Фотодетекторы байкальского нейтринного телескопа НТ-200 и черенковского детектора Шал Тунка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

ПОХИЛПавел Григорьевич

ФОТОДЕТЕКТОРЫ БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО ТЕЛЕСКОПА НТ-200 И ЧЕРЕНКОВСКОГО ДЕТЕКТОРА ШАЛ ТУНКА

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2004

/¿-¿Л*'

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

ПОХИЛПавел Григорьевич

ФОТОДЕТЕКТОРЫ БАЙКАЛЬСКОГО НЕЙТРИННОГО ТЕЛЕСКОПА НТ-200 И ЧЕРЕНКОВСКОГО ДЕТЕКТОРА ШАЛ ТУНКА

01.04.01 - приборы и методы! экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2004

Работа выполнена в Институте ядерных исследовании РАН Научный руководитель:

Кандидат физико-математических наук Лубсандоржиев Баярто

Константинович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Зацепин Виктор Иванович

(НИИЯФ МГУ);

Кандидат физико-математических наук Барабанов Игорь Романович

(ИЯИ РАН)

Ведущая организация:

Институт теоретической и экспериментальной физики

Защита состоится «_

2004 г. в

часов на

заседании Диссертационного совета Д 002.119.01 в Институте ядерных исследований РАН по адресу: 117312 Москва, проспект 60-летия Октября 7А, тел.(095)135-21-24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН

Автореферат разослан «_»_

2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физи

ВИБЛИОТЕКА, ]

! ¿гзда

Тулупов Б.А.

»

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач современной экспериментальной физики высоких энергий, физики космических лучей и астрофизики являются изучения природных потоков нейтрино высоких энергий и первичного космического излучения в области "колена". Для решения этих задач в мире активно ведутся работы по созданию крупномасштабных нейтринных телескопов и наземных широкоугольных черенковских детекторов широких атмосферных ливней (ШАЛ).

Так, уже более пяти лет успешно работает первый и пока единственный в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ-200 на озере Байкал (IABelolaptikov et al. Astroparticle Physics 7 (1997) 263). Работы над аналогичными проектами ведутся в Средиземном море - ANTARES (Amram P. et al. Proc. of the 27th ICRC. 2001. V.3. P.1233), NESTOR (Anasontsis E. et al. Proc. of the 25th ICRC. 1997. V.7. P.49.) и NEMO (De Marzo С The Proc. of the 6th Intern. Workshop on TAUP.1999. P.433). В Антарктиде, на Южном Полюсе, на глубине 1^2 км во льду несколько лет функционирует нейтринный телескоп AMANDA (Andres E. et al. Astroparticle Physics. 2000. V.13. P.I). Там же начаты работы по созданию гигантского детектора ICECUBE (Goldscmidt A. Proc. of the 27th ICRC. 2001. V.3. P. 1237.) с рабочим объемом ~1 км3. Начаты обсуждения проекта детектора GVD с таким же объемом на базе нейтринного телескопа НТ-200 на оз.Байкал (Balkanov VA et al. Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.). 2003. V.I 1B. P.363).

Регистрация черенковского излучения ШАЛ широкоугольными детекторами является одним из наиболее эффективных средств для исследования первичного космического излучения в области излома его спектра- 1014^1016 эВ. Последние 10-15 лет ознаменовались активной работой широкоугольных черенковских детекторов ШАЛ в этой области спектра. Это такие детекторы как AIROBICC (Karle A. et al. Astroparticle Physics. 1995. V.3. P.321.) на Канарском острове Ла-Пальма в Испании, BLANCA (M.Cassidy et al. Proc. of the 25 ICRC. 1997. V.5. P.1B9.) в США и ТУНКА (N.Budnev et al. Proc. ofthe 27th ICRC. 2001. V.2. P.5B1) в Тункинской долине в 50 км от оз.Байкал. Из этих детекторов в настоящее время только детектор ТУНКА продолжает активно работать и развиваться.

Сформулируем основные требования к фотодетекторам, используемым в нейтринных телескопах:

1. Высокая чувствительность в сине-голубой области спектра.

2. Малый уровень скоростей счета импульсов темнового тока.

3. Чувствительность в телесном угле 2п.

4. Нечувствительность к магнитному полю Земли.

5. Высокое временное разрешение.

6. Быстрый временной отклик.

7. Хорошее однофотоэлектронное разрешение.

В случае же широкоугольных детекторов ШАЛ эти требования сводятся к следующим (Lubsandorzhiev В.К. et al. Nucl. Instrum. and Methods. 2000. VA442. P.368-373.):

1. Высокая чувствительность в сине-голубой области спектра.

2. Чувствительность в телесном угле 2п.

3. Нечувствительность к магнитному полю Земли.

4. Высокое временное разрешение.

5. Быстрый временной отклик.

6. Возможность долговременной работы в условиях светового фона ночного неба.

Одним из основных условий успешной реализации проектов создания и эксплуатации крупномасштабных нейтринных телескопов и черенковских детекторов широких атмосферных ливней является разработка и создание фотодетекторов и оптических модулей и регистрационных пунктов на их основе, адекватно отвечающих перечисленным выше требованиям.

Цель работы. Целью настоящей работы являлись разработка и создание ряда вакуумных фотодетекторов для Байкальского нейтринного эксперимента и черенковского детектора широких атмосферных ливней ТУНКА, разработка и создание оптического модуля для Байкальского нейтринного телескопа НТ-200.

Работа выполнена в рамках работ по созданию нейтринного телескопа НТ-200 и широкоугольного черенковского детектора ШАЛ ТУНКА.

Научная новизна и практическая ценность работы. В ходе выполнения настоящей работы были разработаны и созданы ряд вакуумных фотодетекторов, ставших базовыми элементами Байкальского нейтринного телескопа НТ-200, наледного черенковского детектора ШАЛ и широкоугольного черенковского детектора ШАЛ ТУНКА.

Основные результаты, представленные к защите.

Основными результатами, представленными к защите, являются результаты работ по разработке и созданию ряда фотодетекторов для нейтринных экспериментов на оз. Байкал и для широкоугольных черенковских детекторов широких атмосферных ливней.

Апробация работы. Результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на межрегиональных конференциях по физике космических лучей в г.Москве в 1994, 1996, 1998 и 2002 гг., в г.Дубне в 2000 г, Международных конференциях по физике космических лучей в 1995г. (Рим), 1997г. (Дурбан), и 2001г. (Гамбург). Результаты работ докладывались на научных семинарах в ИЯИ РАН, НИИЯФ МГУ и ОИЯИ.

Публикации. Сущность и новизна исследований, выполненных по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах Приборы и Техника Эксперимента, Nuclear Instruments and Methods А, Известия РАН, Astroparticle Physics, Ядерная физика, Progress in Paricle and Nuclear Physics, Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра (ЭЧАЯ), в трудах межрегиональных и международных конференций по физике космических лучей и физике нейтрино. Всего по теме диссертации опубликовано 25 работ из них 17 в реферируемых журналах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общее количество страниц составляет 183, рисунков - 67 и таблиц -5.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении даются краткие описания основных научных задач стоящих перед глубоководными черенковскими нейтринными телескопами и широкоугольными черенковскими детекторами ШАЛ. Сформулированы основные требования к фотодетекторам для использования в таких нейтринных телескопах и детекторах ШАЛ. Обсуждается актуальность проблемы создания фотодетекторов для этих приложений. Сформулированы основные задачи диссертационной работы.

В первой главе дается описание Байкальского глубоководного черенковского нейтринного телескопа НТ-200. Телескоп расположен в южной части озера на глубине 1150 м на расстоянии 3.6 км от западного берега озера в районе 106-км Кругобайкальской Железной Дороги. Географические координаты телескопа -51°50' С.Ш. и 104°20' В.Д. Детекторный комплекс НТ-200, представляющий собой довольно сложную инженерную систему, показан на рис. 1

Нейтринный телескоп НТ-200 (рис.2) состоит из 192 оптических модулей, основными элементами которых являются гибридные фотоприемники Квазар-370. 24 оптических модуля, установленных вдоль одного кабель-троса, образуют одну гирлянду длиной ~72 м. Телескоп состоит из семи периферийных гирлянд и одной центральной. Четыре глубоководных кабеля, проложенные по дну озера соединяют телескоп с береговым центром.

