Черенковский водный детектор на поверхности Земли тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

он

На правах рукописи

Айнутдинов Владимир Маратович

Черепковский водный детектор на поверхности Земли

01.04.01-Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук

Автор:

МОСКВА, 1996

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете)

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, профессор Петрухин А.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, Безруков Л.Б.

кандидат физико-математических наук, Кузъмичев Л.А.

Ведущая организация: ГНЦ "Институт физики высоких

энергий"

Защита состоится "16 " декабря 1996г. в ИР на заседании диссертационного совета К053.03.05 МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, дом 31, телефон 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан /У 1996г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь , ,

диссертационного совета ОщуЖ/ А.Н.Гудков

Общая характеристика работы

Работа посвящена проблеме создания аппаратных и программных средств, обеспечивающих реализацию идеи использования наземных черенковских водных детекторов для регистрации основных компонентов космического излучения и исследованию возможности детектирования нейтрино на поверхности Земли.

Актуальность работы

Исследования нейтрино и гамма-квантов высоких энергий в настоящее время проводятся на различных детекторах. Для регистрации нейтрино используются установки, расположенные под большим слоем поглотителя. Для детектирования у излучения применяются установки, размещаемые в атмосфере или за ее пределами.

Крайне привлекательной является идея объединения V и у телескопов в составе одной экспериментальной установки. Такая установка должна располагаться на поверхности Земли, обеспечивая тем самым возможность регистрации гамма-квантов высокой энергии, образующих при прохождении через атмосферу каскадные ливни (у-ШАЛ). Регистрация нейтринных событий осуществляется из нижней полусферы. В этом случае Земля играет роль естественного фильтра, поглощающего все компоненты космических лучей, кроме нейтрино. Преимущества такого объединения достаточно очевидны:

• одновременные исследования V и у позволят получить более полную информация об источнике излучения;

• наземное размещение установки снимает целый ряд технических ограничений на размеры детекторов;

• значительно расширяется область физических исследований, которые могут проводиться на установках такого типа (горизонтальный поток атмосферных мюонов, нейтрино из нижней полусферы, у-ШАЛ).

Наиболее перспективной основой для создания наземных телескопов являются водные черенковские детекторы. Во-первых, использование воды как рабочего вещества детектора практически не накладывает ограничений на размеры установки, что крайне важно при регистрации слабых потоков излучения от V и у источников. Во-вторых, черенковские водные установки позволяют обеспечить непрерывность чувствительного объема и одинаковые размеры детекторов электронно-фотонной, мюонной и адронной компонент ШАЛ. Использование мюонного и адронного детекторов большой площади позволяет повысить надежность выделения у-ШАЛ на фоне обычных й-ШАЛ.

Однако, создание таких установок невозможно без решения ряда технических и методических проблем, главной из которых является необходимость подавление фона атмосферных мюонов при регистрации нейтринных событий. Соотношение потоков мюонов сверху и снизу на поверхности Земли составляет величину ~ 1010, что предъявляет очень жесткие требования к надежности восстановления направления движения регистрируемых частиц и подавления возможных имитаций. Кроме того, ыюоны, рассеявшиеся на большие углы, а также продукты их взаимодействия, могут имитировать нейтринные события из нижней полусферы. Это, в частности, определяет область зенитных углов, в которой возможно выделение нейтринных событий.

Другая проблема, связанная с созданием наземных нейтринных телескопов, это большая величина абсолютной загрузки детектора мюонами. В зависимости от его размера, она может составлять десятки и сотни килогерц, что сильно усложняет задачу триггирования крупномасштабных наземных установок.

Таким образом, актуальными представляются следующие вопросы:

• Возможно ли создание многофункциональных экспериментальных установок на поверхности Земли, способных работать как широкоапертурные нейтринные телескопы?

• Каким образом организовать эффективное триггирование и сбор информации в установке с распределенной структурой регистрирующих элементов в условиях большой загрузки атмосферными мюонами?

Ответы на этн вопросы можно получить, используя черенковскпй водный детектор НЕВОД, являющийся прототипом крупномасштабных многофункциональных наземных телескопов.

Цели и задачи исследования

Разработка аппаратных и программных средств, обеспечивающих реализацию идеи использования наземных черепковских водных детекторов для регистрации основных компонентов космического излучения и исследование возможности детектирования нейтрино на поверхности Земли.

Личный вклад

1. Разработана, создана и проверена в условиях физического эксперимента аппаратура, обеспечивающая триггпровалие и контроль за работой установки.

