УДК 53

МОДЕРНИЗАЦИЯ МЮОННОГО СУПЕРТЕЛЕСКОПА

Искаков Б.А.1, Мендибаев К.О.2
1КазНУ им. аль-Фараби, ассистент кафедры твердого тела и нелинейной физики физико-технического факультета
2КазНУ им. аль-Фараби, магистрант 2-го курса физико-технического факультета

Аннотация
В последнее время широкое распространение получили конструкции сцинтилляционных детекторов со светосбором на основе спектросмещающих переизлучателей – шифтеров. Обычно это оптические волокна – файберы, вклеенные в сцинтиллятор. Применение такой технологии позволяет использовать более дешевый и технологичный литьевой сцинтиллятор (с меньшей длиной затухания света по сравнению с блочным), компактные фотоприёмники, а также создавать малогабаритные, лёгкие и относительно дешевые конструкции. В статье приводятся результаты исследования двух вариантов «волоконных» счётчиков с толщинами сцинтилляционных пластин 1 см и 5 см, а также результаты испытаний тестовой «волоконной» сборки с толщиной сцинтиллятора 3 см.

Ключевые слова: ионизирующая излучения, космические лучи, мюоны, сцинлилляционный детектор, сцинтилятор, фотокатод., фотоны, фотоэлектронный умножитель, широкий атмосферный ливень


MODERNIZATION MUON SUPERTELESCOPES

Iskakov B.A.1, Mendibaev K.O.2
1Kazakh National University. Al-Farabi, Assistant Professor of solids and nonlinear physics of Physics and Technology Department
2Kazakh National University. Al-Farabi, Graduate 2nd year Physics and Technology Department

Abstract
In recent years, widespread construction of scintillation detectors with light collection by Spectrum shifting re-radiators - shifters. Usually it is the optical fiber - Fiber, glued into the scintillator. The use of this technology allows the use of cheaper and more technologically cast scintillator (lower attenuation length of light in comparison with the block), compact photodetectors, and create compact, lightweight and relatively inexpensive construction. The article presents a study of two versions of "fiber" counter scintillator plates with thicknesses of 1 cm and 5 cm, and the test results of the test "fiber" assembly with 3 cm thick scintillator.

Рубрика: Физика

Библиографическая ссылка на статью:
Искаков Б.А., Мендибаев К.О. Модернизация мюонного супертелескопа // Исследования в области естественных наук. 2013. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2013/02/4158 (дата обращения: 29.04.2017).

В большинстве ливневых установок в качестве счетчиков заряженных частиц применяются пластические сцинтилляционные детекторы. Классические детекторы имеют светособирающий диффузор в виде усеченной пирамиды. Внутренние стенки диффузора покрыты краской с высоким коэффициентом диффузного отражения. В вершине пирамиды находится ФЭУ с большим диаметром фотокатода, а в основании – сцинтилляционная пластина, толщиной, как правило, 5 см. Достоинством данного счетчика является хорошее амплитудное разрешение при регистрации одиночных мюонов. К недостаткам можно отнести: значительную неоднородность светосбора (до 20%), чувствительность фотоумножителей с большим диаметром фотокатода к внешнему магнитному полю, большой временной джиттер ФЭУ, относительно высокую стоимость и большую массу. В последнее время широкое распространение получили конструкции сцинтилляционных детекторов со светосбором на основе спектросмещающих переизлучателей – шифтеров. Обычно это оптические волокна – файберы, вклеенные в сцинтиллятор. Фотоны сцинтилляционной вспышки, попадая внутрь шифтера, переизлучаются в зеленую часть спектра. Длина затухания света в оптоволоконных файберах составляет величину 3 – 4 м и поэтому фотоны в них могут проходить значительные расстояния. Применение такой технологии позволяет использовать более дешевый и технологичный литьевой сцинтиллятор (с меньшей длиной затухания света по сравнению с блочным), компактные фотоприёмники, а также создавать малогабаритные, лёгкие и относительно дешевые конструкции.

Среди сцинтилляторов наиболее широко применяется для регистрации частиц высоких энергий  NaI(Tl)  (примесь Tl~0,1%), обладающим малым временем высвечивания и высокой конверсионной эффективностью. Основным преимуществом сцинтилляционных счетчиков являются: высокая разрешающая способность по времени (до 10-10 сек) и линейная зависимость амплитуды выходного импульса от энергии, потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе. Однако эти счетчики обладают высокой эффективностью регистрации ионизирующих излучений, в частности γ-квантов, что создает дополнительные трудности при идентификации мюонов. Но благодаря высокой плотности сцинтиллятора пробег γ-квантов значительно меньше размеров кристалла.  Следовательно, амплитуды импульсов, обусловленных этими двумя группами частиц, существенно различаются, что позволяет успешно осуществлять дискриминацию γ-фона. К недостаткам сцинтилляционных счетчиков следует отнести так же заметное изменение эффективности регистрации в зависимости от колебаний температуры. Так увеличение температуры на 1° приводит к уменьшению светового выхода на 0,06-0,1%. Сцинтилляционные счетчики были успешно использованы при регистрации космических мюонов в скважинах, где вследствие ограниченного объема невозможно  разместить телескопы на газоразрядных счетчиках.

