CC BY
32
УДК 539.1.074
НОВЫЙ МЮОННЫЙ ГОДОСКОП ДЛЯ МОНИТОРИНГА ГЕЛИОСФЕРНЫХ И АТМОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
Н. В. Ампилогов, И. И. Астапов1, Н.С. Барбашина, В. В. Ворог, А. Н. Дмитриева, К. Г. Компанисц, А. А. Пструхин, Д. А. Тимаптков, Д. В. Чернов, В. В. Шутснко, И. И. Яшин
Для, развития, экспериментальных методов нового направления, солнечно-земной физики мюонной диагностики, предназначенной для, мониторинга, атмосферных и гелиосферных процессов, предлагается, использовать сцинтилляционные координатно-трековые широк,оапер-турные мюонные годоскопы, большой площади > 10 м?) с высоким угловым разрешением (~1°), способные в реальном, времени регистрировать изменения, потока, мю-онов, приходящих со всех направлений небесной полусферы. Конструкция, мюонного годоскопа, нового типа основана на использовании узких длинны,х сцинтилляцион-ны,х стрипов с оптоволоконным, светосбором. Описываются, особенности конструкции годоскопа, и обсуждаются, результаты тестирования, прототипа базового модуля, детектирующей системы,.
Ключевые слова: космические лучи, космическая погода, диагностика атмосферы, мюонная диагностика, мюонньтй годоскоп. детекторы излучений, сцинтилляционные
Создание надежной и эффективной системы мониторинга мощных гелиосферных и атмосферных процессов является актуальной задачей, особенно в условиях глобального изменения климата, которое сопровождается увеличением вероятности возникновения явлений катастрофического характера (мощные магнитные бури, грозы, ураганы, смерчи и др.), вызывающих негативные последствия для здоровья людей и функционирова-
Национадьный исследовательский ядерный университет "МИФИ"; Федеральное агентство по образованию; 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31.
1 E-mail: IIAstapov@mephi.ru
ния промышленной инфраструктуры. Существующие методы наблюдения атмосферы и околоземного пространства не обеспечивают заблаговременного обнаружения таких процессов.
В последнее время в России активно развивается новое направление в системе наблюдения за окружающим пространством мюонная диагностика [1 2]. Метод мюон-ной диагностики основан на регистрации проникающей компоненты космических лучей (КЛ) мюонов. поток которых формируется на высотах 15 20 км и несет в себе информацию как о процессах в гелиосфере. модулирующих поток первичных КЛ. так и о процессах атмосферного происхождения, изменяющих поток вторичных КЛ. достигающих поверхности Земли. Из -за свойств атмосферы мюоньт. приходящие в точку наблюдения, собираются из огромного объема, определяемого высотой верхней тропосферы и радиусом 600 700 км. Любые термодинамические изменения в этой зоне модулируют поток мюонов. Однако уровень вариаций интенсивности мюонов мал и составляет величины порядка долей процента, что накладывает особые требования на регистрирующую аппаратуру. Для реализации нового метода мониторинга гелиосферньтх и атмосферных процессов необходимы координатно-трековьте тттирокоапертурные мюонньте годоскопьт большой площади (> 10 м2) с высоким угловым разрешением (~1 способные в реальном времени одновременно регистрировать изменения потока мюонов. приходящих со всех направлений небесной полусферы.
Оптимальным вариантом детектирующих элементов такого мюонного годоскопа являются простыв и наде^кные сцинтилляционные детекторы с оптоволоконным светосбо-ром. эффективность работы которых не зависит от атмосферных условий. О ЦИНТИЛЛЯ— ционньтй мюонньтй годоскоп (СцМГ) п р еде t9iBji яе т собой многослойную многоканальную детектирующую систему на основе длинных узких сцинтилляционньтх полосок-стрипов с вклеенными спектросметцающими оптическими волокнами файберами. концы которых сводятся на 64-канальньтй ФЭУ Н7546. Сборка из 64 стрипов. уложенных в едином светоизолированном прочном корпусе с ФЭУ и блоком электроники (см. рис. 1(а)). образуют базовый модуль (БМ) детектирующей системы годоскопа. Пара смежных БМ. расположенных в одной плоскости, образуют отдельный слой. Два слоя, уложенные один на другой взаимно перпендикулярно, составляют двухкоординатную плоскость, которая обеспечивает надежную регистрацию и локализацию заряженных частиц в пространстве. Из таких координатных плоскостей формируются супермодули СцМГ (см. рис. 1(6)).
поворотный
(а) (б)
Рис. 1: Базовый модуль (а) и супермодуль (б) сцинтилляционного мюонного годоскопа.
Для оптимизации конструкции, изучения характеристик сигналов со сцинтилляци-онных стрипов и разработки процедур сбора информации был создан прототип базового модуля (ПБМ). Конструктивно ПБМ аналогичен БМ, но состоит из 16 стрипов. В качестве фотодетектора использовался 16-анодный ФЭУ Hamamatsu Н8711. Измерительная электроника располагалась вне прототипа БМ.
ПБМ и его элементы тестировались с помощью стенда, схема которого приведена на рис. 2(а). ФЭУ Н8711 тестировался с помощью системы светодиодной (СИД) подсветки, состоящей из двух светодиодов с драйверами и двухканального контроллера. Сигналы с ФЭУ анализировались при помощи 4-канального цифрового осциллографа CAEN VME V1729 (12 бит, полоса пропускания 300 МГц, частота дискретизации 2 ГГц). Результаты калибровки ФЭУ показали, что коэффициенты усиления разных каналов отличаются максимум в два раза, а диапазон линейности составляет около 64 ф.эл. (в одном событии) для канала с наибольшим коэффициентом усиления.
Для изучения световыхода стрипов ПБМ при регистрации мюонов, использовался калибровочный телескоп (см. рис. 2(а)). Телескоп состоял из двух сцинтилляцион-ных счетчиков с пластинами пластического сцинтиллятора размерами 200x100x20 мм3, просматриваемых ФЭУ-85 (ФЭУ № 1 и ФЭУ № 2). Для подавления мягкой компоненты использовался свинцовый блок толщиной 5 см, помещенный над нижним счетчиком (РЬ). На рис. 2(6) показаны измеренные зависимости световыхода для трех стрипов в зависимости от места расположения телескопа. Из приведенных графиков видно, что минимальный световыход с дальнего от ФЭУ конца стрипа (на рис. 2(6) обведены овалом) соответствует величине ф.эл. (в одном событии), что при пороге компаратора
Рис. 2: Схема стенда тестирования ПБМ.
1/3 ф.эл. соответствует эффективности регистрации мюона >99%. Таким образом обеспечивается высокая эффективность работы всего детектора.
Результаты изучения характеристик созданного прототипа базового модуля показали, что используемые технологии позволяют создать детектирующую систему СцМГ и обеспечить эффективную регистрацию треков одиночных мюонов. В настоящее время в НИЯУ МИФИ осуществляется создание первого супермодуля СцМГ.
Работа выполнена в Научно-образовательном Центре НЕВОД при поддержке Департамента развития науки и промышленности правительства города Москвы (проект 8/3-308н-08).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Н. С. Барбашина и др., Изв. РАН. Серия физическая 71(7), 1069 (2007).
[2] D. A. Timashkov et al., in: Proc. 30th ICRC (Universidad Nacional Autonoma de México, Merida, 2007), v. 1, p. 685.
По материалам 3 Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 18 июня 2010 г.