2. Создана и налажена система центрального управления детектора НЕВОД-91, включающая в себя аппаратную часть и программное обеспечение.

3. Проведен анализ фоновых условий регистрации нейтрино в наземных детекторах.

4. Проведены экспериментальные исследования параметров, определяющих надежность подавления потока атмосферных мюонов при регистрации нейтрино на поверхности Земли и определены условия достижения необходимой величины фактора подавления.

5. Автор был ответственным за проведение трех серий измерений.

Научная повита

Впервые реализована идея использования черенжовского водного детектора для исследования различных компонентов космических лучей на поверхности Земли.

Развит новый подход к способам подавления возможных имитаций мюонов из нижней полусферы, основанный на анализе пространственной картины регистрируемых событий.

Практическая значимость

Методика аппаратной реализации тригтерной и управляющей системы установки НЕВОД-91 может быть использована в других детекторах с объемной решеткой регистрирующих элементов.

На основании проведенных расчетов может быть оценена апертура наземных нейтринных телескопов в зависимости от их порога регистрации.

Результаты исследований имитаций нейтринных событий мюонами, прошедшими вне рабочего объема детектора, должны быть приняты во внимание в любых нейтринных детекторах при анализе событий вне решетки измерительных модулей.

Автор защищает

1. Результаты расчетов фона при регистрации нейтрино на поверхности Земли и способы его подавления.

2. Триггерную систему установки и систему управления и контроля за ее работой.

3. Пакет управляющих программ для детектора НЕВОД-91.

4. Результаты экспериментальной оценки параметров измерительной аппаратуры, определяющих условия надежного детектирования мюонов из нижней полусферы.

Апробация результатов

Основные результаты диссертации докладывались на 22nd International Cosmic Ray Conference, Dublin, 1991; Sixth International Workshop on Neutrino Telescopes, Venezia, 1994; Int. School "Particles and cosmology", Baksan, 1995; 24nd International Cosmic Ray Conference, Roma, 1995; Международной конференции по космическим лучам, Москва, 1996; Seventh International Workshop on Neutrino Telescopes, Venezia, 1996 и опубликованы в 9 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и двух приложений. Содержит 56 рисунков, 14 таблиц и библиографию, включающую 71 наименование. Полный объем - 91 стр.

Краткое содержание работы

Для проведения исследований, связанных с развитием методов и техники регистрации космического излучения в водных детекторах был создан экспериментальный комплекс НЕВОД. Основу комплекса составляет водный бассейн объемом 2000 куб. м, внутри п вокруг которого могут располагаться различные детектирующие системы: черенковские измерительные модули различного типа, гидроакустические антенны, сдинтиллядионные счетчики, стрпммерные камеры и т.д.

Первая очередь черенковскеого водного детектора, НЕВОД-91, (рис. 1), включает в себя 91 квазисферический измерительный

модуль (КСМ). Каждый модуль состоит из шести

фотоумножителей с плоскими фотокатодами диаметром 15 см, ориентированных по осям прямоугольной системы

координат. КСМ сгруппированы в центральной части бассейна в виде объемной Рис.1. НЕВОД-91. решетки с шагом 2.5м вдоль

детектора, 2м поперек и 2м по глубине. Для калибровки спектрометрических каналов установки предусмотрена система калибровочных телескопов (СКТ), состоящая из сщштнлляционных счетчиков, расположенных на крышке и дне бассейна.

Измерительные модули находятся на нижнем уровне иерархии информадиопно-измерительной системы детектора НЕВОД-91. Для того, чтобы сформировать экспериментальную установку на базе этих модулей, необходимы системы триггирования и сбора информации верхних уровней иерархии. Данная работа посвящена проблеме создания указанных систем для установки НЕВОД-91 и их экспериментальной проверке в условиях физического эксперимента - исследования возможности регистрации нейтринных событий на поверхности Земли.

Проектирование тригтерной и управляющей системы

установки невозможно без анализа реальных условий, при которых проводятся физические измерения. Расчеты были

выполнены для конфигурации установки, включающей 241 КСМ с рабочим объемом 9x9x27м3.

Темп регистрации событий в установке НЕВОД определяется потоком атмосферных мюонов. При расчете загрузки детектора использовалась экспериментальная информация об эффективности регистрации измерительными модулями одиночных мюонов. Учитывались краевые эффекты и фактор экранирования черенковского излучения решеткой модулей. В качестве порога регистрации использовалось условие срабатывания не менее 8 КСМ, что примерно в два раза меньше среднего значения, соответствующего длине ослабления черенковского света 10м. В результате проведенных расчетов были определены светосила установки НЕВОД и ожидаемый темп регистрации атмосферных мюонов, который составил величину ~15кГц.

