CC BY
28
УДК 524.1
СПЕКТР КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ, ПОЛУЧЕННЫЙ НА УСТАНОВКЕ ПРИЗМА-32
К. О. Юрин1, Ф.А. Богданов1, Д. М. Громушкин1, Ю. В. Стенькин1'2, О. Б. Щеголев2
Приводятся результаты измерения спектра широких атмосферных ливней (ШАЛ) по числу зарегистрированных нейтронов, полученные на установке ПРИЗМА-32. Нейтронная компонента образуется при взаимодействии высокоэнергичных адронов ливня с ядрами атомов атмосферы и поверхности Земли. Установка ПРИЗМА-32 состоит из 32 эн-дет,ект,оров и работает в непрерывном режиме около 5 лет.
Ключевые слова: широкий атмосферный ливень, нейтронная компонента, тепловые нейтроны.
Нейтронная компонента ШАЛ является практически неизученной из-за того, что до последнего времени не существовало больших и недорогих детекторов нейтронов, пригодных для создания на их основе крупных установок. В свою очередь именно изучение адронной компоненты широких атмосферных ливней, являющейся главной компонентой ШАЛ и определяющей все его основные свойства на уровне наблюдения, способно дать дополнительную информацию о природе наблюдаемого излома в спектре космических лучей.
Проект создания установки для изучения нейтронной компоненты ШАЛ, рождаемой в результате взаимодействия высокоэнергичных адронов ливня с ядрами среды, был предложен около 15 лет назад [1]. В 2012 году на базе уникальной научной установки НЕВОД (НИЯУ МИФИ) в сотрудничестве с ИЯИ РАН была создана установка ПРИЗМА-32 [2] из 32 эн-детекторов, способных одновременно регистрировать две основные компоненты ШАЛ - электронную (э) и нейтронную (н).
На установке ПРИЗМА-32 были получены первые данные о временном и пространственном распределении нейтронов в ШАЛ. Временное распределение нейтро-
1 НИЯУ МИФИ, 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
2 ИЯИ РАН, 117312 Росссия, Москва, пр-т 60-летия Октября, 7а; е-та11:КОУипп@терЫ.ги.
нов в ШАЛ описывается двойной экспоненциальной функцией с параметрами ¿1 = 0.49 ± 0.01 мс и ¿2 = 3.44 ± 0.2 мс. Первая экспонента связана со средним временем жизни нейтронов, выходящих из-под детектора, т.е. локально рожденных, а вторая имеет связь с нейтронами, рожденными в результате взаимодействия адронной компоненты с крышей или стенами здания [3]. Получена связь между энерговыделением от заряженной компоненты ШАЛ и числом зарегистрированных нейтронов (число зарегистрированных нейтронов достигает сотни на 32 детекторах при регистрации ~106 заряженных частиц [4]). Измерено пространственное распределение (ФПР) нейтронов, которое так же, как и временное распределение, можно описать двойной экспоненциальной функцией с параметрами экспонент Т\ = 1 ми г2 = 10.5 м [5].
Установка ПРИЗМА-32 расположена внутри экспериментального здания на уровне 4-го этажа и состоит из двух независимо работающих кластеров по 16 эн-детекторов (рис. 1). Неравномерное расположение детекторов обусловлено свободным пространством в экспериментальном комплексе, в котором работают другие установки, в том числе черенковский водный детектор (в центре) [6]. Расстояние между детекторами составляет 2.5 (по оси X) и 5 м (ось У). Общая площадь установки составляет около ~500 м2. Диапазон измерений по заряженным частицам от 20 до 75000 частиц на детектор, диапазон по нейтронам от 1 до 1000 нейтронов на один детектор.
Для регистрации нейтронов ШАЛ используется детектор с тонким неорганическим сцинтиллятором ZnS(Ag) и ЫЕ, где Ы обогащен до 90% изотопом 6Ьь Схема детектора представлена на рис. 2. Площадь каждого эн-детектора составляет 0.36 м2. Съем информации осуществляется с двух динодов ФЭУ: 12-й динод используется для реги-
Кластер 1
Рис. 1: Схема установки ПРИЗМА.