Оптические модули на гирляндах объединяются в пары, включаются в совпадения с временным окном 15 не и образуют первую функциональную единицу телескопа - оптический канал. Сигнал совпадения оптических модулей канала образует локальный триггер. Две пары модулей образуют следующую единицу - связку. В вставке к рис.2, показаны оптический канал и связка оптических модулей, зафиксированные на кабель-тросе. Сигналы с двух оптических каналов поступают в системный модуль электроники связки (СМ), откуда сигналы подаются в модуль блока электроники гирлянды (БЭГ). Один модуль БЭГ обслуживает 3 модуля СМ, т.е. 12 оптических модулей. Таким образом, каждая гирлянда состоит из 24 оптических модулей, 6 системных модулей связки и двух модулей блока электроники гирлянды. Расстояние между оптическими каналами в одной связке - 6,5 м. Все гирлянды в телескопе выстроены на одном уровне, поэтому оптические каналы образуют горизонтальные слои. Десять слоев оптических модулей в телескопе ориентированы фотокатодами вниз и только два слоя - фотокатодами вверх.

С каждой гирлянды сигналы собираются в модуль блока электроники детектора (БЭД), где формируется триггерный сигнал. Условия выработки триггерного сигнала определяются и устанавливаются с берегового центра. Информация, накопленная в блоке электроники детектора, передается в береговой центр. С берегового центра ведется также и управление всеми элементами телескопа: подается напряжение питания, устанавливаются и регулируются высоковольтное питание фотодетекторов, пороги дискриминаторов, подключение и отключение оптических модулей и т.д.

Во второй главе представлено подробное описание оптического модуля НТ-200. Оптический модуль нейтринного телескопа НТ-200 (рис.3) включает в себя

глубоководный защитный корпус, детектор фотонов КВАЗАР-370, высоковольтные источники питания ВИП-35К и ВИП-2-01, предусилитель выходных импульсов фотодетектора, калибровочный импульсный источник света.

Глубоководный защитный корпус оптического модуля и модулей электроники телескопа НТ-200 был разработан по аналогии с глубоководной сферой фирмы BENTHOS (BENTHOS. Deep Sea Glass Spheres: http://www,benthos.com/pdf/Spheres/). Корпус состоит из двух квазиполусферических половинок, выполненных из боросиликатного стекла С-49-1. В отличие от конструкции сферы BENTHOS в нашей сфере каждая половина состоит из чистой сферической части внешним диаметром 440 мм и цилиндрической части высотой 10 мм и внешним диаметром 444 мм. Толщина стекла в сферической части - 10 мм, а в цилиндрической - 12 мм. Такой глубоководный защитный корпус используется для всех глубоководных модулей нейтринного телескопа НТ-200: как оптических модулей, так и модулей электроники. Только элементы акустической системы помещаются в металлические защитные корпуса. Включение цилиндрической части позволяет довольно легко размещать электронику оптического модуля: высоковольтные источники питания, предусилитель анодных и динодных сигналов фотодетектора и плату калибровочного светодиода. Наличие цилиндрической части также существенно облегчает размещение блоков электроники гирлянд и блока электроники детектора.

Оптический контакт фотодетектора КВАЗАР-370 с защитной стеклянной сферой осуществляется при помощи глицерина или оптического геля Sernicosil 912. При использовании глицерина его герметизация производится слоем полиуретана толщиной ~ 1см. На рис.4 представлены спектры пропускания защитной сферы и глицерина.

Подготовка и сборка глубоководных модулей требует особой тщательности для обеспечения механической надежности модулей. Разработанная и хорошо отлаженная методика позволяет подготовить и собрать глубоководный модуль нейтринного телескопа НТ-200 за ~ 20 мин.

Основным элементом оптического модуля является фотодетектор КВАЗАР-370 (Bagduev R.I. et al. Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V.420. P. 138, Багдуев Р.И. и др. Известия РАН Сер. физическая. 1993. Т.57. №4. С. 135.), разработанный специально для Байкальского нейтринного телескопа НТ-200 в ИЯИ РАН совместно с ОКБ КАТОД г.Новосибирска. Фотодетектор КВАЗАР-370 является гибридным вакуумным фотодетектором и состоит из электронно-оптического предусилителя света с полусферическим фотокатодом диаметром 370 мм и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) классического типа с фотокатодом диаметром 30 мм. Фотоэлектроны с фотокатода предусилителя света ускоряются электрическим полем 25 кВ, попадают в люминесцентный экран и производят в нем вспышки света, которые регистрируются ФЭУ. В результате один фотоэлектрон с фотокатода предусилителя света вызывает в среднем рождение 20^30 фотоэлектронов в ФЭУ. Такой подход позволяет достичь хороших временных и амплитудных характеристик (Багдуев Р.И. и др. Известия РАН Сер. физическая. 1993. Т.57. №4. С.135.).

Физические и конструкционные особенности фото детектора КВАЗАР-370 накладывают определенные требования к ФЭУ для использования в составе

данного фотодетектора. Перечислим основные пункты этих требований. Область спектральной чувствительности фотокатода должна соответствовать спектру излучения сцинтиллятора в люминесцентном экране предусилителя света фотодетектора, т.е. быть в пределах 300+600 нм с максимумом чувствительности вблизи 400нм. Коэффициент усиления ФЭУ должен быть > 107, а предел линейности импульсной световой характеристики >60 мА. Внешний диаметр стеклооболочки и минимальный рабочий диаметр фотокатода должны быть ~30 и 25 мм соответственно.

Исходя из физических и конструкционных особенностей фотодетектора КВАЗАР-370, в ИЯИ РАН совместно с НИИЭПр был разработан и создан фотоэлектронный умножитель "Байкал-1" на базе серийного ФЭУ-115. Фотоумножитель "Байкал-1" имеет стеклооболочку с внешним диаметром 30 мм при минимальном рабочем диаметре фотокатода 25 мм. В этом ФЭУ. используется бищелочной фотокатод K2CsSb, имеющий в диапазоне длин волн X = 400+420 нм максимум спектральной чувствительности, величина которой 60мА при X = 410 нм (максимум спектра излучения люминесцентного экрана на основе сцинтиллятора Y2SiO5:Ce в предусилителе света КВАЗАР-370). Применение в качестве материала входного окна стекла марки УТ-88 обеспечивает область спектральной чувствительности фотокатода ФЭУ -200+600 нм. В данном ФЭУ используется 13-каскадная ковшеобразная динодная система с гибкими выводами, а сами диноды изготовлены из сплава Al-Mg-Ti-Sг. Полное усиление ( 107) достигается при рабочем напряжении питания ФЭУ ~2кВ. В зарядовом распределении однофотоэлектронных импульсов наблюдается пик, отношение пик/долина этого распределения составляет 1.3+1.5. Предел импульсной световой характеристики ФЭУ, полученный с этим делителем напряжения питания, составляет 150 мА. Время нарастания импульса анодного тока составляет ~2 на Распределение времени пролета фотоэлектронов ФЭУ характеризуется шириной на половине высоты ~1.6 на

ФЭУ с делителем напряжения питания фиксируется в металлическом экране и заливается высоковольтным компаундом с хорошей адгезией к стеклу и материалам делителя. Предусилитель анодных и динодных импульсов фиксируется к экрану. Таким образом, формируется единый модуль ФЭУ. Стабильность работы модуля ФЭУ в условиях разряженной атмосферы проверяется на специально разработанном для этой цели вакуумном стенде.

Для измерения угловой чувствительности оптического модуля был разработан и создан специализированный водный стенд, см. рис.5. Измеренная на этом стенде угловая зависимость S(0) чувствительности оптического модуля нейтринного телескопа НТ-200 показана на рис.6. Эта зависимость хорошо аппроксимируется выражением:

(1)

Для оперативного тестирования оптических модулей, оптических каналов, связок, гирлянд и электронных систем НТ-200 в Байкальском техническом стационаре на озере Байкал (106-км Кругобайкальской железной дороги) создан

тестовый экспериментальный комплекс. Этот экспериментальный комплекс состоит из нескольких измерительных стендов. Первый стенд - это стенд, использующийся для тестирования оптических модулей и оптического канала. В процессе тестирования на этом стенде устанавливаются рабочие напряжения питания ФЭУ фотодетекторов оптических модулей и уровни дискриминации сигналов в блоках выработки локального триггера. Контролируются скорости счета импульсов темнового тока фотодетекторов.

Следующий стенд служит для тестирования связки оптических модулей и системного электронного модуля. На этом стенде в режиме регистрации реальных сигналов тестируются как отдельные блоки системного электронного модуля (блок преобразования амплитуды, блок выработки локального триггера, блок формирования запуска светодиода и крейт-контроллер), так и весь системный модуль электроники в целом.