Важным факторам, определяющим возможность регистрации редких событий на установке НЕВОД, является надежность аппаратных и программных способов подавления их имитаций. Возможные каналы имитации мюонов из нижней полусферы, образовавшихся в нейтринных взаимодействиях, можно разделить на четыре основные группы:

1) мюоны из нижней полусферы не связанные с нейтрино (атмосферные мюоны рассеянные на большие углы);

2) атмосферные мюоны из верхней полусферы, ошибочно идентифицированные как идущие снизу;

3) случайные совпадения шумовых сигналов регистрирующей аппаратуры;

4) физические процессы, происходящие вне рабочего объема установки, в результате которых поток черенковского излучения распространяется в верхнем направлении.

Величина потока атмосферных мюонов в области зенитных углов больших 90° (из нижней полусферы) определяется рассеянием мюонов, которое может происходить в веществе, находящемся ниже уровня детектора. Поток мюонов снизу в приближении однократного рассеяния был рассчитан по формуле:

1 smax h to

Ni(h,coseh,Eh)=- J de J dz \dE\dQ-

COS9'n Eh zmM Emm

í b h л

\N0(E0,coseo)-a(E,n-*E')-exp- (-— г +-— (h-z))\

I cos a0 cosuh j

Na - спектр мюонов на уровне моря;

а - сечение глубоконеупругого рассеяния;

ñ (ñ') - направление движетя мюона до (после) расселения;

во (- зенитный угол мюона до (после) рассеяния;

h - глубина расположения детектора;

z - координата точки взаимодействия мюона;

aub - параметры, определяюгцие потери энерггш мюона;

Eh - порог регистращш установки;

Е0, Е, Е' - энерггш мюона на поверхности, в точке взаимодействия до рассеяния и после рассеяния;

Область интегрирования определяется ограничением на максимальный переданный во взаимодействии четырехимпульс:

•у

Q <2М(Е-Е') где М - масса нуклона. Это условие, в частности,

ограничивает предельный угол рассеяния мюона Ч'тах с фиксированной энергией после взаимодействия. В релятивистском

приближении: sin2 = * ; ( ~ при Е»Еп).

Интегрирование производилось численным методом. В результате расчетов были получены угловые распределения рассеянных атмосферных мюонов для диапазона порогов регистрации установки 1- 20ГзВ. Сопоставление этих данных с потоком мюонов, генерированных нейтрино, позволило определить критический зенитный угол 0СГ, при котором потоки атмосферных мюонов и мюонов от нейтрино сравниваются. Расчетная энергетическая зависимость в^ для наземных детекторов в диапазоне 1-20ГэВ с хорошей точностью описывается простой

эмпирической формулой: вСТ ís—bO^íP^^. Эта формула, в

частности, хорошо согласуется с результатами численного моделирования процесса рассеяния атмосферных мюонов с учетом многократных взаимодействий и резонансов в сечении неупругого

рассеяния, проведенного Элбертом и др. в 1992г. для пороговых энергий 2 и 5 ГэВ: 0СТ = 114° и 105° соответственно (эмпирическая формула дает 113° и 104°).

Минимальный порог регистрации мюонов для детектора НЕВОД составляет величину ~1,5ГэВ. Для этого значения порога выделение мюонов генерированных нейтрино на фоне рассеянных атмосферных мюонов теоретически возможно при зенитных углах >120°. В угловом диапазоне 12(Ь-180° за год экспозиции может быть зарегистрировано -25 нейтринных событий.

Возможность второго и третьего каналов имитаций определяется характеристиками регистрирующей системы и методикой, используемой для оценки направления движения частиц. Физической основой для селекции частиц по направлению их движения служит направленность черенковского излучения и конструктивные особенности измерительных модулей установки НЕВОД.

При срабатывании измерительного модуля возможны три варианта: КСМ указывает правильное направление движения частицы, противоположное ему или не дает никакой информации о направлении ее движения. Обозначим эти вероятное™ р, q и г, а соответствующие количества триггерованных КСМ М, L и К. Вероятности реализации конкретной конфигурации сработавших фотоумножителей для частицы из нижней полусферы (W^rect) и для частицы с противоположным направление движения описываются полиномиальными распределениями:

w __N/ М L К ш N! М L к.

dlKCt ~м7Гш'Р 4 lnvers' М!ЫКí'q Р '

p+q+r=l; M+L+K=N.

