Научно-учебный комплекс для исследования космических лучей сверхвысоких энергий Текст научной статьи по специальности «Физика»

чивать плотность пара, не уменьшая инверсии на-селенностей. Кроме того, это дает дополнительную возможность увеличения прикладываемого между проволокой и сеткой напряжения, что приводит к существенному росту эффективности селекции.

Заключение

Предложен метод получения инверсии наеелен-ностей на ядерном переходе йе73 между первым возбужденным и основным состояниями. Ядра йе73 в первом возбужденном состоянии образуются в результате электронной конверсии со второго возбужденного состояния. Второе возбужденное состояние ядер йе73 образуется при электронном захвате в нестабильных ядрах Аб73. Моделирование процесса достижения инверсии позволяет сделать следующие выводы.

При рассмотренных входных параметрах достигается значение инверсии около 1500-2000 ядер при продолжительности сохранения инверсии наеелен-ностей несколько микросекунд.

Плотность паров, из которых селектируются ионы германия с ядром в первом возбужденном состоянии, не оказывает влияния на селективность возбужде-

ния при неизменном общем количестве пара. Следовательно, увеличение общего количества испаренных атомов по сравнению с теми значениями, которые использовались в численных экспериментах, приведет к значительному возрастанию инверсии населенностей.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке МНТЦ (грант №2651) и РФФИ (грант №02-02-17138).

Литература

1. Летохов B.C. Лазерное селективное детектирование различных атомов // Применение лазеров в спектроскопии и фотохимии / Под ред. К. Брэдли Мур. М., 1983. С. 9-44.

2. Амбарцумян Р.В., Калинин В.П., Летохов B.C. // Письма в ЖЭТФ. 1971. 13, №6. С. 305.

3. Амбарцумян Р. В., Апатин В.М., Летохов B.C. и др. // ЖЭТФ. 1976. 70, №5. С. 1660.

4. Hurst G.S., Payne M.G., Nay feh M.H. et al. 11 Phys. Rev. Lett. 1975. 35, N 2. P. 82.

5. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М., 1992.

Поступила в редакцию 07.07.03

УДК 537.591.15

НАУЧНО-УЧЕБНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

О. В. Веденеев, Г. К. Гарипов, А. В. Игошин, Н. Н. Калмыков, Г. В. Куликов, В. И. Назаров, М. И. Панасюк, А. А. Силаев, А. А. Силаев (мл.), В. П. Сулаков, Ю. А. Фомин, Б. А. Хренов, А. В. Широков

Сниияф)

E-mail: [email protected]

Приводится краткое описание создающегося в НИИЯФ МГУ научно-учебного комплекса для исследования космических лучей сверхвысоких энергий методом регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ). Обсуждаются предполагаемые научные задачи, которые могут быть решены на базе создаваемого комплекса.

Введение

В НИИЯФ МГУ проводятся работы по созданию на базе действующей установки ШАЛ МГУ [1] научно-учебного комплекса, предназначенного для изучения космических лучей высоких и сверхвысоких энергий (> 1014 эВ) путем регистрации широких атмосферных ливней, возникающих при прохождении атмосферы Земли частицами космических лучей [2, 3]. Комплекс включает в себя несколько частей, предназначенных для изучения космических лучей в разных энергетических диапазонах. Отличительная особенность комплекса состоит в том, что он позволяет изучать первичные космические лучи как в области умеренных энергии ~ 1014 эВ, так и в области

ультравысоких энергий ~ 1019 эВ. Для получения данных о космических лучах ультравысоких энергий (1018 -г- 1019 эВ) с целью увеличения эффективной площади установку предполагается дополнить несколькими группами детекторов — кластерами, расположенными на расстояниях 1 -ь 2 км от центральной установки. Каждый кластер будет состоять из 16 ецинтилляционных детекторных пунктов (ДП) площадью 1 м2 каждый, расположенных в узлах ортогональной сетки с раздвижением 50-100 м и работающих с собственным триггером. Сбор информации со всех 16 ДП каждого кластера производится в промежуточный пункт, который имеет в своем составе персональный компьютер для контроля,

анализа экспериментальной информации и обмена данными е центральным компьютером, расположенным в центральном помещении установки ШАЛ МГУ. Синхронизация времени между кластерами производится с помощью СРЭ-приемников, которые расположены по одному в каждом кластере.