Третий стенд предназначен для тестирования следующих по иерархии элементов телескопа - гирлянд оптических модулей и модулей электроники гирлянд и электроники детектора. На этом стенде имеется возможность протестировать две полностью укомплектованные гирлянды (т.е. 24 оптических модуля, 6 системных модулей электроники связки и 2 модуля БЭГ). В задачу этого стенда входит тестирование всех элементов гирлянд в целом при работе в реальной конфигурации с реальными сигналами. Также производится наработка на отказ и окончательное тестирование всех элементов перед окончательным монтажом гирлянд в составе телескопа НТ-200 в ледовом лагере.

Описаны методы монтажа оптических каналов в НТ-200. Использование конусных колпаков из прозрачного пластика на оптических модулях, смотрящих вверх, позволяет существенно уменьшить влияние осадков на чувствительность оптических модулей, смотрящих вверх.

В третьей главе описываются результаты разработок новых модификаций фотодетектора КВАЗАРА-370. Эти модификации связаны, в первую очередь, с использованием новых сцинтилляционных материалов в составе люминесцентного экрана фото детектора КВАЗАР-370. Целью данных работ было улучшение временных и амплитудных характеристик фотодетектора КВАЗАР-370.

Временное разрешение фотодетектора КВАЗАР-370 определяется выражением:

\У(1)~(С/т)ехр(-(С/т)1), (2)

где О - коэффициент усиления предусилителя света фотодетектора, а т - время высвечивания сцинтиллятора в люминесцентном экране фотодетектора. В свою очередь, величина О - определяется соотношением:

С = ¥(ЕеК-ть (3)

где У(Ее) - число фотонов, рожденных в сцинтилляторе фотоэлектроном с энергией Ее, £ - коэффициент сбора фотонов на фотокатод ФЭУ фотодетектора, т|э - эффективная квантовая эффективность ФЭУ.

С учетом соотношений (2) и (3) работа по улучшению временного и амплитудного разрешения фотодетектора КВАЗАР-370 была направлена на поиск сцинтилляционных материалов с возможно большим световыходом и меньшим временем высвечивания. К тому же, сцинтилляторы должны удовлетворять

требованиям, возникающим из технологам производства фотодетекторов КВАЗАР-370: длительные (порядка нескольких часов) нахождение при высоких температурах (~ 400°С) и пребывание в атмосфере паров щелочных металлов. Таким требованиям отвечают только ряд неорганических сцинтилляторов. Наилучшие результаты достигнуты со следующими сцинтилляторами: Ь80(Ьи28Ю5:Се), УАР(УА103:Се) и 8Б0(8сБ03:Се). На рис.7 показаны зависимости временного разрешения фото детектора КВАЗАР-370 с различными сцинтилляторами от рабочего напряжения на предусилителе света фотодетектора. Как видно из этого рисунка, наилучшее временное разрешение (~1 нс (РЭДНМ)) достигается с монокристаллическим сцинтиллятором Ь80 (Ьи28Ю5:Се). Основными препятствиями для широкого использования данного сцинтиллятора в гибридных фотодетекторах КВАЗАР-370 являются его дороговизна и высокое значение эффективного атомного номера (2еЯ. ~ 66), приводящее к высокой вероятности обратного отражения фотоэлектронов от люминесцентного экрана. Весьма перспективным является сцинтиллятор 8Б0 (8сВОз:Се), обладающий достаточно высоким световьгходом, временем высвечивания ~30 нс и малым значением величины эффективного атомного номера (2еЯ. ~ 17). Сцинтиллятор 8Б0 синтезируется в виде порошкового люминофора и обладает повышенной химической устойчивостью, что делает его технологически весьма привлекательным для использования в фотодетекторе КВАЗАР-370.

Другой тип модификаций фотодетектора КВАЗАР-370 связан с созданием крупногабаритных многоканальных фотодетекторов для нейтринных телескопов следующего поколения. Все существующие проекты нейтринных телескопов следующего поколения предполагают многократное увеличение числа базовых фотодетекторов. Таким образом, общая стоимость фотодетекторов становится одной из основных проблем в осуществлении таких проектов. Использование многоканальных фотодетекторов позволило бы не только уменьшить общую стоимость фотодетекторов, но и повысить информативность отдельных фотодетекторов нейтринных телескопов. Руководствуясь данными соображениями, в рамках Байкальского нейтринного телескопа был разработан и создан двухканальный оптический модуль, основанный на двухканальной модификации фотодетектора КВАЗАР-370, рис.8. Основным звеном этой модификации является двухканальный фотоэлектронный умножитель "Байкал-2", разработанный в ИЛИ РАН совместно с ОАО МЭЛЗ для использования именно в составе двухканального фотодетектора КВАЗАР-370-2.

Данный двухканальный ФЭУ характеризуется следующими характеристиками:

1. Рабочий диаметр фотокатода - 28 мм

2. Материал фотокатода - К2С«8Ъ.

3. Область спектральной чувствительности - 300-650 нм.

4. Число динодов - 15.

5. Тип динодов - микросетчатый.

6. Усиления-105-106.

7. Пик/долина зарядового распределения однофотоэлектронных импульсов -1.3.

8. Разброс времени пролета фотоэлектронов - 700 пс (РЭДНМ).

9 Уровень кросс-токов между каналами - <2%

Тестовые измерения в натурных условиях на оз Байкал, проведенные с комплексной экспериментальной гирляндой, показывают, что новый двухканальный оптический модуль имеет чувствительность к мгоонам сравнимую с чувствительностью стандартного оптического модуля нейтринного телескопа НТ-200

В четвертой главе дается описание фотодетектора KBA3AP-370G, разработанного для использования в широкоугольных черенковских детекторах ШАЛ Данный фотодетектор представляет собой модификацию фотодетектора КВАЗАР-370 Основным отличием этой модификации является использование нового сцинтиллятора Y2S1O5 Ce+BaF2 в люминесцентном экране фотодетектора и применение специализированного ФЭУ, разработанного именно для таких приложений Небольшое добавление (~2-3% по весу) BaF2 в сцинтиллятор Y2S1O5 Се приводит к значительному улучшению его радиационной и химической стойкости без существенного ухудшения его сцинтилляционных параметров

Специализированный ФЭУ обладает следующими характеристиками

1 Рабочий диаметр фотокатода - 28 мм

2 Материал фотокатода - K2CsSb

3 Область спектральной чувствительности фотокатода - 300-650 нм

4 Число динодов - 6

5 Коэффициент усиления - 103-104

6 Разброс времени пролета фотоэлектронов - ~2 не

7 Максимальный постоянный анодный ток - 200 мкА

Использование нового сцинтиллятора и специализированного ФЭУ

приводит к тому, что фотодетектор KBA3AP-370G может успешно применяться в широкоугольных черенковских детекторах ШАЛ

Для изучения углового разрешения нейтринного телескопа Н Г-200 был создан широкоугольный черенковский детектор ШАЛ (Р В Васильев и др ПТЭ 2001 N 5 С 51), рис 9 Детектор состоит из 4-х оптических пунктов регистрации черенковского света ШАЛ, распределенных на ледовом покрове озера в форме звезды Три оптических пункта располагаются в вершинах правильного треугольника, а четвертый - в его геометрическом центре Расстояние от центрального оптического пункта до периферийного составляет ~100 м Расстояния между пунктами фиксируются с точностью ~10 см Центральная электронная система детектора размещается в одном из пунктов ледового лагеря, разбиваемого ежегодно в марте-апреле для профилактических и ремонгных работ с НТ-200 В этой системе вырабатывается триггерный сигнал установки, регистрируются относительные времена срабатываний оптических пунктов и измеряются амплитуды зарегистрированных событий По этим данным восстанавливаются параметры ШАЛ, определяются энергия и направление прихода первичной частицы События в наледном детекторе ШАЛ является целеуказанием для поиска коррелированных событий в нейтринном телескопе НТ-200, обусловленных высокоэнергичными мюонами из состава ШАЛ, зарегистрированного наледной установкой

Основным элементом оптического пункта (рис. 10) является фотодетектор Квазар-3700, размещенный в специальном контейнере. Контейнеры устанавливаются на сани для упрощения процедуры развертывания установки. Развертывание установки (вывоз оптических пунктов регистрации и центрального электронного пункта на лед, расстановка оптических пунктов, подключение кабелей и установка фотодетекторов) проводится в течение одного дня. Кроме фотодетектора Квазар-3700 с высоковольтными источниками питания в контейнере устанавливаются светоизлучающий диод для амплитудной калибровки, делитель напряжения питания ФЭУ и предусилитель анодных импульсов ФЭУ. Для увеличения эффективной площади фотодетектора используются конусные концентраторы света, изготовленные из алюминированного пластика. Угловая чувствительность оптических пунктов с концентраторами света и без концентраторов приведена на рис.11. Установка работает в условиях светового фона ночного неба, приводящего к высоким значениям постоянного анодного тока фотодетекторов. Поэтому используется 'активный делитель напряжения питания ФЭУ, обеспечивающий стабильность коэффициента усиления ФЭУ в широком диапазоне изменения светового фона неба. Полный коэффициент усиления фотодетектора составляет

Широкоугольный наледный черенковский детектор ШАЛ развертывался на льду озера Байкал с 1998 года по 2001 год и работал совместно с глубоководным нейтринным телескопом НТ-200. Энергетический порог детектора ШАЛ составляет ~200 ТэВ. Угловое разрешение детектора лучше 1° (Васильев Р.В. и др. ПТЭ. 2002. N.5. С.51.). Скорость счета совпадающих событий черенковского детектора ШАЛ и глубоководного нейтринного телескопа НТ-200 составляет ~0.5 мин"1. Анализ коррелированных событий наледного детектора ШАЛ и нейтринного телескопа НТ-200 показывает, что угловое разрешение телескопа составляет ~ 4° (ВАБалканов и др. Препринт ИЯИ-1082/2002.).