Для того, что бы обеспечить отношение сигнал/шум большее единицы, необходимо выполнение условия: < ^dírect'ldow/1'

где 1ир и - интенсивности мюонов. приходящих пз верхней н нижней полусферы соответственно. Для пороговой энергии 2ГэВ, hn ~40 a Ijjfjn ~ 2* 10"® М"2с"!ср"'. Таким образом, отношение

правдоподобия R= ^flreot - (~)л должно быть больше, чем 2-1010

^ inven Я

(A-M-L, р и q - экспериментально измеряемые величины: р~1.

q«l). Это условие определяет минимальное количество трилпированных модулей, необходимое для надежного выделения мюонов из нижней полусферы.

Вероятность имитаций, связанных со случайными срабатываниями, определяется уровнем шумов и разрешающим временем измерительных модулей. Для определения реальных шумов КСМ были проведены специальные измерения. 50 модулей (300 ФЭУ) со светоизолированными фотокатодами были размещены под водой. Средний темп счета шумовых срабатываний КСМ составил величину ~1.8кГц. Для расчетов использовались два значения средних шумов: 2 и 7 кГц, (7кГц соответствует предельно допустимому уровню шумов КСМ при проведении экспериментальных исследований). В результате было получено, что кратность совпадения ¿7 при разрешающем времени 100нс обеспечивает соотношение сигнал/шум при регистрации мюонов от нейтрино на уровне большем десяти.

Используя результаты представленного выше анализа, для установки НЕВОД был разработан комплекс блоков быстродействующей наносекундной электроники, предназначенной для построения системы формирования триггерных сигналов и системы управления и контроля. Перечень электронных блоков, разработанных для установки НЕВОД, и основные выполняемые ими функции представлены в Таблице 1.

Состав аппаратуры внешней тршгерной электроники. Таблица 1

Наименование Шифр Функциональное назначение

1.Блок приемников КСМ БПМ Прием и формирование сигналов от модулей.

2. Блок приемников СКТ БПС Прием и формирование сигналов от счетчиков.

3. Блок суммирования первого уровня. БС1 Суммирование количества сработавших КСМ в секциях.

4. Блок суммирования второго уровня БС2 Суммирование количества сработавших измерительных модулей во всей установке.

5. 27-канальный регистр-коммутатор РК27 Запись и коммутация сигналов от модулей и счетчиков.

Созданная аппаратура позволяет организовать иерархическую трехуровневую систему трштирования детектора (ТС), которая может легко наращиваться в процессе развертывания установки (рис.2). Физической основой для формирования триггера служит анализ количества сработавших измерительных модулей и ориентация в пространстве фотоумножителей, зарегистрировавших черенковское излучение.

ТС позволяет формировать три типа триггерных сигналов:

- триггер от системы сцинтилляционных счетчиков;

- триггер от системы измерительных модулей;

- мониторный запуск от срабатывания любого КСМ установки.

Триггер от сцинтилляционных счетчиков вырабатывается либо при совпадении сигналов от верхней и нижней плоскостей счетчиков {Ьхг), либо при условии двойных совпадений сигналов в верхней и нижней плоскостях 21 и 2Ь соответственно. Триггер отбирает одиночные мюоны, а 2* и 2Ь - случаи регистрации груш частиц (в том числе ШАЛ). Разрешающее время совпадений сигналов от счетчиков составляет 20 не, что определяется в основном разницей

кем (с,<1,$)

ВЕРХНЯЯ ПЛОСКОСТЬ СЧЕТЧУКО^

СЕКч! СЕК 2 СЕКЗ СЕК 4-

1 1 и- п

2 з| 4 >|6 1 ВПК га ш

4_1. 1 1 4 1 1 1

БС1(Ц) БС1(<1)

1 2 ¡3 ¡4 1 I 2 3 А

г1^ I1

БС2 и РК27 СТ БС2 а

>Ни

1 г

РК27

м

1....8

КОМ

>мч

\ 1 1 2 8 I1 2 ... 8

1 \ Л™« \ Л

РК27 С

1...4

КОМ

ШУМ

13679

или

2468

щи

13579

ти

2465 ИЛИ

1.....1. 1 . I

или

или

21

ГЬ

2Ь

тест

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ (СУ)

Л

I

ХРАНЕНИЕ

Рис.2. Внешняя система формирования триггерных сигналов (ТС)

12

во времени пролета частиц через установку для различных зенитных угаов (-15 не).

При запуске установки от измерительных модулей анализируется набор триггерных сигналов, вырабатываемых КСМ. Каждый модуль формирует три логических парафазных сигнала:

• с - совпадение сигналов от любых двух фотоумножителей измерительного модуля (за исключением пар противоположных ФЭУ);

• d - совпадение сигналов от любого горизонтально ориентированного ФЭУ с сигналом от фотоумножителя, фотокатод которого смотрит вниз;

• s - срабатывания верхнего фотоумножителя измерительного модуля.

Трштерные сигналы от КСМ (с, das) поступают на блоки приемников сигналов от модулей (БПМ). В блоках приемников все сигналы формируются по длительности (100нс) и амплитуда их восстанавливается до стандартного значения уровней NIM. Кроме того, БПМ формирует дополнительный набор сигналов и (совпадение с и s), симметричных по отношению к сигналу d.

Сигналы с и s записываются во входные регистры РК27, а сигналы d и и поступают на систему сумматоров. В установке используется двухуровневая система цифрового суммирования, построенная на базе папосекундной ЭСЛ технологии. На первом уровне подсчет количества триггарованных КСМ производится параллельно для каждой секции (секция включает в себя 25 модулей) и для каждого типа сигаалов на блоках БС1. Для подавления шумов КСМ процедура реализуется только для секций, в которых сработало не менее 2 модулей. Разрешающее время на первом уровне обработки составляет 90нс.

На втором уровне определяется количество триггарованных модулей во всей установке. Для этого используются блоки БС2 (разрешающее время 110нс). На выходе блоков суммирования второго уровня формируется двоичный код количества модулей, сработавших в установке.

Описанная выше структура позволяет легко расширять триттерную систему по мере наращивания установки. Диапазон суммирования составляет 2-32 для БС1 и 2-128 для БС2. Для указанных диапазонов на блоках БС реализована функция сравнения суммы с пороговым значением (>Nu,d).

Для автоматизации процесса проведения экспериментальных измерений, мониторирования и тестирования основных узлов установки, первичной обработки, селекции и записи данных была разработана центральная система управления установкой (СУ). Аппаратная часть системы управления включает в себя:

- электронные блоки управления сигналами и данными;

- электронные блоки управления регистрирующей аппаратурой;

- вычислительную систему, построенную на базе IBM PC.

Центральным узлом

СУ является IBM PC486DX2/66. Шина ISA компьютера через специализированный адаптер АД соединена с шиной Q-Bus, к которой подключены контроллеры крейтов КК. Контроллеры поддерживают работу электронных блоков управления сигналами и данными (БУС). БУС состоит из набора счетчиков, управляемой логики, входных и выходных регистров и регулируемых задержек.

Блоки счетчиков предназначены для измерения темпа счета шумовых импульсов от Рис.3. Структура системы управления ксм и сцинтилляторов.

установкой (СУ). Измерения производятся

путем последовательной коммутации выходов источников сигналов на входы счетчиков. Входные регистры РК27 предназначены для записи статусной информации о событиях (тип триггера и состояние выходов сумматоров второго уровня ТС) и контроля работы системы. Выходной регистр обеспечивает формирование сигнала

"Хранение", разветвление его на все регистрирующие узлы установки и посылает LAM на шину каркаса.

Помимо электронных блоков управляющих сигналами и данными, СУ включает в свой состав электронику, управляющую регистрирующей аппаратурой и триггерной системой. Она сострит пз трех подсистем:

• генераторов поджига светодиодов КСМ (ГПС);

• имитатора сигналов КСМ;

• устройства для управления контролем пьедесталов спектрометрических каналов внутримодульной электроники.

Генераторы поджига светодиодов предназначены для мониторпровання системы измерительных модулей. Имитатор сигналов КСМ позволяет контролировать временные характеристики электронных блоков с точностью до 2нс.

Программная часть управляющей системы обеспечивает:

1) диспетчеризацию и управление выполнением процессов;

2) сбор, селекцию и накопление информации;

3) анализ и обработку аппаратных ошибок:

4) поддержку графического интерфейса с пользователем.

Программное обеспечение имеет трехуровневую структуру. Программные блоки первого уровня (уровень данных) работают с таблицами, описывающими конфигурацию установки: расположение измерительных модулей и сцинтилляционных счетчиков, адреса и режимы работы блоков электроники, систему коммутации блоков, таблицы связей между каналами и т. п.

Второй уровень составляют программные блоки, поддерживающие связь с измерительной электроникой (уровень интерфейса с аппаратурой). Они выполнены по модульному принципу и представляют собой систему команд. Данные, формируемые в результате выполнения этпх команд, доступны для всех программных блоков системы.

Программы третьего уровня непосредственно не обращаются к регистрам электроники. Они представляют собой набор алгоритмов, определяющих последовательность измерений и порядок обработки и накопления информации (уровень процессов).

Все программное обеспечение установки реализовало на языках программирования С и С++, обеспечивающих формирование

эффективных выполняемых кодов и снабженных мощными средствами отладки и тестирования программ. Созданный программно-аппаратный комплекс обеспечивает возможность функционирования установки НЕВОД-91 и позволяет осуществлять достаточно полный контроль за работой отдельных электронных узлов и детектора в целом.

В 1994>1996г. было проведено три серии измерений на установке НЕВОД-91. При этом решались две основные задачи:

- создание базы данных экспериментальных событий различного типа для исследования отклика детектора;

- анализ возможности регистрации нейтринных событий на поверхности Земли.

Созданная база экспериментальных данных содержит все основные типы событий, которые можно исследовать на установке НЕВОД (одиночные мюоыы, каскадные ливни, ШАЛ). Распределение событий по типу триггера для двух последних серий измерений представлено в Таблице 2.

Статистика экспериментальных данных. Таблица 2

Тип Запуск от СКТ Запуск от КСМ

триггера 1хЬ 2* гъ 2*8и 2+8й 2+8с

серия 1995г 1,3-11? 0,5-1& 3104 1,11 О5 1,0-104 —

серия 1996г. 1,4-1СР 2,01& 1,5104 5,810Р 1,5-101 2-107

Архивация данных производилась на видеокассеты системы записи АРВИД с двойным дублированием информации. Объем одной кассеты 2 Гбайта. Общий объем информации в базе данных превысил 10 Гбайт.

Информация структуирована по файлам и кадрам. Каждый кадр содержит данные либо о единичном событии, либо о результатах мониторирования, либо о текущей конфигурации установки. Он снабжен индикаторами начала и конца кадра, информацией о дате и времени регистрации (с точностью до 1мкс для физических событий), типе события и длине записи.

Анализ работы регистрирующей аппаратуры детектора проводился по двум основным направлениям. Первое из них основано на сопоставление данных, полученных по цифровому и

триггерному каналам обмена информации. Второе - исследования и оптимизация режимов триггирования.

Для анализа работы тригтерных блоков сопоставлялись значения Su,d,c (количество тригтерных сигналов и, d или с, подсчитанных трштерной системой) и Nti,d,c (количество сработавших измерительных модулей, полученное по цифровому каналу обмена информацией). Для текущего контроля использовались результаты фитирования корреляционных зависимостей этих параметров линейной функцией. Полученные значения тангенсов углов наклона апрокеимацпонных прямьк составляли значение 0.99±0.02 во время серии измерений 1996г.

К трштерной системе предъявлялись два основных требования:

1) величина фактора подавления фоновых событий на триггерном уровне имеет значение, обеспечивающее возможность проведения on-line анализа данных без существенных потерь живого времени экспозиции;

2) эффективность регистрации полезных событий близка к 100%.

Темп счета тригтерных сигналов vT определяется величиной порогового значения количества сработавших измерительных модулей. Зависимость vT от порога представлена на рисунке 4. При минимальной кратности совпадений сигналов с регистрируются мюоны, проходящие не только внутри рабочего объема установки, но и вне его. При кратности совпадений >10 эффективно регистрируются только мюоны, проходящие в центральной части детектора. Для канала и ситуация аналогична. Поскольку в

этом случае требуется сраба- рис ^ 3аташостъ темпа счета триг-тывание верхнего фотоум- х тталов по шналам с, unci от ножителя, частота триггер- Овой кратности впадений. ных запусков несколько

меньше. Триггернъш канал d был использован для выделения событий из нижней полусферы. Основные характеристики этого канала пред ставлены в Таблице 3.

1<Гэ-1-.-,----,---,-.-1

О 4 8 12 _ 16

Пороговая кратность совпадении

Характеристики триггерного канала '¿'. Таблица 3.

Тип триггера 2й за и 5(1 6<1 Л 8<1

Эф-ть регистр. 0.95 0.94 0.91 0.84 0.75 0.66 0.55

Фктр подавления 4.2-101 1.1102 2.010* 3.1-К? 4.7-И? 81& 9-102

Темп счета, Гц 180 65 23 14 8 4 2

Эф-ть сбора инф. 0.8 0.92 0.97 0.98 0.99 0.99 0.99

Величина триггерного фактора подавления была определена как отношение темпа регистрации по "симметричным" каналам и и й, нормированное на, эффективность регистрации по каналу в, измеренную при том же значении пороговой кратности совпадений. Эффективность регистрации, усредненная в диапазоне зенитных углов 0-ь45°, оценивалась в режиме запуска от СКТ. Эффективность сбора информации определялась как доля живого времени от общего времени экспозиции.

Для экспериментального определения значений параметров р и # была использована информация, полученная при триггировании установки сцинтилляционными телескопами. Величины ряд были определены для каждого измерительного модуля установки. Для диапазона зенитных углов 0°<в<45°, их средние значения составили </>>=0.71, <£>=0.028.

правдоподобия для

противоположных направ-

Зависимость . отношения

12 10 8

К 6 ТО

4

<р>=0.71 У.

^>=0.028 / \ Л

лений движения мюона от Д представлена на рисунке 5, из которого видно, что минимальное значение Л необходимое для достижения К уровня Ю11 равно 8. Для экспериментальной проверки полученной зависимости строилось распре-0 2 4 Д 6 6 деление событий по параметру Рис.5.Зависимость К от точения А д. Оценку Я дает отношение

Ща)/N(-4), где N - количество событий с фиксированным

значением Л. Полученные экспериментальные точки хорошо согласуются с теоретической зависимостью. Диапазон значений Д в котором возможна прямая экспериментальная оценка К, определяется объемом статистики событий, выделенных СКТ (~106).

Для проведения исследований источников и вероятности возможных имитаций нейтринных событий был использован экспериментальный материал, полученный при триггировании установки от межмодульных совпадений ('триггеры 3d-?6d) за 1.5-102 часов живого времени. Всего в этом режиме работы было зарегистрировано -1.2-107 событий. За указанное время через установку прошло -2.6-109 атмосферных мюонов, а вероятность регистрации нейтринного события составила величину - Ю-1.

Алгоритм фильтрации зарегистрированных событий включал набор из семи критериев:

1. 8<NC<25; N ¿-количество триггированных КСМ, Nv из

2. Nu< 3; них показывают направления движения

3. Az- Nrf- Nv>8; частицы сверху, Nj - снизу, МРР модулей

4. Npr < 6; сработало в периферийной плоскости

5. /,цТ > установки. N_Y и N+r модулей показывают 1 а"~ N N <8 напРаеление движения частицы вдоль и про-

у- -г- +у > тив горизонтальной оси бассейна (ось Y).

Каждый критерий может быть охарактеризован двумя основными параметрами:

- фактором подавления f - JÎL , где ¿/V,- - количество событий,

оставшихся после фильтрации Nj фоновых событий (выборка jV) является результатом отбора по предыдущим к критериям, к=1,2..Л-1 );

- эффективностью сохранения полезных событий эг-.

Комбинированное действие нескольких критериев будет определяться произведением этих параметров: F=f~[f j ; 3 = fJ3i ■

i i

Результирующие значения F и Э не зависят от порядка использования критериев, а параметры ft и э,- могут при этом изменяться. Результаты фильтрации могут быть представлены либо в виде отношения сигнал/фон, либо как количество событий, оставшихся в результате селекции данных.

Полученные результаты экспериментальной оценки параметров после последовательного применения перечисленных выше семи критериев приведены в Таблице 4. Для определения величины эффективности были использованы данные, полученные при

калибровке установки атмосферными мюонами, выделенными системой сцинтилляционных телескопов. При этом предполагалась эквивалентность характеристик установки при регистрации мюонов снизу и сверху.

Таблица 4

Тип отбора F n Э Э1 сигнал/фон N

— — — - — 5-10 N„=2.6 -1&

0) Триггер 2.2 -1& 217 0.90 0.90 9.9-10* 1.2-lCf

1) 8<Nc<25 3.0-1О1 1.4 0.84 0.93 1.3-10* 8.6-lCf

2) Nu<3 1.6-1& 5.4 0.79 0.95 6.7-l(f 1.6-1&

3) Л7 >8 8.8-Hf 5.5 0.60 0.76 2.710° 2.9-Kf

4) Npr<6 1.2-1& 1.4 0.60 0.999 3.6-10ö 2.1 -1&

5) Zut > Zum 1.5-1& 123 0.60 0.998 4.510° 1.7-Kf

6) в^>130° 1.3-Hf 85 0.60 - 3.9-10-3 20

7) Ar <8 >2.6-l(f >20 0.59 0.98 >8-10J 0

Критерий 1 выделяет одиночные мюоны. Критерии 2 и 3 подавляют имитации обусловленные атмосферными мюонами, проходящими через рабочий объем установки. Для отбраковки периферийных событий используется критерий 4, ограничивающий

количество триггированных измерительных модулей в крайних плоскостях детектора. Режекция событий, связанных с прохождением одиночного мюона ниже решетки измерительных модулей, производилась на основе анализа усредненного значения 7. координат всех сработавших ФЭУ {7.цТ - критерий 5). На следующем этапе отбора была проведена геометроческая

п. , п * - реконструкция событий, про-

Рис о. Распределение сооытии по

ТТ шедших первые пять крите-азимуталъному углу. На рисунке ^

. ' -г ; / г, риев. Она показала, что вое-

обозначены границы водного оас- становленный ШИмугальный сеина и решетки измерительных , 6) сильно

модулей (вид сверху).

80 60 40 ¡20

1 01

>

? 20£ 40-

;60-ео-

скоррелирован с ориентацией водного бассейна. Это, в частности, может укалывать на то, что эти события имитированы черепковским светом, приходящим из дальних областей водного объема.

Для индивидуального анализа было отобрано 20 событий с вэен>1300 ('критерий 6 ) . На рисунке 7 представлено распределение этих событий по параметру Лу, и, для сравнения, распределение вероятностей реализации Ау для мюонов из верхней полусферы выделенных СКТ.

Симметрия установки должна обеспечивать идентичный отклик детектора на мюоны, пришедшие сверху и снизу. На основании полученных данных (рис.7) было введено условие отбора: Ду < 8 Рис.7. Распределение 20 отобранных (критерий 7), по которому событий по параметру Ау все 20 событий были

интерпретированы как фон. Источником этого фона могут быть как краевые события, так и окологоризонтальные мюоны, которые были ошибочно реконструированы как идущие снизу под большим углом. Выбор между этими двумя возможностями может быть сделан после увеличения объема статистики экспериментальных данных.

Результаты исследования

1) Разработан аналитический подход и проведены расчеты фона атмосферных мюонов при регистрации нейтрино из нижней полусферы. Расчеты показали принципиальную возможность-детектирования мюонов, генерированных нейтрино на поверхности Земли. Критический зенитный угол на поверхности определяется порогом регистрации детектора и может быть оценен по формуле:

всг я —+0.4Ч'„ас, где¥тах(Е)- предельный угол рассеяния мюона с

энергией Е после взаимодействия.

2) Показано, что фон рассеянных атмосферных мюонов из нижней полусферы для установки НЕВОД становится пренебрежимо малым при зенитных углах больших 120°. Подавление имитаций, связанных с перепутыванием направления движения мюона, достигается за счет ограничений на минимальное количество триггарованных измерительных модулей.

3) Разработана методика триггирования наземного черенковского водного детектора без применения времяпролетной техники.

4) Создан комплекс электронных систем для установки НЕВОД-91:

- григгерная система;

- система управления и контроля за работой установки;

- система сбора, записи и архивации данных.

Созданная аппаратура обеспечивает триггерный фактор подавления потока космического излучения из верхней полусферы при регистрации мюонов из нижней полусферы/^~2-102. При этом мертвое время системы сбора информации не превышает 5%, а эффективность регистрации -90%.

5) Создан пакет программ для НЕВОД-91, обеспечивающий:

- автоматизацию и контроль за работой установки;

- управление сбором и записью информации.

6) Сформирован банк данных, включающий -5-107 физических событий различных классов, зарегистрированных детектором НЕВОД-91.

7) Проведены экспериментальные исследования параметров измерительной аппаратуры, определяющих величину фактора подавления потока атмосферных мюонов при регистрации нейтринных событий на поверхности Земли. Получено ограничение на минимальное количество ■ триггарованных измерительных модулей (Л > 8), необходимое для достижения фактора подавления />2-1010 для детектора НЕВОД.

8) Экспериментально получена нижняя границу фактора подавления потока атмосферных мюонов в установке НЕВОД-91 />1С? при эффективности регистрации мюонов из нижней полусферы -60%.

9) Показано, что источниками имитации нейтринных событий могут

быть процессы, происходящие вне рабочего объема детектора.