Примерная геометрия расположения кластеров приведена на рис. 1. Они могут быть размещены на территории установки ШАЛ МГУ (/), на территории Ботанического сада МГУ (2), на новой территории МГУ (3), а также на территориях ГЕОХИ им. В. И. Вернадского РАН (4), Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (5) и Института ядерных исследований РАН (б).

И

терр. МГУ

■а

и

м. Ленинский просп. О

ГЕОХИ РАН

X

ФИАН

ИЯИРАН

м. Университет

1 км

м. Академическая

J

Рис. 1. Расположение кластеров научно-учебного комплекса для исследования космических лучей с энергией 1018^1019 эВ

1. Состав центральной части установки

Первым этапом создания комплекса является модернизация установки ШАЛ МГУ для изучения космических лучей с энергиями 1014 -г- 5 • 1016 эВ. Установка представляет из себя систему ецинтил-ляционных детекторов, размещенных на площади примерно 12000 м2 вблизи 20-го корпуса НИИЯФ МГУ (кластер №1). Расположение ецинтилляци-онных детекторов установки приведено на рис. 2. Светлыми квадратами показаны уже существующие детекторы, темными — планируемые. Всего в состав установки входит 41 ецинтилляционный детектор площадью 1 м2 каждый. Детекторы объединены в три группы: а) центральная часть установки ШАЛ МГУ состоит из 12 ДП с раздвижением 8 -г 10 м, размещенных внутри и на крыше 20-го корпуса; б) восемь ДП расположены вблизи 20-го корпуса с шагом около 20 м и в) двадцать один ДП на расстояниях до 100-120 м от центра. Сплошными и пунктирными линиями показаны существующие и проектируемые линии связи между ДП и центральным пунктом установки.

Детекторные пункты установки, которые расположены на крыше и внутри 20-го корпуса (всего 12), созданы на базе детекторов, экеплуатиро-

20-й корпус НИИЯФ МГУ Рис. 2. Расположение детекторов кластера 1

вавшихся в процессе работы установки ШАЛ МГУ в 1984-1990 гг. Детекторы на крыше и внутри корпуса представляют из себя по 2 сцинтиллятора площадью 0.5 м2 и толщиной 50 мм, каждый из которых просматривается двумя фотоумножителями ФЭУ-110. Сцинтилляторы и фотоумножители помещены в светонепроницаемые аллюминиевые кожухи. Для защиты от внешних воздействий детекторы на крыше помещены в деревянные боксы.

Новые детекторы представляют собой железобетонные боксы размером 240 х 220 х 160 см (рис. 3) с легкой крышей из оцинкованного железа толщиной 1 мм. Изнутри крыша бокса выложена пенопластовыми плитами толщиной 100 мм для теплоизоляции бокса. Внутри бокса размещен кожух из дюраля со ецинтилляционным счетчиком и фотоумножителем. Количество вещества над сцинтиллятором составляет менее 0.1 каскадной единицы. Кожух представляет собой четырехгранную усеченную пирамиду. Пластический сцинтиллятор помещается в широком основании пирамиды, окно в противоположной грани предназначено для фотоумножителя ФЭУ-173, размещаемого в узком основании пирамиды. Сцинтиллятор собран из 4 пластин размером 500 х 500 х 50 мм каждая, изготовленных на основе полистирола с добавками 2% пара-терфенила и 0.02% РОРОР. Для улучшения светосбора кожух покрыт изнутри двумя слоями белой эмали типа АС-599. Коэффициент отражения эмали К = 0.95 на длине волны А = 4200 А. Высота пирамиды 800 мм, размер основания пирамиды 1200 х 1200 мм. Выбранная геометрия детектора позволила достичь высокой однородности как по амплитуде сигнала, так и по времени появления сигнала на выходе ФЭУ по отношению ко времени прохождения частицы через сцинтиллятор. Однородность счетчика по амплитуде сигнала была проверена в опыте с малым по площади вторым счетчиком, включенным на совпадение с основным. Результаты измерения неоднородности светосбора показали, что отношение величины сигнала от частицы, проходящей через центр основного счетчика, к величине сигнала от частицы, проходящей через угол квадрата площадью 1 м2,