Рис. 2: Схема эн-дет,ект,ора: 1 - сцинтиллятор; 2 - светособирающий конус; 3 - ФЭУ-200; 4 - светонепроницаемый корпус; 5 - крышка корпуса.
страции электронно-фотонной и нейтронной компонент ШАЛ, а 7-й используется для увеличения динамического диапазона от заряженной компоненты. Все импульсы интегрируются в предусилителе с постоянной времени, равной 1 мкс.
Рис. 3: Осциллограмма зарегистрированного события ШАЛ.
Триггером на сохранение данных является регистрация фронта ШАЛ, совпадение двух и более детекторов в кластере, уровень сигнала в которых превысил 4 мВ (20 заряженных частиц). Оцифровка сигналов с детектора осуществляется с использованием быстродействующих АЦП, которые работают на частоте 1 МГц (в случае регистрации ШАЛ сохраняется осциллограмма 20000 точек). Пример осциллограммы (для одного детектора) при регистрации ШАЛ представлен на рис. 3.
В первые 100 мкс определяется энерговыделение от прохождения заряженных частиц (фронта ливня), а с 100 мкс до 20000 мкс - запаздывающие нейтроны. Нейтроном считается сигнал, величина которого превышает 8 мВ. Сигнал от заряженных частиц, нейтрона, от естественного фона и шума ФЭУ может удовлетворять условиям регистрации нейтронов ШАЛ, но их число не превышает одного импульса на 20 событий. Он-
лайн программа анализирует осцилограммы и определяет в каждом детекторе: энерговыделение от прохождения заряженных частиц, число зарегистрированных нейтронов и время их регистрации после фронта ШАЛ с шагом 100 мкс.
В обработке данных использовалась информация за 5 лет работы установки ПРИЗМА-32. Время работы установки составляет около 95% от календарного времени.
Рис. 4: Спектр ШАЛ по числу нейтронов п, измеренный на установке ПРИЗМА-32.
В результате проведенной обработки данных получен спектр ШАЛ по числу нейтронов, т.е. зависимость числа отобранных событий I от числа п нейтронов в них, который подчиняется степенному закону с показателем наклона в = 2.0 (рис. 4, для наглядности ось У помножена на п2). Поскольку число нейтронов в ШАЛ пропорционально числу адронов [7], полученный результат можно сопоставить с данными спектров ШАЛ по числу адронов. В 2001 году в работе [8] был опубликован экспериментальный спектр по числу адронов в ШАЛ, полученный на калориметре КАБСАВЕ. Показатель наклона спектра адронов, измеренный в этой работе, составил от 1.9 до 2.0 в зависимости от энергии ШАЛ.
Заключение. Получен спектр ШАЛ по числу зарегистрированных нейтронов в ПэВ-ной области энергий первичных частиц, зарегистрированных установкой ПРИЗМА-32, имеющий степенной вид с интегральным показателем -2.0. Полученное значение показателя хорошо согласуется с опубликованными в литературе экспериментальными данными для адронов ШАЛ.
Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (МК-7597.2016.2) на уникальной научной установке "Экспериментальный комплекс НЕВОД", а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 16-32-00054 и 16-29-13067).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Yu. V. Stenkin and J. F. Valdes-Galicia, Proc. 27th ICRC (Hamburg) 4, 1453 (2001).
[2] D. M. Gromushkin et al., Journal of Instrumentation 9, C08028 (2014).
[3] Д. М. Громушкин и др., Известия РАН. Серия физическая 79(3), 414 (2015).
[4] D. M. Gromushkin et al., J. Phys.: Conf. Ser. 409, 012044 (2013).
[5] O. B. Shchegolev et al., J. Phys.: Conf. Ser. 718, 052038 (2016).
[6] А. А. Петрухин, Успехи физических наук 185(5), 521 (2015).
[7] Д. М. Громушкин и др., Известия РАН. Серия физическая 77(5), 704 (2013).
[8] J. R. Horandel et al., Proc. 27th ICRC (Hamburg) 1, 137 (2001).
По материалам VI Международной молодежной научной школы-конференции "Современные проблемы физики и технологий".
Поступила в редакцию 20 сентября 2017 г.