В заключительной части четвертой главы дается описание широкоугольного черенковского детектора ТУНКА, базовым элементом которого является также фотодетектор KBA3AP-370G. Детектор ТУНКА расположен в Тункинской долине Республики Бурятия в 3 км от пос. Торы и в ~ 50 км от южной оконечности оз. Байкал. На рис.12 представлен схематичный план детектора ТУНКА. Детектор состоит из 25 основных и 4 дополнительных оптических пунктов. Основной оптический пункт и электронная система детектора построены аналогично оптическому пункту и электронной системе наледного черенковского детектора ШАЛ, описанных в предыдущем параграфе этой главы диссертации.

Основные оптические пункты в детекторе ТУНКА равномерно распределены в квадрате 340 х 340 м2. Расстояние между ближайшими пунктами составляет 85м. Условием выработки триггерного сигнала установки является срабатывание любых четырех основных оптических пунктов во временном окне 1 мкс. Энергетический порог детектора составляет 200^-300 ТэВ.

Четыре дополнительных оптических пункта созданы для регистрации формы черенковского излучения ШАЛ. Они основаны на быстрых фотоэлектронных умножителях Thom-EMI D668 (Karle A., Merck M, Plaga R. Et al. Astroparticle Physics. 1995. V.3. P.321.) с полусферическим фотокатодом диаметром ~20 см.

Временной отклик основных оптических пунктов и детекторной электроники определяют угловое разрешение всей установки Исследование влияния светового фона ночного неба и его флуктуаций на временной отклик основных оптических пунктов и детекторной электронной системы показывает, что смещение временной отметки, вырабатываемой фотодетектором и электронной системой установки, и изменение их суммарного временного разрешения не превышают 0 2 не при изменении среднего постоянного анодного тока фотодетектора в пределах 0-100 мкА При этом средний анодный ток фотодетекторов в установке ТУНКА составляет ~ 40 мкА Кроме этого, в детекторе Тунка достигается высокая линейность при измерении амплитуд сигналов (вплоть до 5х104 фэ), что позволяет успешно вести исследования первичного космического излучения в диапазоне энергий 1014-1017 эВ При этом при изменении средней амплитуды сигнала в 60 раз смещение средней временной отметки составляет ДI < 2нс, а среднеквадратичное отклонение временной отметки а/ уменьшается более чем в 20 раз (Васильев Р В, Лубсандоржиев Б К, Похил П Г Препринт ИЯ И-1083/2001)

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы

1 В рамках Байкальского нейтринного эксперимента в сотрудничестве с рядом отечественных институтов и предприятий разработан и создан оптический модуль Байкальского нейтринного телескопа НТ-200 на базе гибридного фотодетектора КВАЗАР-370 Успешная работа этого телескопа на протяжении уже более 5 лет показывает высокую надежность данного оптического модуля и его хорошие характеристики

2 Разработана методика подготовки, сбора, тестирования и монтажа глубоководных модулей нейтринного телескопа НТ-200 оптических модулей и всех модулей электроники Разработан, создан и успешно эксплуатируется на протяжении ряда лет экспериментальный комплекс Байкальского технического стационара для тестирования и отладки всех элементов нейтринного телескопа НТ-200

3 Проведены исследования неорганических сцинтилляторов для эффективной регистрации электронов с энергиями 10-30 кэВ Выделены перспективные сцинтилляторы для использования в люминесцентных экранах гибридных фотодетекторов, такие как 8еБ03 Се, УА103 Се, Ьи28Ю5 Се и др Разработаны и созданы совместно с АООТ КАТОД г Новосибирска ряд модификаций крупногабаритного фотодетектора КВАЗАР-370 с временным разрешением ~1нс (РЭДНМ) и однофотоэлектронным разрешением ~40%

4 Для нейтринных телескопов следующего поколения на оз Байкал разработаны и созданы двухканальный оптический модуль и двухканальныи фотодетектор КВАЗАР-370-2 Совместно с ОАО МЭЛЗ г Москвы разработан и создан специализированный двуханодный фотоэлектронный умножитель "Байкал-2" для работы в составе фотодетектора КВАЗАР-370-2 Уровень кросс-токов между каналами ФЭУ составляет 1-2% Временное разрешение двуханодного ФЭУ "Байкал-2" - ~ 700 пс (РЭДНМ) Натурные

испытания двухканального оптического модуля на оз.Байкал показывают, что оптический канал на его основе имеет чувствительность сравнимую со стандартным оптическим каналом НТ-200.

5. Разработаны и созданы совместно с АООТ КАТОД г.Новосибирска и ОАО МЭЛЗ г.Москвы крупногабаритный фотодетектор для широкоугольных черенковских детекторов ШАЛ KBA3AP-370G и специализированный фотоэлектронный умножитель для работы в составе этого фотодетектора. Этот фотодетектор является базовым фотодетектором наледного черенковского детектора ШАЛ и черенковского детектора ШАЛ ТУНКА. Основные параметры фотодетектора KBA3AP-370G: рабочий диаметр фотокатода - 3 7 0 мм; максимальный средний анодный ток - 200 мкА; коэффициент усиления - 105; временное разрешение - <2.5 ж (FWHM).

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Bezrukov L.B.,........., Pokhil P.G. et al. Baikal Neutrino Telescope: Experience of

Laige Phototube Quasar-370 application // Prog. Part. Nucl. Phys. 1994. V.32. P.47.

2. IABelolaptikov,........., Pokhil P.G. et al. The lake Baikal Neutrino Project: Status

Report. // Proc. ofthe 24th ICRC. Rome Italy. 1995. V.2. P.724.

3. S.V.Bryancki,.........., P.G.Pohil et al. The Energy Spectrum of Primary Cosmic

Rays by the Data ofTunka Cherenkov Array // Proc. of the 24th ICRC. Rome Italy. 1995. V.2. P.724.

4. Безруков Л.Б.,........., Похил П.Г. и др. Измерительные системы Байкальского

нейтринного телескопа НТ-200 // Известия АН. Серия физическая. Т.58. N.12. С.149.

5. B.K.Lubsandorzhiev,........., P.G.Pokhil. et al. Development of High Sensitive

Light Detectors for Underwater Neutrino Telescopes // Proc. of the 25th ICRC. Durban South Africa. 1997. V.6. P.269.

6. IABelolaptikov,........., P.G.Pokhil et al. In-situ measurements of optical

parameters in lake Baikal with the help of a Neutrino Telescope // Appl. Optics. 1999.V.38.N.33.P.6818.

7. IABelolaptikov,........., B.K.Lubsandorzhiev et al. The Baikal Underwater

Neutrino Telescope: Design, Performance and First Results // Astroparticle Physics 7 (1997) 263.

8. VABalkanov,........., P.G.Pokhil et al. Registration of Atmospheric Neutrino with

the Baikal Neutrino Telscope NT-96 //Astroparticle Physics. 1999. V.12. P.75.

9. VABalkanov,........., P.G.Pokhil et al. An upper limit on the diffuse flux of high

energy neutrinos with the Baikal Detector NT-96 // Astroparticle Physics. 2000. V.14. P.61.

Ю.ВАБалканов,........, П.Г.Похил и др. Поиск околовертикальных мюонов из

нижней полусферы в глубоководном эксперименте на оз.Байкал // Ядерная физика. 1999. Т.61. N.6. С.978.

ll.Balkanov VA,........., Pokhil P.G. et al. The Baikal Underwater Neutrino

Experiment: Status Report. Neutrino Telescope NT-96 // Ядерная физика. Т.61. N.6. С.978.