Прибор представляет собой многоканальный азимутальный супертелескоп, состоящий из 20 сцинтилляционных счетчиков общей площадью 20м2 и регистратора. С помощью прибора регистрируются быстрые мюоны приходящие с севера, юга, востока и запада под различными зенитными углами, а так же вертикальная составляющая. Эффективная энергия регистрируемых мюонов Eэф~5*1010эв. Регистратор представляет собой мини – ЭВМ с узкоспециализированной программой. Каждый детектор представляет собой конструкцию состоящую из светосборника, в котором размещены сцинтиллятор и ФЭУ – 49. В кожух ФЭУ вмонтирован предусилитель. Сцинтиллятор изготовлен из полистерола с добавками паратетрафенила. Мюоны попадая в сцинтиллятор вызывают в нем вспышку света (излучение кванта света). Расчеты показывают что средняя энергия фотона сцинтилляции у нас hх=2.5 эв. Колличество фотонов от одного падающего мюона эффективной энергии  n ~ 7*104 фотонов. Время высвечивания τ ~ 2,4*10-9сек. ФЭУ – 49 имеет сурьмяно – натриевый – калиевый – цезиевый фотокатод и конверсионная эффективность фотокатода порядка 30 фотонов на один фотоэлектрон. Но ФЭУ обладает, так же, большим уровнем собственных «шумов»,  то есть выдают импульсы даже без освещения фотокатода. Собственные шумы вместе с импульсами от мягкой компоненты, радиоактивных загрязнений и постороннего света, попавшего на фотокатод образуют фон счетчика.

Рис.1. Схема расположения детекторов мюонного супертелескопа; детектор.

Рис.2. Дифференциальный спектр распределения импульсов от сцинтилляционного счетчика

          Поэтому порог дискриминации Uд1, соответствующий плато интегрального спектра, соответствует так же минимуму дифференциального спектра, чтобы отделить полезный сигнал от фона счетчика. Однако, не все ФЭУ имеют амплитудный дифференциальный спектр вида рис.2 с характерным минимум и максимумом. Минимума может и не быть. В нашей установке для отбора ФЭУ с нужными параметрами, а так же определения индивидуальных характеристик каждого ФЭУ была разработана и использована специальная программа.

Электрические сигналы от детекторов поступают по коаксиальным кабелям в стойку регистратора. Стойка регистратора состоит из трех крейтов. Один из крейтов содержит 20 высоковольтных источников питания ФЭУ, которые выдают напряжение до 2200В и управляются процессором. Нестабильность выхода источника не более 0,01%. Погрешность, связанная с нестабильностью питания ФЭУ, на порядок меньше статистической. Два других крейта содержат процессорный комплект (плата процессора, плата ОЗУ, ПЗУ, параллельный интерфейс, последовательный интерфейс), плату управления высоковольтными источниками питания, 7 плат сдвоенных дискриминаторов (по три на каждой плате), платы накопителей. Схемы совпадений осуществляют отбор импульсов от частиц пришедших с разных направлений. Накопители служат для запоминания информации и выдачи ее по запросу процессора. Светосборник сцинтилляционного счетчика представляет собой разъемный металлический контейнер, имеющий форму шатра с квадратным основанием площадью 100 * 100 сми стороной 35 см; полная высота светосборника равна 60 см(рис.3). В вершине шатра установлен ФЭУ. На внутреннюю поверхность светосборника нанесено методом напыления покрытие с высокой отражательной способностью, в данном случае MgO2. Выполненный таким образом светосборник исключает эффект зависимости импульса на выходе ФЭУ от места прохождения частицы относительно центра детектора. Геометрия шатра подобрана таким образом, чтобы свет собирался в одну определенную точку на фотокатоде ФЭУ. В качестве детектора в счетчике телескопа используется сцинтиллятор, изготовленный на основе полистирола, а также фотоэлектронный умножитель ФЭУ-49. Сцинтиллятор представляет собой блок размерами 500 * 500 *50 мм , в каждом светосборнике уложено по четыре блока [3].

Оценки амплитуды импульса на нагрузке ФЭУ в результате прохождения через сцинтиллятор нормально падающего релятивистского мюона дает величину - 3  В.

Источник питания ФЭУ имеет нестабильность выходного напряжения не более 0,01%. Погрешность связанная с нестабильностью напряжения питания ФЭУ, существенно меньше статистической.

В основу автоматизации данной установки положен принцип гибкой перестраиваемой микропроцессорной системы, связанной по модемному каналу с обрабатывающей ЭВМ.

