кластер установки невод-шал для регистрации широких

КЛАСТЕР УСТАНОВКИ НЕВОД-ШАЛ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ
О.И. Ликий, В.В. Киндин, С.С. Хохлов, И.А. Шульженко
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Научно-образовательный центр НЕВОД, Москва, Россия
E-mail: OILikiy@mephi.ru
Введение
В результате исследований групп мюонов в широком диапазоне зенитных углов и
множественностей, проведенных на комплексе НЕВОД-ДЕКОР [1, 2] в 2002-2009 гг., было показано, что
интенсивность групп мюонов превышает их расчетное количество даже для предельного состава ПКЛ (ядра
железа). Для решения этой проблемы необходима информация о положении оси регистрируемых широких
атмосферных ливней, которая может быть получена по данным ливневой установки, размещенной вокруг
комплекса НЕВОД-ДЕКОР.
В настоящее время вокруг экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР (МИФИ) создается
установка для регистрации ШАЛ в области энергий первичных частиц 1015 – 1017 эВ (НЕВОД-ШАЛ) [3].
Установка НЕВОД-ШАЛ представляет собой массив детекторов, размещенных на крышах лабораторных
корпусов МИФИ. Измерительная система имеет кластерную организацию. Кластер формируется из 16
сцинтилляционных детекторов, объединенных в четыре детекторные станции. Центральная часть установки
будет содержать 12 кластеров. Размер кластера ~ 20×20 м2. Характерные расстояния между кластерами ~
20 м. Площадь установки составит ~ 2×104 м2. Каждый детектор обеспечивает спектрометрические и
временные измерения при регистрации электронно-фотонной компоненты. Кластер является автономным
элементом установки, что значительно упрощает организацию функционирования всей регистрирующей
системы.
В данной работе приводятся описания детектора установки, результаты тестирования его элементов
на специальных измерительных стендах. Приведена методика настройки комплектов детектирующих
станций для использования их в кластерах установки НЕВОД-ШАЛ.
Детектор установки НЕВОД-ШАЛ
Детектор установки НЕВОД-ШАЛ представляет из себя пирамидальный светонепроницаемый
корпус из нержавеющей стали изнутри окрашенный диффузно отражающей краской (рис.1), внутри
которого размещается органический сцинтиллятор NE102A и фотоумножитель Philips XP3462.
Сцинтиллятор
NE102A
80 × 80 × 4 см3
Диффузно
отражающее
покрытие
Крышка корпуса
детектора
Опора
сцинтиллятора
Корпус
детектора
Экран
ФЭУ
ФЭУ Philips
XP3462
Сигнальный
разъем
Разъем HV
Рис. 1. Схематическое изображение детектора установки
Детекторы объединяются в детектирующие станции (ДС). В состав одной ДС входит 4 детектора.
Три детектора оборудованы одним ФЭУ, а четвертый – двумя. Четыре ФЭУ (стандартные) настроены так,
чтобы амплитудные и зарядовые распределения всех четырех детекторов имели близкие наиболее
вероятные значения, и используются для измерения плотностей частиц регистрируемых ШАЛ и временных
измерений. Дополнительный ФЭУ в 4-м детекторе имеет коэффициент усиления ≈ в 20 раз меньше, чем
стандартный, и используется для обеспечения широкого диапазона линейности измеряемых сигналов при
больших плотностях частиц (высокие энергии первичных частиц или регистрация ствола ШАЛ).
Динамический диапазон ДС ~ 10000 част./м2.
Кластер установки НЕВОД-ШАЛ
Четыре детектирующие станции объединяются в один кластер при помощи локального пункта (ЛП)
сбора и первичной обработки данных. Основными элементами ЛП являются: сумматор-мультиплексор и
блок первичной обработки и передачи данных, которые размещаются внутри влагозащищенного
термостабилизированного корпуса. Структура кластера НЕВОД-ШАЛ представлена на рис. 2.
Блок первичной обработки и передачи данных осуществляет оцифровку амплитудной информации
с детекторов кластера и отбор событий по внутрикластерным триггерным условиям, а также передачу
данных в центральный пункт управления, сбора и обработки данных по оптической линии связи. Данный
блок включает две платы амплитудного анализа (ПАА) и контроллер, выполненные по стандарту VME,
которые размещаются в крейте 6U стандарта Евромеханика. Каждая ПАА имеет по 2 канала для
подключения детекторов, причем каждый канал имеет по 2 входа. Сигнал, поступающий на вход канала,
оцифровывается при помощи 12-разрядного сканирующего АЦП с частотой дискретизации 0.2 ГГц. Для
установки порога регистрации на активном входе используется 8-битный ЦАП.
Кластер
Детектирующая
станция
2
1
1
2
Станция 1
Станция 2
3
4
4
Детектор с
увеличенным
динамическим
диапазоном
3
ЛП
2
4
3
GPS
H
U
B
Станция 4
Блок
электроники
кластера
детектирующих
станций
1
Центральный пункт
сбора и обработки
данных
Детектор
4
Станция 3
H
O
S
T
3
1
2
Рис. 2.Схема кластера установки НЕВОД-ШАЛ.
Сумматор-мультиплексор имеет 4 канала, каждый из которых предназначен для суммирования
сигналов со стандартных ФЭУ ДС. Суммарный сигнал поступает на 1-й вход соответствующего канала
ПАА. При мониторинге работоспособности установки сумматор-мультиплексор позволяет регистрировать
сигналы только с определенных детекторов ДС. Сигналы с дополнительных ФЭУ ДС поступают на 2-е
входы каналов ПАА напрямую.
Тестирование элементов детекторов установки НЕВОД-ШАЛ
Перед сборкой и монтажом кластеров необходимо провести тестирования основных элементов
детектора: фотоумножителей и сцинтилляционных пластин. Тестирование ФЭУ и сцинтилляторов
производилось с помощью автоматизированных стендов (рис.3).
Сигнал
Цифровой
осциллограф
Детектор
НЕВОД-ШАЛ
PC
Данные
ФЭУ
m
СМ
УРАГАН
Стримерные
камеры
Ethernet
Сигнал запуска
светодиода(ов)
ПК
Цифровой
Осциллограф
триггер
Сигнал запуска
осциллографа
USB-шина данных
Источник
высоковольтного
питания ФЭУ
Переключатель
Цифровой
частотомер
Д а нн
Драйвер
светодиода
ые
PC
URG
Светодиод
Светофильтр
Контроллер
запуска
светодиодов
Пенопласт
Платформа
Светоизолированный
бокс
Рис. 3. Измерительные стенды для тестирования ФЭУ и сцинтилляторов.
При тестировании ФЭУ, помещенного в светоизолированный бокс, в качестве источника световых
вспышех используются 2 голубых светодиода. В ходе тестирования ФЭУ Philips XP3462 измеряются:
напряжение питания, обеспечивающее коэффициент усиления M ≈ 2×106; разброс задержек срабатывания
(джиттер) при одноэлектронной подсветке; диапазон линейности; относительная чувствительность;
темновые шумы. Методика тестирования указанных параметров описана в [4].
62.72
31.86
80
120
60
100
40
80
0
60
20
40
0.7813
0.3906
0
20
40
60
80
100
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1.000
20
1.000
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
80.00
№пл170
100
100
80
60
40
20
0
120
Eff=96%
24%
20
20
40
40
60
60
80
80
100
100
100
120
120
120
20
20
40
40
60
60
80
80
100
120
Рис. 4. Матрицы по заряду и эффективности отклика пластины №170 на прохождение одиночного мюона.