12 R.I Bagduev, , P.G.Pokhil et al The Optical Module of the Baikal Deep Underwater Neutrino Telescope // Nucl Instrum and Methods 1999 A420 P 138

13 Безруков Л Б, , Похил П Г Фотоэлектронный умножитель для глубоководного нейтринного телескопа НТ-200 // ПТЭ 2000 N 1 С 104

14 В К Lubsandorzhiev, , P G Pokhil et al Photodetectors of the lake Baikal Neutrino Experiment and TUNKA Air Cherenkov Array // Nucl Instrum and Methods 2000 VA442 P 368

15 Безруков Л Б, , Похил П.Г Фотоэлектронный умножитель для черенковских детекторов широких атмосферных ливней // ПТЭ 2000 N 1 С 164

16 Лубсандоржиев Б.К., Похил П.Г., Путилов О А, Степаненко З.И. Фотоприемник KBA3AP-370G для черенковских детекторов широких атмосферных ливней//ПТЭ 2001 N3 С 155

17 Р В Васильев, , П Г Похил и др Черенковский детектор широких атмосферных ливней для совместной работы с нейтринным тетескопом НТ-200 //ПТЭ 2001 N5 С51

18 Р В Васильев, , П Г Похил и др Угловое разрешение черенковского детектора широких атмосферных ливней, созданного для совместной работы L нейтринным телескопом НТ-200//ПТЭ 2002 N5 С 51

19 О A Gress, , Р G Pohil et al The study of primary cosmic rays energj spectrum and mass composition in the energy range 0 5-50 PeV with TUNKA Fas Cherenkov array//Nucl Phys В (Proc Suppl)1999 V75A P 299

20 В А Балканов, , П Г Похил и др Двухканальныи фотоэлектронный умножитель "Байкал-2'7/ ПТЭ 2002 N 1 С 100

21 В Lubsandorzhiev, P Pokhil, R.Vasihev Two-channel optical module for the lake Baikal Neutrino Experiment // Proc of the 27th ICRC Hamburg Germany 2001 V3 P 1294

22 N Budnev, , P Pokhil et al Tunka EAS Cherenkov Array - Status 2001 // Proc of the 27th ICRC Hamburg Germany V2 P581

23 V A Balkanov, , P G Pokhil et al The lake Batkal Neutrino Experiment Selected Results // Ядерная физика 2000 T 63 N6 С 1027

24 V A Balkanov, , P G Pokhil et al The lake Baikal Neutrino Lxpenment present and future // Письма в ЭЧАЯ 2001 N3[106] С 21

25 Буднев Н.М., , Похил П.Г. и др Энергетический спектр первичных космических лучей вокруг "колена" // Изв АН серия физическая Т 66 N 11 2002 С 1563

Рис.1. Детекторный комплекс нейтринного телескопа НТ-200:

1 - глубоководные кабельные линии;

2 - буйковые станции;

3 - нейтринный телескоп НТ-200;

4 - гидроакустические маяки

Рис.2. Нейтринный телескоп НТ-200 и связка оптических модулей телескопа:

1 - глубоководные модули электроники связок (СМ),

гирлянд (БЭГ) и детектора (БЭД);

2 - оптические модули; 3,4- лазерные модули.

Рис.3. Оптический модуль нейтринного телескопа НТ-200 на базе фотодетектора КВАЗАР-370.

Рис.4. Коэффициент пропускания света элементов оптического модуля нейтринного телескопа НТ-200

вращения

Рис.5. Стенд для изучения угловой чувствительности оптического модуля нейтринного телескопа НТ-200

Рис.6. Угловая чувствительность оптического модуля нейтринного телескопа НТ-200

Рис.7. Зависимость временного разрешения (РМНМ) фотодетектора КВАЗАР-370 с люминесцентными экранами на основе различных сцинтилляторов от ускоряющего напряжения:

1 - люминесцентный экран на основе сцинтиллятора Y2SiO5:Ce;

2 - ScBOз:Ce;

3 - Ьи^Ю5:Се

Рис.8. Двухканальный оптический модуль

Рис.9. Общий вид наледного черенковского детектора ШАЛ и глубоководного нейтринного телескопа НТ-200

Рис.10. Оптический пункт наледного черенковского детектора ШАЛ:

1 - фотодетектор КВА3ЛР-3700;

2 - контейнер фотодетектора;

3 - высоковольтный источник питания

Рис. 11. Угловая чувствительность оптических пунктов наледного черенковского детектора ШАЛ: концентраторами света; 2 - без концентраторов света

85м

Рис. 12. План широкоугольного черенковского детектора ШАЛ ТУНКА

Ф-т 60x84/8. Уч.-изд.л.1,4 Зак. №21346 Тираж 100 экз. Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук

117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

»211 16

с

РНБ Русский фонд

2005-4 15922

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Глубоководный черенковский нейтринный телескоп НТ

1.1. Детекторный комплекс

1.2. Нейтринный телескоп НТ

1.3. Системный модуль электроники связки

1.3.1. Блок выработки локального триггера

1.3.2. Блок преобразования амплитуды

1.3.3. Блок запуска светоизлучающих диодов

1.3.4. Крейт-контроллер

1.4. Модуль Блока Электроники Гирлянды

1.5. Модуль Блока Электроники Детектора

1.6. Береговой центр

Глава 2. Оптический модуль нейтринного телескопа НТ

2.1. Фотодетектор KBA3AP

2.1.1. Фотоэлектронный умножитель "Байкал-1"

2.2. Оптический модуль нейтринного телескопа НТ

2.2.1. Глубоководный защитный корпус

2.2.2. Предусилитель

2.2.3. Высоковольтный источник питания ВИП-2

2.2.4. Высоковольтный источник питания ВИП-35К

2.2.5. Формирователь-усилитель запуска светоизлучающих диодов

2.2.6. Подготовка и сборка оптического модуля

2.2.7. Угловая чувствительность оптического модуля

2.2.8. Тестовый экспериментальный комплекс Байкальского технического стационара

2.3. Оптические модули в НТ

Глава 3. Модификации фотодетектора KBA3AP

3.1. Сцинтилляторы для для гибридных вакуумных фото детекторов 100 3.1.1. Сцинтилляторы для фото детектора KB A3 АР

3.2. Модификации фотодетектора KBA3AP-370 с новыми сцинтилляторами

3.3. Двухканальный оптический модуль

3.3.1. Двухканальный фотодетектор KB A3 АР-3 70

3.3.2. Двуханодный фотоэлектронный умножитель "БАЙКАЛ-2"

3.3.3. Двухканальный оптический модуль

Глава 4. Фотодетекторы KBA3AP-370G в широкоугольных черенковских детекторах широких атмосферных ливней 136 4.1. Фотодетектор KBA3AP-370G

4.1.1. Фотоэлектронный умножитель для использования в составе фотодетектора KB A3 АР-3 70G

4.2. Наледный черенковский детектор широких атмосферных ливней

4.3. Черенковский детектор широких атмосферных ливней ТУНКА-25 162 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 170 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Одной из важнейших задач современной экспериментальной физики высоких энергий, физики космических лучей и астрофизики являются изучения природных потоков нейтрино высоких энергий и первичного космического излучения в области "колена". Для решения этих задач в мире активно ведутся работы по созданию крупномасштабных нейтринных телескопов и наземных широкоугольных черенковских детекторов широких атмосферных ливней (ШАЛ).

Так, уже больше пяти лет успешно работает первый в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ-200 на озере Байкал [1-4]. Работы над аналогичными проектами ведутся в Средиземном море - ANTARES [5], NESTOR [6] и NEMO [7]. В Антарктиде, на Южном Полюсе, на глубине 1-г2 км во льду несколько лет функционирует нейтринный телескоп AMANDA [8,9]. Там же начаты работы по созданию гигантского детектора ICECUBE [10] с рабочим объемом ~1 км3. Начаты также обсуждения проекта детектора GVD с таким же объемом на базе нейтринного телескопа НТ-200 на оз.Байкал [11].

Регистрация черенковского излучения ШАЛ широкоугольными детекторами является одним из наиболее эффективных средств для исследования первичного космического излучения в области излома его спектра - 1014-г1016 эВ. Последние 10-15 лет ознаменовались активной работой широкоугольных черенковских детекторов ШАЛ в этой области спектра. Это такие детекторы как ТУНКА [12-15] в Тункинской долине в 50 км от оз.Байкал, BLANC А [16,17] в США, VULCAN [18] на Южном Полюсе [18] и AIROBICC [19] на Канарском острове Ла-Пальма в Испании. Из этих детекторов в настоящее время только детектор ТУНКА продолжает активно работать и развиваться.

Во всех упомянутых выше нейтринных телескопах и детекторах ШАЛ регистрация нейтрино и первичного космического излучения осуществляется с использованием черенковского света от продуктов взаимодействия нейтрино с веществом и от заряженной компоненты ШАЛ. Спектр черенковского излучения изменяется с длиной волны излученного света по закону А,"2, следовательно, большая часть данного излучения лежит в ультрафиолетовой и синей областях спектра. Спектральный состав света, достигающего оптический модуль или оптический пункт таких черенковских детекторов, определяется спектрами как черенковского излучения, так и пропускания среды.

Приведем основные требования, сформулированные в работах [20-24], к фото детекторам, используемым в нейтринных телескопах:

1. Высокая чувствительность в сине-голубой области спектра.

2. Малый уровень скоростей счета импульсов темнового тока.

3. Чувствительность в телесном угле 2л.

4. Нечувствительность к магнитному полю Земли.

5. Высокое временное разрешение.

6. Быстрый временной отклик.

7. Хорошее однофотоэлектронное разрешение.

В случае же широкоугольных детекторов ШАЛ эти требования сводятся к следующим [25]:

1. Высокая чувствительность в сине-голубой области спектра.

2. Чувствительность в телесном угле 2п.

3. Нечувствительность к магнитному полю Земли.

4. Высокое временное разрешение.

5. Быстрый временной отклик.

6. Возможность долговременной работы в условиях повышенного светового фона ночного неба.

Одним из основных условий успешной реализации проектов создания и эксплуатации крупномасштабных нейтринных телескопов и черенковских детекторов широких атмосферных ливней является разработка и создание фотодетекторов и оптических модулей и регистрационных пунктов на их основе, адекватно отвечающих перечисленным выше требованиям.

Цель работы. Целью настоящей работы являлось разработка и создание ряда вакуумных фотодетекторов для Байкальского нейтринного эксперимента и черенковского детектора широких атмосферных ливней ТУНКА, разработка и создание оптического модуля для Байкальского нейтринного телескопа НТ-200.

Работа выполнена в рамках работ по созданию нейтринного телескопа НТ-200 и широкоугольного черенковского детектора ШАЛ ТУНКА.

Научная новизна и практическая ценность работы. В ходе выполнения настоящей работы был разработаны и созданы ряд вакуумных фотодетекторов, ставшие базовыми элементами Байкальского нейтринного телескопа НТ-200, наледного черенковского детектора ШАЛ и широкоугольного черенковского детектора ШАЛ ТУНКА.

Основные результаты, представленные к защите.

Основными результатами, представленными к защите, являются результаты работ по разработке и созданию ряда фотодетекторов для нейтринных экспериментов на оз. Байкал и для широкоугольных черенковских детекторов широких атмосферных ливней.

Апробация работы. Результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на межрегиональных конференциях по физике космических лучей в г.Москве в 1994, 1996, 1998 и 2002 гг., в г.Дубне в 2000 г, Международных конференциях по физике космических лучей в 1995г. (Рим), 1997г. (Дурбан), и 2001г. (Гамбург). Результаты работ докладывались на научных семинарах в ИЯИ РАН, НИИЯФ МГУ и ОИЯИ.

Публикации. Сущность и новизна исследований, выполненных по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах Приборы и Техника Эксперимента, Nuclear Instruments and Methods A, Известия PAH, Astroparticle Physics, Ядерная физика, Progress in Paricle and Nuclear Physics, Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра (ЭЧАЯ), в трудах межрегиональных и международных конференций по физике космических лучей и физике нейтрино. Всего по теме диссертации опубликовано 25 работ из них 17 в реферируемых журналах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общее количество страниц составляет 183, рисунков - 67 и таблиц - 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках Байкальского нейтринного эксперимента в сотрудничестве с рядом отечественных институтов и предприятий разработан и создан оптический модуль Байкальского нейтринного телескопа НТ-200 на базе гибридного фотодетектора KBA3AP-370. Успешная работа этого телескопа на протяжении уже более 5 лет показывает высокую надежность данного оптического модуля и его хорошие характеристики.

Разработана методика подготовки, сбора, тестирования и монтажа глубоководных модулей нейтринного телескопа НТ-200: оптических модулей и всех модулей электроники. Разработан, создан и успешно эксплуатируется на протяжении ряда лет экспериментальный комплекс Байкальского технического стационара для тестирования и отладки всех элементов нейтринного телескопа НТ-200.

Проведены исследования неорганических сцинтилляторов для эффективной регистрации электронов с энергиями 10-30 кэВ. Выделены перспективные сцинтилляторы для использования в люминесцентных экранах гибридных фотодетекторов, такие как ScBC^Ce, УАЮз'.Се, Lu2Si05:Ce и др. Разработаны и созданы совместно с АООТ КАТОД г.Новосибирска ряд модификаций крупногабаритного фотодетектора KBA3AP-370 с временным разрешением ~1нс (FWHM) и однофотоэлектронным разрешением ~40%.

Для нейтринных телескопов на оз. Байкал разработаны и созданы двухканальный оптический модуль и двухканальный фотодетектор KBA3AP-370-2. Совместно с ОАО МЭЛЗ г.Москвы разработан и создан специализированный двуханодный фотоэлектронный умножитель "Байкал-2" для работы в составе фотодетектора KBA3AP-370-2. Уровень кросс-токов между каналами ФЭУ составляет 1-ь2%. Временное разрешение двуханодного ФЭУ "Байкал-2" составляет -700 пс (FWHM). Натурные испытания двухканального оптического модуля на оз.Байкал показывают, что оптический канал на его основе имеет чувствительность сравнимую со стандартным оптическим каналом НТ-200.

Разработаны и созданы совместно с АООТ КАТОД г.Новосибирска и ОАО МЭЛЗ г.Москвы крупногабаритный фотодетектор для широкоугольных черенковских детекторов ШАЛ KBA3AP-370G и специализированный фотоэлектронный умножитель для работы в составе этого фотодетектора. Этот фотодетектор является базовым фотодетектором наледного черенковского детектора ШАЛ и черенковского детектора ШАЛ ТУНКА. Основные параметры фотодетектора KBA3AP-370G: рабочий диаметр фотокатода - 370 мм; максимальный средний анодный ток - 200 мкА; коэффициент усиления — 105; временное разрешение - < 25 не (FWHM).

Автор считает своим приятным долгом выразить свою искреннюю признательность научному руководителю Б.К.Лубсандоржиеву за постановку задачи, постоянное внимание и помощь на всех этапах данной работы. Автор благодарит весь коллектив Лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий ИЯИ РАН за ту доброжелательную дружескую атмосферу, без которой не мыслима эта работа. Хочу особо поблагодарить своих друзей и коллег из Байкальского нейтринного эксперимента за прекрасные годы совместной работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Bezrukov L.B.,. Pokhil P.G. et al. Baikal Neutrino Telescope:

Experience of Large Phototube Quasar-370 application // Prog. Part. Nucl. Phys. 1994. V.32.P.47.

2. I.A.Belolaptikov,., Pokhil P.G. et al. The lake Baikal Neutrino Project:

Status Report. // Proc. of the 24th ICRC. Rome Italy. 1995. V.2. P.724.

3. S.V.Bryancki,. P.G.Pohil et al. The Energy Spectrum of Primary

Cosmic Rays by the Data of Tunka Cherenkov Array // Proc. of the 24th ICRC. Rome Italy. 1995. V.2. P.724.

4. Безруков Л.Б.,., Похил П.Г. и др. Измерительные системы

Байкальского нейтринного телескопа НТ-200 // Известия АН. Серия физическая. Т.58. N.12. С.149.

5. B.K.Lubsandorzhiev,., P.G.Pokhil. et al. Development of High

Sensitive Light Detectors for Underwater Neutrino Telescopes // Proc. of the 25th ICRC. Durban South Africa. 1997. V.6. P.269.

6. I.A.Belolaptikov,., P.G.Pokhil et al. In-situ measurements of optical parameters in lake Baikal with the help of a Neutrino Telescope // Appl. Optics. 1999. V.38. N.33. P.6818.

7. I.A.Belolaptikov,. B.K.Lubsandorzhiev et al. The Baikal Underwater

Neutrino Telescope: Design, Performance and First Results // Astroparticle Physics 7 (1997) 263.

8. V.A.Balkanov,., P.G.Pokhil et al. Registration of Atmospheric

Neutrino with the Baikal Neutrino Telscope NT-96 // Astroparticle Physics. 1999. V.12. P.75.

9. V.A.Balkanov,., P.G.Pokhil et al. An upper limit on the diffuse flux of high energy neutrinos with the Baikal Detector NT-96 // Astroparticle Physics. 2000. V. 14. P.61.

Ю.В.А.Балканов,., П.Г.Похил и др. Поиск околовертикальных мюонов из нижней полусферы в глубоководном эксперименте на оз.Байкал // Ядерная физика. 1999. Т.61. N.6. С.978. ll.Balkanov V.A.,. Pokhil P.G. et al. The Baikal Underwater Neutrino

Experiment: Status Report. Neutrino Telescope NT-96 // Ядерная физика. T.61. N.6. С.978.

12. R.I.Bagduev,. P.G.Pokhil et al. The Optical Module of the Baikal

Deep Underwater Neutrino Telescope // Nucl. Instrum. and Methods. 1999. A420.P.138.

1 З.Безруков Л.Б.,. Похил П.Г. Фотоэлектронный умножитель для глубоководного нейтринного телескопа НТ-200 // ПТЭ. 2000. N.1. С. 104.

H.B.K.Lubsandorzhiev,., P.G.Pokhil et al. Photodetectors of the lake

Baikal Neutrino Experiment and TUNKA Air Cherenkov Array // Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V.A442. P.368.

15.Безруков Л.Б.,. Похил П.Г. Фотоэлектронный умножитель для черенковских детекторов широких атмосферных ливней // ПТЭ. 2000. N.1. С. 164.

16.Лубсандоржиев Б.К., Похил П.Г., Путилов О.А., Степаненко З.И. Фотоприемник KBA3AP-370G для черенковских детекторов широких атмосферных ливней // ПТЭ. 2001. N.3. С. 155.

17.Р.В.Васильев ,., П.Г.Похил и др. Черенковский детектор широких атмосферных ливней для совместной работы с нейтринным телескопом НТ-200. // ПТЭ. 2001. N.5. С.51.

18.Р.В.Васильев ,., П.Г.Похил и др. Угловое разрешение черенковского детектора широких атмосферных ливней, созданного для совместной работы с нейтринным телескопом НТ-200 // ПТЭ. 2002. N.5. С.51.

19.0.A.Gress,., P.G.Pohil et al. The study of primary cosmic rays energy spectrum and mass composition in the energy range 0.5-50 PeV with TUNKA Eas Cherenkov array // Nucl. Phys. B. (Proc. Suppl.) 1999. V.75A. P.299.

20.В.А.Балканов ,., П.Г.Похил и др. Двухканальный фотоэлектронный умножитель "Байкал-2'7/ ПТЭ. 2002. N.1. С. 100.

21.B.Lubsandorzhiev, P.Pokhil, R.Vasiliev. Two-channel optical module for the lake Baikal Neutrino Experiment // Proc. of the 27th ICRC. Hamburg Germany. 2001. V.3. P. 1294.

22.N.Budnev ,. P.Pokhil et al. Tunka EAS Cherenkov Array - Status

2001. // Proc. of the 27th ICRC. Hamburg Germany. V.2. P.581.

23.V.A.Balkanov ,. P.G.Pokhil et al. The lake Baikal Neutrino

Experiment: Selected Results. // Ядерная физика. 2000. T.63. N.6. С.1027.

24.V.A.Balkanov ,., P.G.Pokhil et al. The lake Baikal Neutrino

Experiment: present and future. // Письма в ЭЧАЯ. 2001. N.3[106]. C.21.

25.Буднев H.M.,., Похил П.Г. и др. Энергетический спектр первичных космических лучей вокруг "колена" // Изв. АН серия физическая. Т.66. N.11. 2002. С. 1563.

1. I.A.Belolaptikov, L.B.Bezrukov, B.A.Borisovets et al. The Baikal Underwater Neutrino Telescope: Design, Performance and First Results // Astroparticle Physics 7 (1997) 263.

2. N.Budnev, D.Chernov, V.Galkin et al. Tunka EAS Cherenkov Array — Status 2001. // Proc. of the 27th ICRC. Hamburg Germany. 2001. V.2. P.581.

3. V.A.Balkanov, I.A.Belolaptikov, L.B.Bezrukov et al. The lake Baikal Neutrino Experiment: Selected Results. // Ядерная физика. 2000. T.63. N.6. С. 1027.

4. V.A.Balkanov, I.A.Belolaptikov, L.B.Bezrukov et al. The lake Baikal Neutrino Experiment: present and future. //Письма в ЭЧАЯ. 2001. N.3 106. C.21.

5. Amram P., Anghinolfi M., Anvar S. et al. // Proc. of the 27th Intern. Cosmic Ray Conf. (August 2001) Germany, Hamburg: Copernicus Gesellschaft, 2001. V.3. P.1233.

6. Anasontsis E., Assimakopoulos P., Barone M. et al. // Proc. of the 25th Intern. Cosmic Ray Conf. (30 July 6 August 1997), South Africa Durban: Wesprint Potchefstroom, 1997. V.7. P.49.

7. De Marzo C. // The Proc. of the 6th Intern. Workshop on Topics in Astroparticle and Underground Physics. Paris, France, 6-10 September 1999. P.433

8. Andres E., Askebjer P., Barwick S.W. et al. // Astroparticle Physics. 2000. V.13.P.1.

9. Biron A. et al. Results from the AMANDA High-Energy Neutrino Detector // Письма в ЭЧАЯ. 2001. Т.3106. СЛ.

10. Goldscmidt А. // Proc. of the 27th Intern. Cosmic Ray Conf. (August 2001) Germany, Hamburg: Copernicus Gesellschaft, 2001. V.3. P. 1237.

11. Balkanov V.A. et al // Proc. of the Intern. Conf. Neutrino-2002. Munich Germany.

12. S.V.Bryancki et al. The Energy Spectrum of Primary Cosmic Rays by the Data of Tunka Cherenkov Array // Proc. of the 24th ICRC. Rome Italy. 1995. V.2. P.724.

13. А.Гресс, Т.И.Гресс, А.И.Климов и др. Исследование энергетического спектра первичных космических лучей на черенковской установке "ТУНКА" // Известия АН сер. физическая. 1997. Т.61. N.3. С.511.

14. A.Gress et al. The study of primary cosmic rays energy spectrum and mass composition in the energy range 0.5-50 PeV with TUNKA Eas Cherenkov array // Nucl. Phys. B. (Proc. Suppl.) 1999. V.75A. P.299.

15. N.Budnev et al. Tunka EAS Cherenkov Array Status 2001. // Proc. of the 27th ICRC. Hamburg Germany. 2001. V.2. P.581.

16. L.F.Fortson, J.W.Fowler, C.H.Jui et al. Measuring the Cosmic Ray Composition at the Knee with BLANCA // Proc. of the 25th ICRC. Durban, South Africa. 1997. V.4. P.49-52.

17. M.Cassidy, L.F.Fortson, J.W.Fowler et al. CASA-BLANCA: A large nonimaging Cherenkov Detector at CASA-MIA // Proc. of the 25th ICRC. Durban, South Africa. 1997. V.5. P. 189-192.

18. J.E.Dickinson, P.A.Evenson, T.K.Gaisser et al. A new air-Cherenkov detector array at the South Pole operating in coincidence with the SPASE-2 scintillator array // Proc. of the 25th ICRC. Durban, South Africa. 1997. V.5. P.229-232.

19. Roberts A. Optical sensors and array // Proc. 1978 DUMAND Summer WORKSHOP. La Jolla. California. 1978. Scripps Institution of Oceanography.1979. V.l. P.103-112.

20. Lescovar B. Photomultiplier characteristics consideration for DUMAND System // Proc. of the DUMAND Signal Processing Workshop. Honolulu.1980. / Ed. By Roberts A. Honolulu: University of Hawaii. 1980. P.21.

21. Learned J.G., Roberts A. Requirements for photomultipliers for DUMAND. Hawaii Dumand Center Report. HDC-81-14. 1981.

22. Learned J.G., Roberts A. Requirements for photomultipliers for DUMAND // Proc. of the DUMAND Signal Processing Workshop. Honolulu. 1980. / Ed. By Roberts A. Honolulu: University of Hawaii. 1982. P.57-65.

23. Lubsandorzhiev В.К. et al. Photodetectors of the lake Baikal neutrino experiment and EAS Cherenkov array TUNICA // Nucl. Instrum. and Methods. 2000. A442. P.368.

24. Belolaptikov I.A., Bezrukov L.B., Borisovets B.A. et al. An sonar triangulation system for position monitoring of the Baikal underwater array // Proc. of the 24th ICRC. Rome. 1995. V.l. P.l001.

25. Х.Шмидт. Измерительная электроника в ядерной физике // М.: Мир. 1989. С.89.