Микропроцессорный комплект обеспечивает автоматизацию процессов регистрации космического излучения и поддерживает работоспособность установки в заданном режиме. Программное обеспечение управления детекторным модулем (ДМ) предназначено для поддержания нормальной работоспособности ДМ путем регулировки порогов дискриминации сигналов и уровней высокого напряжения питания ДМ. Регулировка необходима для компенсации изменений физических параметров ДМ, таких как «старение» сцинтилляторов, изменение конверсионной эффективности ФЭУ («усталость» ФЭУ), изменение параметров блоков аналоговой обработки сигналов во времени с целью сохранения неизменности амплитуды сигнала от наиболее вероятных энергопотерь частицей в детекторе. На рис.3 представлена блок-схема многоканального азимутального супертелескопа. На аналогичном принципе основано функционирование мюонных годоскопов и других мюонных телескопов и супертелескопов.

Для изучения характеристик счетчиков был создан специализированный стенд. На рис.3 приведена его блок-схема и геометрия эксперимента. Сигналы-отклики ФЭУ счетчиков анализировались с помощью 16-канального 12-разрядного зарядо-цифрового преобразователя П-267. Релятивистские частицы, пересекающие поверхность сцинтиллятора в определенной локализованной зоне, выделялись с помощью телескопа с размерами пластин 10×10 см2, при этом вырабатывался сигнал запуска АЦП. Кроме телескопного триггера, был реализован режим измерений при «самозапуске». В качестве фотоприемника использовался фотоумножитель ФЭУ-115 (диаметр фотокатода 2.5 см), при напряжении питания 1753 В, коэффициент усиления составил величину 6.8·. 

          «Тонкий» счётчик был разработан в ГНЦ ИФВЭ (г. Протвино) в сотрудничестве со специалистами ФИАН РАН имени П.Н. Лебедева для изучения ШАЛ на Тянь-Шанской высокогорной станции  и представляет собой двухслойную сборку сцинтилляционных пластин с общей площадью 1 м2. Каждый слой собран из пластин 20×20×0.5 см3. Светосбор осуществляется с помощью спектросмещающих волокон-файберов. В каждой пластине имеются 4 канавки с шагом 3.6 см глубиной 2.2 мм на расстоянии 4.6 см от краев. В эти канавки вклеены файберы диаметром 1 мм. Концы файберов собраны в жгут, проклеены и отполированы. Торец жгута закреплен вплотную к фотокатоду ФЭУ. Счетчик является компактным, легким и удобным для эксплуатации. Такие счетчики серийно производятся в ГНЦ ИФВЭ и поставляются в различные российские и зарубежные научные организации. В ходе проведённого тестирования счетчика на стенде были измерены спектрометрические и временные характеристики, неоднородность светосбора. Неоднородность световыхода изучалась с помощью релятивистских заряженных частиц (в основном мюонов), выделяемых сцинтилляционным телескопом (см. рис. 3). Эффективная площадь поверхности счётчика (1 м2) была разделена на 100 ячеек, площадью 10×10 см2 каждая. Телескоп устанавливался в первую ячейку и, после набора спектра (1000 запусков), последовательно перемещался через одну, ячейку (1, 3, 5, и т.д). Для каждого измеренного на АЦП П-267 спектра сигналов-откликов определялись среднее значение и среднеквадратичное отклонение. Под коэффициентом неоднородности подразумевается отношение среднеквадратичного отклонения распределения амплитуд для всех точек, к усредненной амплитуде, выраженное в процентах. Полученное значение коэффициента неоднородности отклика детектора по площади составило величину около 12%.

Было проведено изучение временных характеристик данного счётчика. Мюонный телескоп устанавливался на поверхности детектора в определённых точках (4 – по углам, 1 – в центре и 1 – возле ФЭУ), набирались распределения времён прихода сигналов со счётчика относительно сигналов-запусков с телескопа. По данным распределениям были получены значения следующих величин: средняя относительная задержка срабатывания счётчика <Ti>; среднеквадратичное отклонение времени отклика σTi; временной джиттер _Ti1/2; средние значение величины <T> для всего счётчика. Максимальная разность средних времён прихода сигналов-откликов счётчика с ставила примерно 5.6 нс. Анализ показывает, что 97 % событий дают отклики во временных воротах около 16 нс. Важной характеристикой счетчика установки ШАЛ является возможность калибровки по мюонному пику. Однако в спектре сигналов-откликов для «тонкого» сцинтилляционного детектора, измеренных на стенде в режиме самозапуска, мюонный пик отсутствует. Отсутствие мюонного пика объясняется тем, что световыход сцинтилляционной вспышки, генерированной мюонами в пластине толщиной 1 см, сопоставим по величине с мощностью фоновых вспышек.


Библиографический список
  1. Мурзин В.С., Сарычева Л.И. Космические лучи и их взаимодействие. – Москва: Атомиздат, 1968.- 389 с.
  2. И. М. Капитонов. Введение в физику ядра и частиц. М., КомКнига, 2006.
  3. Н. Л. Григоров, М. А. Кондратьева, И. Д. Рапопорт. Космические лучи. М., Физматгиз,1962.
  4. Искаков Б.А.,Тулебаев Т.Н. Сцинтилляционный детектор большой площади для регистрации наклонных ливней ШАЛ // Современные достижение физики и фундаментальное физическое образование-2011. –Алматы: КазНУ, 2011.-152 с.


Все статьи автора «Искаков Бахтияр Абуталиповия»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: