ЧЕРЕНКОВСКИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ В СОСТАВЕ ЯКУТСКОЙ УСТАНОВКИ ШАЛ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 3837

Мохначевская Валентина Петровна Mokhnachevskaya Valentina Petrovna

Младший научный сотрудник Junior researcher

Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН Yu. G. Shafer Institute of cosmophysical research and aeronomy SB RAS

ЧЕРЕНКОВСКИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ В СОСТАВЕ ЯКУТСКОЙ УСТАНОВКИ ШАЛ

DIFFERENTIAL CHERENKOV DETECTORS AS PART OF THE YAKUTSK EAS ARRAY

Аннотация: В работе приводится описание системы черенковских дифференциальных детекторов, работающих на Якутской установке ШАЛ. Дано описание аппаратной и программной частей системы, предназначенной для предварительного просмотра и регистрации сигнала от черенковских детекторов.

Abstract: The paper provides a description of the system of differential Cherenkov detectors working on the Yakutsk EAS array. Description is given for hardware and software parts of a system intended for previewing and recording the signal from Cherenkov detectors.

Ключевые слова: Якутская установка ШАЛ, черенковский дифференциальный детектор, космические лучи, черенковское излучение

Key words:Yakutsk EAS array, differential Cherenkov detector, cosmic rays, Cherenkov radiation.

На землю по всем направлениям из мирового пространства льется непрерывный поток заряженных частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Эти частицы, называемые космическими лучами [1,2], представляют собой ядра различных элементов. Основное свойство космических лучей, которое отличает их от всех других типов излучения и которое определяет их чрезвычайную важность для современной физики, - это очень большая энергия индивидуальных частиц космического излучения. Уже при первом столкновении первичной частицы сверхвысокой энергии с ядром атома воздуха

Международная научно-практическая конференция рождается большое количество адронов, преимущественно заряженных 7, 77

и нейтральных 7° - мезонов под общим названием пионы. В то же время около половины полной энергии передается одному лидирующему нуклону, который в дальнейшем сам испытывает новые столкновения. Рождающиеся пионы и другие адроны также могут участвовать в ядерных столкновениях, в которых увеличивается их общее число, но уменьшается энергия, приходящаяся на одну частицу. С другой стороны, эти частицы нестабильны и могут распадаться.

Время жизни нейтральных пионов мало (7° =2*10-16с) и их распад на два г -кванта происходит эффективно с самого начала ядерного каскада. Гамма-кванты порождают электромагнитные лавины, в которых образуется большое число электронов е- и позитронов е+. Так формируется мягкая электронно-фотонная компонента широких атмосферных ливней (ШАЛ) - электромагнитный каскад.

Большой интерес представляет регистрация черенковского излучения ШАЛ [3]. Так как оно образуется вдоль всего пути развития ШАЛ и слабо поглощается в чистой атмосфере, по его полному потоку можно определить энергию первичной частицы и восстановить продольное развитие (каскадную кривую). Лишь сравнительно недавно появилась возможность получать прямое измерение продольного развития ШАЛ экспериментальным методом.

Для данного эксперимента используется черенковский дифференциальный детектор на основе камеры обскура [4,5], который работает в составе Якутской установки ШАЛ, помимо черенковских интегральных, сцинтиляционных и мюонных детекторов. Особенность работы черенковского дифференциального детектора состоит в том, что детектор дает возможность получить информацию с различных высот над уровнем моря. Довольно простая конструкция в виде камеры с узкой щелью, под которой расположена мозаика фотоумножителей (ФЭУ) имеет узкий угол обзора по вертикали и максимально широкий угол охвата по горизонтали. На рисунке 1 показаны черенковские дифференциальные детекторы, которые состоят из камеры, мозаики из фотоумножителей, блока регистрации. Обскура 1 и Обскура 2 имеют узкие прямоугольные щели, Обскура

Научные исследования и инновации два имеет 2 узкие круглые щели. Мозаика Обскуры 1 представляет собой цепочку из фотоумножителей, расположенных на нижней части плоскости камеры вдоль линии перпендикулярной щелям. Мозаика Обскуры 2 и 3 имеет крестообразную форму, расположенную также на нижней части плоскости камеры.

Обскура 1 Обскура 2 Обскура 3

Рис. 1. Черенковские дифференциальные детекторы с разными щелями и

мозаикой из фотоумножителей

В каждом случае в зависимости углов прихода ливня (азимутальный и зенитный углы) относительно данного детектора будут получены сигналы ФЭУ

Международная научно-практическая конференция мозаики, соответствующие различным участкам каскадной кривой развития ШАЛ.

Две щели в случае детекторов Обскура 1 и 3 обеспечивают обзор участка неба с разных полусфер по азимутальному углу. Конструкция детектора Обскура 2 благодаря двум кольцевым щелям, охватывают более широкий диапазон зенитных углов и из-за крестообразного расположения фотомозаики обеспечивают более-менее равномерную эффективность наблюдений по азимуту.

Засвечиваемая площадь фотокатода фотоумножителя меняется в процессе измерения потока черенковского излучения. При движении ливня от верхней границы участка к нижней границе, эта площадь плавно меняется от нуля до некоторого максимального значения, когда ливень достигает примерно середины обозреваемого участка атмосферы. Линейную развертку импульса черенковского излучения можно получить при условии, что детектор находится на значительном расстоянии от его оси.