Рис. 3. Схема сцинтилляционного детектора: / — бетонный бокс, 2 — крышка бокса, 3 — кожух сцинтиллятора, 4 — сцинтиллятор, 5 — корпус фотоумножителя, 6 — блок электроники, 7 — стыковочная коробка для оптического кабеля, 8 — силовой щит

оказывается в среднем равным 1.33. Найденный с помощью регистрации одиночных мюонов коэффициент неоднородности светосбора меньше 20%.

2. Система контроля и сбора информации

Структурная схема сбора информации с модернизированной установки ШАЛ МГУ приведена на рис. 4. Все ДП установки соединены с центральным пунктом с помощью волоконно-оптического кабеля. По этому кабелю производится передача амплитудной и временной информации о каждом событии во всех ДП в центральный пункт, откуда через специально разработанный адаптер передается в центральный компьютер. Кроме того из центрального компьютера в ДП по необходимости посылается ряд команд для управления режимом работы детекторного пункта. В частности, команда установки высокого

Рис. 4. Структурная схема сбора информации с модернизированной установки ШАЛ МГУ

напряжения на ФЭУ, команда случайного запуска для определения пьедесталов двух АЦП, команда на запуск светодиода для калибровки двух амплитудных каналов. Анализ контрольной информации производится в центральном компьютере.

Отбор событий ШАЛ также происходит в центральном компьютере. Благодаря тому, что в центральный компьютер поступает информация со всех ДП, возможно реализовать достаточно гибкую систему отбора ШАЛ. Для регистрации ШАЛ, образованных первичными частицами с энергией 1014 — 3 х 1015 эВ, используются центральные детекторы с раздвижением 8-10 м, для энергий 5 х 1014-1016 эВ используются центральные детекторы с раздвижением 20 м и для энергий 5 х 1015 — 5 х 1016 эВ используются детекторы, расположенные по всей площади установки с раздвижением 30-50 м. В результате установка позволит с хорошей статистикой изучать энергетический спектр первичных космических лучей в широком диапазоне, включающем область излома первичного спектра при энергии ~3х 1015 эВ.

Вся информация о зарегистрированных событиях ШАЛ записывается на жесткий диск. Абсолютная привязка по времени каждого события производится с помощью GPS приемника с точностью 1 мкс. Измерение давления, температуры и влажности производится с помощью компактной метеостанции. Вся контрольная информация, включая метеорологические данные, также записывается на жесткий диск. Программное обеспечение позволяет в реальном времени проводить анализ работы каждого дететектора установки, а также системы сбора информации.

3. Расчет темпа счета событий и точности определения характеристик ШАЛ

Расчет проводился методом Монте-Карло с учетом геометрии установки. Интегральный спектр по числу частиц в ШАЛ принимался в виде:

I(>Ne)~Nl*, lgiVe < 5.5,

I(>Ne)~Nl lgNe > 5.5.

В качестве функции пространственного распределения заряженных частиц было взято широко используемое семейство функций Нишимуры-Кама-ты-Грейзена, характеризующееся параметром возраста 5. В расчете предполагался отбор событий с использованием трех триггеров.

Отбор ШАЛ осуществлялся при выполнении следующих условий.

1. Срабатывание всех детекторов, входящих хотя бы в один квадрат из трех, с раздвижением 8 м, расположенных на крыше 20-го корпуса (триггер 1). Порог регистрации 1014 эВ.

2. Срабатывание всех детекторов, входящих хотя бы в один квадрат из трех, с раздвижением 20 м,

расположенных в бетонных боксах вокруг 20-го корпуса (триггер 2). Порог регистрации 5 • 1014 эВ.

3. Срабатывание хотя бы одного из четырех детекторов площадью 1м2, расположенных в центральном помещении 20-го корпуса и хотя бы двух, из шести, расположенных по окружности с радиусом 60 м вокруг центрального (триггер 3). Порог регистрации 1015 эВ.

Расчет эффективных площадей (Ш > 90%) проводился методом Монте-Карло для всех приведенных выше триггеров. Для каждого порога по полному числу частиц вычислялась площадь установки с эффективностью регистрации > 90%. Темп счета оценивался с использованием экспериментального интегрального спектра ШАЛ по числу частиц. Результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1

Темп счета ливней, регистрируемых с вероятностью > 90%

№ Ne EQ, эВ Seff i M2 Темп счета, час-1

1 104 -MO5 2 • 1014 500 50

2 5 x 104 ~5x 10® 2 • 1015 2000 40

3 5 x 10® ~5x 10е 2 • 1016 8000 10

Для данной геометрии методом Монте-Карло проводился расчет точности определения основных характеристик ШАЛ для разных порогов по полному числу частиц. Расчет проводился в тех же предположениях о функции пространственного распределения и спектре по числу частиц, что и при вычислении темпа счета ШАЛ, дополнительно учитывалось угловое распределение ШАЛ в виде /(0) ~ со в8 9, где О — зенитный угол прихода оси ШАЛ. Необходимо отметить, что выбранная геометрия установки является достаточно удобной, поскольку, во-первых, она обеспечивает достаточно быстрый набор статистики благодаря использованию трех маетерных систем с разными порогами и, во-вторых, обеспечивает срабатывание достаточно большого числа детекторов для регистрируемых ливней, что улучшает точности вычисления параметров ШАЛ в индивидуальных

Таблица 2

Ошибки в определении основных параметров ШАЛ, попавших в соответствующую эффективную площадь

№ Ne M А (ФУ, град A Ne, % As

1 104 ^ 10® <3 <5 25% 0.15

2 5 x 104 ~5x 10® <4 <4 20% 0.1

3 5 x 10® ~5x 10е <5 <3 15% 0.08

* ф — угол между реальным и восстановленным направлениями прихода.

ливнях. В расчет были заложены следующие параметры электроники: длительность фронта импульса с анода фотоумножителя для 1-й частицы - 12 не, для десяти частиц 5 не. Ступенька измерения относительного времени срабатывания детектора 5 не. Экспериментальное распределение амплитуд от одиночных мюонов. Результаты расчета приведены в табл. 2.

4. Основные задачи

С помощью модернизированной установки ШАЛ МГУ предполагается решать ряд научных задач. Весьма актуальным является изучение особенностей энергетического спектра первичных космических лучей в диапазоне от 1014 до 5 х 1016 эВ в районе излома спектра. Большой интерес представляет исследование анизотропии космических лучей, поиск хаотических явлений в структуре временных распределений ШАЛ, связанных с происхождением и механизмом распространения космических лучей.

Непрерывная долговременная эксплуатация установки позволит исследовать корреляцию интенсивности регистрации событий ШАЛ с такими астрофизическими явлениями, как вспышки сверхновых и гамма-всплески, а также с событиями гравитационной природы, наблюдаемыми с помощью гравитационной антенны, расположенной на территории ГАИШ.

Учебные задачи сводятся к обучению студентов и аспирантов современным методам исследования космических лучей сверхвысоких энергий и подготовке научных кадров для работы в области физики высоких энергий и астрофизики.

В процессе эксплуатации установки будут разработаны методы передачи, обработки и анализа больших информационных потоков, характерных для современных крупных экспериментов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 гг., контракт №40.014.1.1.1110, а также гранта РФФИ №02-02-16081.

Литература

1. Fomin Yu.A., ¡goshiti A.V., Kalmykois N.N. et al. // Proc.

16th Cosmic Ray Symp. Alcala de Henares, Spain, July 20-24,

1998. P. 94.

2. Веденеев О.В., Игошин А.В., Калмыков Н.Н. и др. // Изв.

РАН. Сер. физ. 1999. 63, №3. С. 546.

3. Fomin Yu.A., Garipov O.K., Kalmykois N.N. et al. // Proc. 28th

ICRC. Tsukuba, Japan, July 31-August 07, 2003. 2. P. 973.

Поступила в редакцию 05.11.03