для исследования горизонтального потока космических лучей. Приборы и техника эксперимента, № 6, с. 20 (2000).

[43] А.Г. Богданов и др. Исследование характеристик потока и взаимодействия космических лучей сверхвысоких энергий с помощью метода спектров локальной плотности мюонов. Ядерная физика, 73, № 11, с. 1904 (2010).

[44] Сайт эксперимента ALEPH (29.03.2018): http://aleph.web.cern.ch/aleph/

[45] Сайт эксперимента DELPHI (29.03.2018): http://delphiwww.cern.ch

[46] G. Rodriguez. A measurement of the muon number in showers using inclined events detected at the Pierre Auger Observatory. EPJ Web of Conferences, 53, 7003 (2013).

[47] Сайт эксперимента Pierre Auger Observatory (29.03.2018): https://www.auger.org

[48] A.G. Bogdanov et al. New approach to muon investigations in inclined EAS. Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.), 175-176, p. 342 (2008).

[49] I.A. Shulzhenko et al. Proposal of NEVOD-EAS shower array. J. Phys.: Conf. Ser., 409, 012098 (2013).

[50] И.А. Шульженко и др. Проект установки НЕВОД-ШАЛ для регистрации широких атмосферных ливней. Известия РАН. Серия Физическая, 77, № 5, с. 710 (2013).

[51] S.S. Khokhlov, ..., I.A. Shulzhenko et al. Measuring system of the NEVOD-EAS array. Proceedings of Science, 30-July-2015, 660 (2015).

[52] И.А. Шульженко и др. Статус эксперимента НЕВОД-ШАЛ. Известия РАН. Серия Физическая, 79, № 3, с. 423 (2015).

[53] I.I. Yashin, ..., I.A. Shulzhenko et al. EAS array of the NEVOD Experimental Complex. J. Phys.: Conf. Ser., 632, 012029 (2015).

[54] О.И. Ликий, ..., И.А. Шульженко и др. Исследование характеристик сцинтилляционных детекторов установки НЕВОД-ШАЛ. Приборы и техника эксперимента, № 6, с. 5 (2016).

[55] I.A. Shulzhenko et al. Detector station and registering system of the NEVOD-EAS array cluster. J. Phys.: Conf. Ser., 675, 032041 (2016).

[56] MB. Amelchakov, ..., I.A. Shulzhenko et al. Cluster type EAS array of the NEVOD experimental complex. JINST, 12, C06033 (2017).

[57] I.A. Shulzhenko et al. Scintillation array of the Experimental Complex NEVOD for EAS investigations. EPJ Web of Conferences, 145, 07003 (2017).

[58] И.А. Шульженко и др. Центральная часть установки НЕВОД-ШАЛ: первые результаты. Известия РАН. Серия Физическая, 81, № 4, с. 524 (2017).

[59] Устройство для определения направления прихода широких атмосферных ливней: пат. 2549612 Рос. Федерации: МПК G01T 1/20 / И. И. Астапов, М. Б. Амельчаков, А. Г. Богданов, Д. М. Громушкин, Р. П. Кокоулин, К. Г. Компаниец, А. А. Петрухин, С. С. Хохлов, И.А. Шульженко, И. И. Яшин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ". - № 2013157746/28; заявл. 25.12.2013; опубл. 27.04.2015, Бюл. № 12 (II ч.) . - 10 с.

[60] Характеристики сцинтиллятора NE102A (14.06.2016): http://www.eljentechnology.com/index.php/products/plastic-scintillators

[61] Характеристики DC/DC преобразователя TRACO PHV12-2.0K2500N (23.01.2018): http://www.datasheetlib.com/datasheet/236912/phv12-2.0k2500n_traco-power.htmltfdatasheet

[62] Характеристики термодатчика LM335z (23.01.2018): http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/04/fa/9d/16/39/87/44/8d/ CD00000459.pdf/files/CD00000459.pdf/jcr:content/translations/en.CD00000459.pdf

[63] Н.С. Барбашина и др. Широкоапертурный мюонный годоскоп большой площади УРАГАН. Приборы и техника эксперимента, № 2, с. 26 (2008).

[64] Характеристики модуля ввода-вывода PET-7019 (23.01.2018): http://www.icpdas.com/products/Remote IQ/pet-7000/pet-7019.htm

[65] Описание протокола Modbus TCP (23.01.2018): http://www.modbus.org/docs/Modbus_Messaging_Implementation_Guide_V1_0b.pdf

[66] Peter K.F. Grieder. Extensive Air Showers: High Energy Phenomena and Astrophysical Aspects - A Tutorial, Reference. Manual and Data Book. Springer, Germany, pp. 1118, 2010.

[67] Д. Худсон. Статистика для физиков. Лекции по теории вероятностей и элементарной статистике. Перевод с английского. Москва, Мир, 297 стр., 1970.

[68] Lev I. Dorman. Cosmic Rays in the Earth's Atmosphere and Underground. Springer, Netherlands, pp. 862, 2004.

Приложение А. Паспорт детектирующей стации НЕВОД-ШАЛ

№ Кластера 4

№ ДС 4.4 Напряжение питания ДС, В 1400

№ Счетчика № Сцинтиллятора Относительный световыход сцинтиллятора, пКл № ФЭУ Стандартное напряжение питания ФЭУ, В Чувствительность ФЭУ, пКл Шумы ФЭУ при пороге регистрации 20 мВ, с-1 Рабочее напряжение питания ФЭУ, В Сопротивление балластного резистора, Ом

4.4.1(Ы3) 143 1.72 6967 1536 20 0.06 1280 408000

4.4.2(133) 139 1.44 6455 1525 21 0.07 1310 240000

4.4.3(114) 142 1.49 6562 1640 21 0.04 1400

4.4.4 (34) 144 1.57 9034 1610 21 0.03 1400

4.4.4(34)* 144 1.57 6499 1650 21 1.6 689 4000000

Распределения по зарядам отклика счетчиков в режиме самозапуска и с балластными сопротивлениями

№ 4.4.1

№ 4.4.2

№ 4.4.3

№ 4.4.4

Приложение Б. Координаты детектирующих станций НЕВОД-ШАЛ

Таблица А.1. Координаты ДС НЕВОД-ШАЛ относительно центра крыши корпуса 47Б (2

= 0 - уровень расположения сцинтилляторов ДС кластера №3).

№ кластера № ДС X, м У, м Z, м

1 1.1 -25.359 5.885 -6.684

1.2 -37.609 5.885 -6.684

1.3 -37.609 -7.315 -6.684

1.4 -25.359 -7.315 -6.684

2 2.1 -25.359 37.335 -6.684

2.2 -37.609 37.335 -6.684

2.3 -37.609 24.135 -6.684

2.4 -25.359 24.135 -6.684

3 3.1 6.480 12.650 0.0

3.2 -6.872 12.650 0.0

3.3 -6.872 -12.630 0.0

3.4 6.480 -12.630 0.0

4 4.1 37.369 10.956 -14.946

4.2 22.469 10.956 -15.266

4.3 22.469 -3.952 -15.346

4.4 37.369 -3.952 -15.076

5 5.1 37.369 45.572 -16.461

5.2 22.977 45.572 -16.176

5.3 22.977 28.482 -16.516

5.4 37.369 28.482 -16.516

6 6.1 6.915 -56.160 -16.151

6.2 -2.794 -56.160 -15.911

6.3 -2.794 -70.539 -15.931

6.4 6.915 -70.539 -16.101

7 7.1 -9.541 53.623 -17.031

7.2 -20.557 64.708 -17.796

7.3 -20.557 53.623 -17.501

7.4 -9.541 42.539 -16.931

Приложение В. Программное обеспечение установки Графический интерфейс клиентской части ПО системы СГВС

Клиентская часть ПО предоставляет обслуживающему и оперативному персоналу установки графический интерфейс (рис. 1) для контроля за состоянием системы, а также для выполнения стандартных команд управления сервером (подключение и отключение сервера от портов управления и передачи данных МГВС) и модулем глобальной временной синхронизации.

антенны

Рис. 1. Интерфейс клиентской части ПО СГВС.

Управление соединением между сервером и модулем глобальной временной синхронизации, а также процессом передачи данных МГВС осуществляется соответствующими кнопками на панели Connection.

Для управления процессов установки и синхронизации локальных часов МГВС в программе-клиенте предусмотрена панель MGTS Synchronization, позволяющая выбрать один из источников значения времени и синхронизации.

Программа-клиент с помощью панели Manual Device Synchronization позволяет в ручном режиме проводить синхронизацию устройств, подключенных к модулю МГВС, в процессе их тестирования или отладки. В текстовое поле Link mask вводится число, соответствующее битовой маске используемых при этом каналов синхронизации, а в поле Delay - задержка выработки временной метки МГВС на выбранных каналах. При этом в текстовом поле Synchronization Info выводится статусная информация о процессе синхронизации и значение времени в локальных часах МГВС на момент запроса.

Для контроля состояния системы в графическом интерфейсе предусмотрены 2 панели:

- System Status, на которой выводится дата и время последнего запроса статуса СГВС, состояние подключения сервера к портам управления и передачи данных (CONNECTED/ DISCONNECTED), состояние процесса передачи данных модулем МГВС (ENABLED/ DISABLED), была ли выполнена синхронизация модуля МГВС (YES/NO) и источник синхронизации (GPS ANTENNA/SOFTWARE);

- GPS Status, на которой выводится дата и время последнего запроса статусной информации, а также информация о наличии питания антенны, количестве спутников в поле зрения антенны, качестве данных от спутников, статусе процесса инициализации антенны.

Графический интерфейс клиентской части ПО системы ССОД

Графический интерфейс клиентской части ПО системы сбора и обработки данных НЕВОД-ШАЛ включает 3 блока: статусная панель, конфигуратор и диспетчер.

Статусная панель (рис. 2) предназначена для отображения текущей информации о работе ССОД НЕВОД-ШАЛ: разверток измерительных каналов кластеров; темпов счета кластеров и их детектирующих станций; зарядовых спектров отклика детектирующих станций или их отдельных счетчиков, измеренных в ходе мониторинга рабочих параметров установки; расписания запуска режимов работы ССОД.

Блок конфигуратор (рис. 3) предназначен для создания, изменения и удаления режимов работы ССОД и содержит:

- набор вкладок MSC, каждая из которых соответствует конкретному МСУ ССОД и включает панель настроек модуля и 4 панели для установки настроек контроллеров и плат амплитудного анализа БЭКДС ЛП, подключенных к данному МСУ;

- набор кнопок управления, позволяющих создать новый режим (New mode), удалить выбранный режим (Delete mode), добавить или удалить МСУ из создаваемого или редактируемого режима (Add MSC и Delete MSC), сохранить настройки созданного или измененного режима (Save Mode).

Рис. 2. Интерфейс статусной панели клиентской части ПО ССОД.

Рис. 3. Интерфейс конфигуратора клиентской части ПО ССОД. Блок диспетчер (рис. 4) предназначен для составления расписания запуска режимов работы ССОД. Графический интерфейс блока диспетчеризации представляет собой 2 панели.

На левой панели перечислены режимы работы ССОД в порядке их смены в течение измерительной серии, а также даты и времена их запуска/остановки. Даты и времена запуска/остановки режимов работы могут быть изменены. На правой панели расположены кнопки управления работой установки.

Рис. 4. Интерфейс диспетчера клиентской части ПО ССОД. Вспомогательное программное обеспечение центрального пункта

Для управления каналами сумматоров-мультиплексоров БЭКДС локальных пунктов кластеров при контроле работоспособности и измерении спектров отклика детектирующих станций или их отдельных счетчиков используется программа, графический интерфейс которой представлен на рис. 5 слева. Данная программа позволяет по сети Ethernet обращаться к модулям ввода-вывода PET-7019 и по протоколу Modbus TCP задавать конфигурацию включенных каналов дискретного вывода модулей, включая или выключая, тем самым, определенные входы каналов суммирования СМ. Также программа позволяет считывать конфигурации включенных каналов дискретного вывода модулей PET-7019 без ее изменения для контроля или проверки текущего состояний входов каналов суммирования.

В основном поле графического интерфейса имеется набор одинаковых вкладок, каждая из которых соответствует модулю PET-7019 определенного кластера. Число подключенных модулей PET-7019, а также их IP-адреса и порты задаются в конфигурационном файле программы. Адрес и порт выбранного модуля выводится в соответствующем текстовом поле. Кнопки Connect и Disconnect позволяют установить или разорвать сетевое подключение к модулю PET-7019. Путем активации или деактивации графических объектов Input 0-4 осуществляется формирование конфигурации активных входов каналов суммирования СМ. Сформированная конфигурация может быть отправлена в модуль ввода-вывода нажатием на кнопку SET. Запрос текущей конфигурации активных входов каналов суммирования СМ

осуществляется нажатием на кнопку CHECK. При этом текущая конфигурация отобразится в окне в виде активных или деактивированных графических объектов Input 0-4.

Рис. 5. Интерфейсы программ для управления каналами сумматоров-мультиплексоров (слева) и измерения времени прохождения сигналов по оптическим кабелям (справа).

Измерение времени прохождения сигналов по волоконно-оптическим кабелям, определяющего систематическое отклонение времени в локальных часах БЭКДС кластера от времени в локальных часах модуля МГВС системы глобальной временной синхронизации установки НЕВОД-ШАЛ, выполняется с помощью программы, графический интерфейс которой представлен на рис. 5 справа.

Данная программа позволяет по сети Ethernet подключаться к модулям МСУ системы сбора и обработки данных НЕВОД-ШАЛ, запускать в них процедуру измерения времени прохождения тестовым сигналом пути от приемопередатчика МСУ до приемопередатчика БЭКДС и обратно, а также вычислять получившееся значение оптической задержки.

Графический интерфейс имеет набор одинаковых вкладок, каждая из которых соответствует определенному модулю МСУ ССОД. Адреса и порты модулей задаются в конфигурационном файле программы. Адрес и порт выбранного МСУ выводится в соответствующем текстовом поле. Кнопки Connect и Disconnect позволяют установить или разорвать сетевое подключение к модулю. Нажатие на кнопку Measure Opt.Delays запускает

процесс измерения задержек на 4 оптических каналах МСУ. Полученные значения выводятся в соответствующих текстовых полях программы.

Для контроля температурного режима в локальных пунктах кластеров оперативным и обслуживающим персоналом, записи и экспресс-анализа информации о температуре внутри корпусов ДС и ЛП используется программа, графический интерфейс которой представлен на рис. 6. Программа осуществляет считывание данных с термодатчиков, подключенных к аналоговым входам модулей РЕТ-7019 кластеров.

Рис. 6. Интерфейс программы для контроля температуры в ЛП и ДС.

Интерфейс программы включает кнопки Start, Stop, Continue для запуска, остановки и возобновления процесса приема температуры от модулей PET-7019. Также интерфейс программы включает поле для отображения графиков и набор текстовых полей (ввод граничных значений по осям графика) и кнопок управления (установка граничных значений, автомасштабирование, включение и отключение отображения отдельных графиков, включение интерактивных инструментов для экспресс-анализа графиков: горизонтальный и вертикальный курсоры, курсор-перекрестие и инструмент «диапазон» для выполнения математических расчетов с рядами данных в устанавливаемых пределах).

Настройки программы (IP-адреса и порты для подключения к PET-7019, частота опроса аналоговых входов модулей, продолжительность отображаемого в области визуализации временного интервала, названия графиков и стили их отображения) задаются в специальном конфигурационном файле.

Программа первичной обработки данных кластеров

Графический интерфейс программы для первичной обработки данных кластеров установки НЕВОД-ШАЛ представлен на рис. 7.

Рис. 7. Графический интерфейс программы для первичной обработки данных кластеров.

Данная программа позволяет выполнять обработку данных отдельных кластеров и имеет набор панелей:

- панель управления для выбора файлов данных кластера, директории, в которую по окончанию работы программы будут записаны результаты обработки, и анализируемых интервалов работы установки в режимах мониторинга или экспозиции, а также принятия установленных в других панелях параметров, запуска процесса обработки и отображения статуса процесса обработки данных кластера;

- панель установки параметров работы алгоритма анализа разверток сигналов: границы участков разверток, в которых определяются параметры пьедестала (по умолчанию - от 0 до 300 точки развертки) и осуществляется поиск положения максимальной амплитуды импульса

(по умолчанию - от 350 до 600 точки развертки), и величину программного порога для отбора анализируемых сигналов по амплитуде (по умолчанию - 3-о);

- панель информации о кластере для выбора кластера, просмотра и редактирования значений коэффициентов преобразования каналов сумматоров-мультиплексоров и плат амплитудного анализа его БЭКДС (при выборе кластера значения коэффициентов преобразования подгружаются из соответствующих конфигурационных файлов);

- панель вывода информации о работе программы (путь к выбранным файлам данных, директория для сохранения результатов обработки, используемые значения параметров алгоритма анализа разверток, время запуска и окончания обработки данных и др.).

По окончанию обработки данных кластера в директории назначения записываются 5 текстовых файлов с результатами, представленными в виде таблиц:

- A_Q_RES.TXT - число сработавших в событиях измерительных каналов БЭКДС, значения амплитуд и зарядов сигналов;

- PDS_RES.TXT - положения и среднеквадратичные разбросы пьедесталов измерительных каналов БЭКДС в событиях;

- TR_RES.TXT - времена срабатывания измерительных каналов БЭКДС в событиях относительно начала разверток сигналов;

- T_RES.TXT - длительности сигналов и их передних и задних фронтов в событиях;

- STAT.TXT - содержит статистическую информацию о числе зарегистрированных кластером события, количестве событий с кратностями срабатывания ДС от 1 до 4, количество срабатываний каждой из ДС кластера;

Все файлы с результатами обработки, за исключением файла STAT.TXT, содержат также информацию о номерах и временах регистрации событий.

Также данная программа имеет консольную версию, которая постоянно запущена на управляющей ЭВМ ССОД и после окончания очередного RUN набора или серии осуществляет обработку данных всех кластеров в автоматическом режиме со стандартными параметрами работы алгоритма анализа разверток.

Программа визуализации разверток сигналов

Графический интерфейс программы для визуализации разверток сигналов в регистрируемых кластерами событиях и их анализа на предмет наличия нарушений в работе спектрометрических трактов измерительных каналов БЭКДС представлен на рис. 8.

Программа позволяет указать путь к файлу данных кластера, в котором содержатся развертки измерительных каналов БЭКДС в 100 зарегистрированных кластером событиях. При открытии файла данных в области визуализации отображаются развертки сигналов в первом событии выбранного файла, а в специальном поле выводится информация о номере и времени

регистрации показанного события, и диапазон номеров событий кластера, записанных в файле. Ось абсцисс в области визуализации соответствует номерам ячеек буферов FIFO измерительных каналов (1 точка - 5 нс), а ось ординат - амплитудам в кодах АЦП.

Панель навигации по событиям кластера Управление инструментами

Рис. 8. Интерфейс программы для визуализации разверток сигналов в событиях кластеров.

С помощью панели навигации можно осуществлять последовательный переход между событиями, а также поиск конкретного события по его номеру.

Панели управления областью визуализации графиков позволяют устанавливать граничные значения по осям абсцисс и ординат, выполнять автомасштабирование, включать или отключать отображение разверток отдельных каналов, активировать интерактивные инструменты для экспресс-анализа сигналов: горизонтальный и вертикальный курсоры, курсор-перекрестие и инструмент «диапазон» для определения параметров рассматриваемых сигналов в устанавливаемых пределах развертки. Инструмент «диапазон» позволяет оценить положение и среднеквадратичный разброс нулевой линии АЦП измерительного канала, амплитуду (в мВ и кодах АЦП) и заряд анализируемого сигнала. Результаты расчетов выводятся в текстовом поле, расположенном в левом верхнем углу области визуализации. Для расчета амплитуд и зарядов сигналов в настройках инструмента «диапазон» заложены усредненные значения коэффициентов преобразования спектрометрических трактов каналов БЭКДС.

В правом верхнем углу области визуализации дополнительно располагается легенда отображаемых графиков.