При оценке числа частиц ШАЛ одним из важных факторов, влияющих на ее корректность, является
однородность собирания света от вспышек в сцинтилляторе детектора при прохождении частиц через
различные области его рабочего объема. Для определения величины неоднородности собирания света
детекторов НЕВОД-ШАЛ было проведено их тестирование с помощью супермодуля (СМ) установки
УРАГАН [5]. Его хорошее пространственное и угловое разрешения (1 см и 0.7°) позволяет детально изучить
структуру отклика сцинтилляционного детектора, расположенного на поверхности СМ.
Для анализа неоднородности собирания света в детекторе НЕВОД-ШАЛ отбирались события, в
которых одиночные мюоны проходят через сцинтиллятор под зенитным углом менее 15°. На рис. 4
представлены матрицы значений среднего заряда отклика детектора на прохождение одиночного мюона
(слева) и эффективности регистрации одиночных мюонов (справа), треки которых были выделены с
помощью СМ. Оси на левых нижних блоках матриц отражают геометрические размеры исследуемой
области в сантиметрах. Тоном отображены средний заряд отклика детектора в пКл и эффективность
регистрации. Верхние и правые боковые блоки показывают изменение светосбора и эффективности
регистрации в двух взаимно перпендикулярных сечениях. Положения сечений указаны на матрицах
светлыми линиями. Согласно полученным результатам измерений, неоднородность светосбора детектора
составляет ~ 25%, а средняя эффективность регистрации ~ 95%.
Комплектация детектирующей станции установки
По результатам тестирования элементов детектора был произведен отбор пар ФЭУ+сцинтиллятор
для установки в один корпус. Основной принцип комплектации состоит в объединении в одну сборку ФЭУ
с максимальной чувствительностью со сцинтиллятором, который обладает наименьшим световыходом и
наоборот. Все детекторы установки настраиваются на одинаковое положение мюонного пика (~13.5 пКл)
при одном пороге регистрации. Ниже приведены спектры для одного детектора до и после настройки рис.5
200
120
180
ФЭУ 5882
№ сц 25
100
Uпор = 35 мВ
140
U = 1630 В
Qпик= 18.7 пКл
120
Число событий
Число событий
160
100
80
60
40
ФЭУ 5882
№ сц 25
80
Uпор = 20 мВ
60
U = 1525 В
Qпик = 13.3 0.3 пКл
40
20
20
0
0
20
40
60
80
100
0
0
20
40
60
80
100
Заряд, пКл
Заряд, пКл
Рис.5. Зарядовые спектры до (слева) и после (справа) настройки.
По данным настройки видно, что для получения отклика в 13.3 пКл для данного детектора
напряжение питания было снижено на 105 В. Данная работа была проведена для 4-х детекторов, после чего
был сформирован комплект детектирующей станции установки НЕВОД-ШАЛ.
Заключение.
Создаваемая на базе экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР установка для регистрации
широких атмосферных ливней НЕВОД-ШАЛ позволит определять мощность, положение оси и направление
прихода ШАЛ. Установка будет работать совместно с другими установками экспериментального комплекса
НЕВОД и позволит регистрировать ШАЛ с энергиями 1015-1017 эВ, а также осуществить проверку
методики регистрации групп мюонов с помощью детектора ДЕКОР. Новые данные, полученные с помощью
установки НЕВОД-ШАЛ, позволят сузить область энергий первичных частиц космических лучей,
ответственных за генерацию групп мюонов с определенной множественностью, приходящих под разными
зенитными углами.
Литература.
1. Aynutdinov V.M. et al. // Astrophysics and Space Science. 1997. V. 258. P. 105.
2. Amelchakov M.B. et al. // Proc. 27th ICRC. Hamburg. Germany. 2001. V. 3. P. 1267.
3. И.А. Шульженко и др. // Проект установки НЕВОД-ШАЛ для регистрации широких атмосферных ливней
// Известия РАН, сер. физич., т. 77, вып. 5, сс. 710–712, 2013.
4. Philips Photonics // Photomultiplier tubes. Principles and applications. 1994.
5. Барбашина Н.С. и др. // Приборы и техника эксперимента. 2008. № 2. С. 26.