Для регистрации формы отклика фотоумножителя используются компьютеры класса повышенной надежности Pentium с объединительной платой для слотов PCI. Слоты PCI оснащены Lan 10m 8 PCI-картами с двумя быстрыми 8-битными АЦП с частотой дискретизации 100 МГц и буферной памятью 2 МБ. Система оснащена программным управлением усилением сигналов с выходов фотоумножителя, каждая плата обслуживает 2 измерительных канала. Наблюдательные пункты интегрированы в общую сеть установки. Передача данных и временная синхронизация станций осуществляются по волоконно-оптической сети (Рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема системы регистрации дифференциальных

черенковских детекторов

Программное обеспечение каждого детектора включает в себя 3 компонента: Регистрация наблюдений, предварительный анализ и регистрация калибровочных измерений с обработкой. Все программные компоненты работают в среде Windows и имеют графический интерфейс для управления работой программ. Перед сеансом наблюдения устанавливается коэффициент усиления плат АЦП, общий для каждой группы, после чего программа регистрации переходит в режим "предыстории" заполнения счетчиками текущего детектора и ожидания задающего импульса. Для каждого события вместе с данными измерений в файл записываются дата, время, порядковый номер события в сеансе мониторинга и значения усиления плат АЦП. Эта служебная информация используется для сопоставления дифференциальных событий черенковских детекторов с событиями на больших и малых черенковских установках.

Международная научно-практическая конференция

Рис. 3. Файл регистрации ливневого события ШАЛ

Программы регистрации запускают АЦП в непрерывном режиме и преобразуют сигналы с выходов фотоумножителя и циклически записывают их в буферную область памяти, называемую "предысторией". "Предыстория" содержит записи отсчетов АЦП за последние 13 МКС сигналов, временной интервал между соседними отсчетами составляет 10 НС. После прихода "мастеров" из большой установки или SCI область буферной памяти под названием «История» записывает цветовые сигналы типа «Мастер» и данные об амплитуде калибровочного светодиода, образуя в сочетании с предысторией кадр событий (Рис. 3). Полученные кадры событий ливня вносятся в файловую запись и добавляются в исходный файл, созданный автоматически в начале сеанса наблюдения.

Предварительный анализ включает просмотр кадров в расширенном во времени масштабе, поиск полезного сигнала в "предыстории" и определение параметров сигналов - амплитуды, площади, полуширины и максимального момента.

Для обработки данных выбираются все события, где работало от 5 и более фотоумножителей фотомозаики. На рис. 3 показана регистрация события в дифференциальном черенковском детекторе 1, где сработали все 10

фотоумножителей фотомозаики. Все первичные данные определяются по показаниям наблюдательных станций Якутской установки, участвовавших в регистрации ШАЛ: х0, у0 - координаты пересечения оси ливня с плоскостью установки, энергия ливня Е0, углы прихода ливня 0, ф, общее число заряженных частиц № на уровне наблюдения. Погрешность определения координат оси ливня составляет ~ 15-35 м, а зенитный угол направления прихода-с точностью ~ 3-5

Рис. 4. Импульсная развертка каждого фотоумножителя фотомозаики

Обскуры 1

Рис. 5. Зависимость числа частиц N(x) от глубины X развития ШАЛ

Согласно программе обработки регистрационных данных, высоты Н определяются каждым мозаичным фотоумножителем соответствующего

13

Международная научно-практическая конференция черенковского дифференциального детектора и пересчитываются на глубину атмосферы X в г/см2 [6]. Затем на уровне наблюдений с сцинтилляционных детекторов большой установки определяется общее количество заряженных частиц. В дальнейшем эта характеристика ШАЛ используется для построения хвоста каскадной кривой за пределами максимального развития ливней (Xmax) и реконструирования каскадной кривой в широком диапазоне по глубине атмосферы.

В настоящее время ведутся работы по модернизации Якутской установки ШАЛ. Проведена отладка новой версии радиоэлектронного оборудования станций наблюдения и метода сбора и обработки данных. Повышение точности синхронизации времени станции даст нам значительное повышение точности определения параметров ШАЛ, локализации оси ливня в пространстве, т. е. координат оси ливня в плоскости установки, зенитного и азимутального углов.

Библиографический список:

1. Росси Б. Космические лучи. М.: Атомиздат, 1966. 236с

2. Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. М.:Изд. МГУ, 1988.

304с

3. Джелли Дж. Черенковское излучение и его применение. М.: Изд-во иностранная литература, 1960. 334 с.

4. Garipov G.K., Khrenov B.A. Camera Obscura for observation of EAS images in Cherenkov light // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 1994. V. 20. P. 1981-1988.

5. Григорьев В.М. Новый метод исследования продольного развития широких атмосферных ливней // Наука и техника в Якутии, Якутск, .№2(13), с.28-33 (2007)

6. В.П. Мохначевская, И.Е. Слепцов, С.П. Кнуренко, А.В. Сабуров, Ю.А. Егоров, З.Е. Петров. Глубина максимума развития ШАЛ с энергиями выше 1016 эВ по измерениям в индивидуальных событиях трековыми черенковскими детекторами // Известия РАН. Серия физическая. С 1134-1136