26. В.И.Бельский и др. Монолитная ИС стробируемого преобразователя заряд-время КР1101ПД1 // Электронная промышленность. 1985. N.9. С.11.

27. G.t' Hoft, Nucl. Phys. // B79. 1974. P.276.

28. А.М.Поляков. // Письма в ЖЭТФ. 1974. N.20. С.430.

29. T.W.B.Kibble. Some Implication of Cosmological Phase Transition. // Phys. Rep. 1980. V.67. P.183.

30. Рубаков В .А. // Письма в ЖЭТФ. 1981. Т.ЗЗ. С.658.

31. Callan C.G. Dyon-fermion dynamics // Phys. Rev. 1982. V.D26. P.2058. 36.St.D.Wick, Th.W.Kephart. Weiler T.J. Signaturre Studies of Cosmic Magnetic

32. Monopoles//astro-ph/0102002. 1 Feb. 2001.

33. H.Heukenkamf et al. A Transputer Based Data Acquisition System for the Baikal Neutrino Telescope // Informatik Aktuell. Springer, Berlin. 1994. P.297.

34. Багдуев Р.И., Безруков Л.Б., Лисовский Г.В. и др. Фотоприемник КВАЗАР для глубоководных экспериментов на оз.Байкал. // Труды IV Всесоюзной конференции по использованию ФЭУ в науке и технике. 1987. С.7.

35. Bezrukov L.B. et al. The Optical Sensor of the lake Baikal project // Proc. of the 2nd Intern. Conf. On Trends in Astropart. Phys. Aachen 1991. P. 132.

36. L.B.Bezrukov et al. The Optical Module of the Lake Baikal Neutrino Telescope // Proc. of the 23rd ICRC. V.4. P.581.

37. L.B.Bezrukov et al. Quasar-370 the Optical Module of the Lake Baikal Neutrino Telescope // Proc. of the 3rd Nestor Workshop. P.645.

38. Безруков Л.Б. и др. Высокочувствительный быстрый фотоприемник KBA3AP-370 для крупномасштабных экспериментов в физике космических лучей. // Известия РАН (сер. физическая) 1993. Т.57. N.4. С.135.

39. BENTHOS. Deep Sea Glass Spheres: http://www.benthos.com/pdf/Spheres/

40. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схематехники // М: Мир, 1984. T.l. С.350.

41. Н.А.Соболева, А.Е.Меламид Фотоэлектронные приборы // М.: Высшая школа. 1974.

42. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Ню Ваккумные фотоэлектронные приборы // М: Радио и связь. 1988. С.30.

43. PHILIPS Photomultiplier Tubes // Philips Photonics. Brive France. 1994. P.l.

44. Burle Photomulptiplier Handbook // BURLE INDUSTRIES INC. Tube Products Division. 1989. P. 12.

45. HAMAMATSU Photomultiplier Tube // HAMAMATSU Photonics K.K. 1994.

46. Васильев P.B., Лубсандоржиев Б.К., Похил П.Г. Простой, компактный, наносекундный источник света для калибровочных измерений в сцинтилляционных и черенковских детекторах // Препринт ИЯИ 1003/99 Февраль 1999.

47. Васильев Р.В., Лубсандоржиев Б.К., Похил П.Г. //ПТЭ. 2000. N.4. С. 148.

48. E.J.Sternglass. Backscattering of Kilovolt Electrons from Solids // Phys. Rev. 1954. V.95.N.2. P.345-358.

49. V.E.Cosslett, R.N.Thomas. Multiple scattering of 5-30 keV electrons in evaporated metal films III: Backscattering and absorption // Brit. J. Appl. Phys. 1965. V. 16. P.779-796.

50. P.B.Coates. The edge effect in electron multiplier statistics // J. Phys. D: Appl. Phys. 1970. V.3. P. 1290-1296.

51. P.B.Coates. Photomultiplier collection efficiencies and nonpoissonian pulse height distributions // J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. V.6. P.153-163.

52. H.O.Funsten, D.M.Suszcynsky, S.M.Ritzau, R.Korde Response of 100% Internal Quantum Efficiency Silicon Photodiodes to 200 eV 40 keV Electrons //IEEETrans. OnNucl. Sci. 1997. V.44. N.6. P.2561-2565.

53. Blasse G., Bril A. Investigation of Some Ce+3-activated Phosphors // Jorn. of Chem. Phys. 1967. V.47. N.12. P.5139.

54. Luckey D. A fast inorganic scintillator // Nucl. Instrum. and Methods. 1968. V.62.N.1.P.67.

55. Медведев M.H. Сцинтилляционные детекторы // M.: Атомиздат. 1977. С.35.

56. Сошин Н.П. Управление характеристиками излучения и энергетический выход промышленных катодолюминофоров // Известия АН СССР. Сер. физическая. 1979. Т.43. С.6.

57. Derenzo S.E., Voses W.W., Cahoon J.L. et al. Prospects for New Inorganic Scintillators // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1990. V.37. N.2. P.203-208.

58. Blasse G. Search for New Inorganic Scintillators // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1991. V.38. N.l. P.30-31.

59. Melcher C.L., Schweitzer J.S. Cerium-doped Lutetium Oxyorthosilicate: A Fast, Efficient New Scintillator // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1992. V.39. N.4. P.502-505.

60. Melcher C.L., Schweitzer J.S. A promising new scintillator: cerium-doped Lutetium oxyorthosilicate // Nucl. Instrum. and Methods. 1992. V.A314. N.l. P.212-214.

61. Неорганические люминофоры прикладного назначения // Вып.1. Катодолюминофоры (обзор люминофоров за 1965-1970гг.) / Под ред. Л.Я.Марковского. Л.: Химия. 1975.

62. Казанкин О.П., Марковский Л.Я., Петошина Л.Н., Миронов И.А. Неорганические люминофоры. // Л.: Химия. 1975.

63. М.Е.Глобус, Б.В.Гринев. Неорганические люминофоры // Харьков: Акта. 2000.

64. Bagduev R.I., Bezrukov L.B., Belolaptikov I.A. et al. // Nucl. Instrum. and Methods. 1999. V.A400.

65. Бессонова H.A., Климов А.И., Мелешко E.A., Морозов А.Г. // Препринт ИАЭ-4177/14, 1985.

66. Гуторенко A.M., Климов А.И., Лубсандоржиев Б.К. и др. Автоматизированный стенд для тестирования фотоприемников КВАЗАР

67. K.K.Young. DUMAND-II (Deep Underwater Muon and Neutrino Detector) PROGRESS Report // astro-ph/9412060. 16 December 1994.

68. A.Bouchta. Muon Analysis with the AMANDA-B Four-String Detector // Ph. D. Thesis. Stockholm University. 1998.

69. HAMAMATSU NEWS. Hamamatsu Photonics K.K. Electron Tubes Center 1995.

70. NICHIA CHEMICAL Ltd Data Sheet. TOKUSHIMA JAPAN, 1997.

71. Р.В.Васильев, О.А.Грэсс, Е.Е.Корестелева и др. Черенковский детектор широких атмосферных ливней для совместной работы с нейтринным телескопом НТ-200 // ПТЭ. 2001. N.5. С.51-56.

72. M.Aglietta et al. EAS-TOP Array at Gran-Sasso // Nucl. Phys. B. (Proc. Suppl.). 1990. V.16. P.493.

73. T.C.Miller et al. Calibration of AMANDA with Coincident Events from SPASE-2 // Proc. of the 26th ICRC. Salt Lake City USA. 1999. V.2. P.465.

74. Н.А.Бессонова, А.И.Климов, Е.А.Мелешко, А.Г.Морозов. Наносекундные модули КАМАК // Препринт ИАЭ-4177/14. 1985.

75. А.И.Климов, Е.А.Мелешко, А.Г.Морозов, И.Е.Осташев. Модули КАМАК наносекундного быстродействия // Препринт ИАЭ-4858/15. 1989.

76. Р.В.Васильев, Л.А.Кузьмичев, Б.К.Лубсандоржиев, П.Г.Похил. Погрешность измерения времени в черенковском детекторе широких атмосферных ливней ТУНКА // Препринт ИЛИ-1069/2001.

77. Р. А. Антонов, В.И.Галкин, И.П.Иваненко и др. Широкоугольный черенковекий детектор UIAJI на основе полусферических фотоприемников // Известия АН. Сер. физическая. 1993. Т.57. N.4. С.181-185.

78. Иваненко И.П., Рапопорт И.Д., Шестоперов В.Я. и др. // Письма в ЖЭТФ, 1989. Т.49. Вып.4. С.192-194.

79. The Karlsruhe Extensive Air Shower Simulation Code CORSIKA // KfK Report 4998, Kernforschungszentrum, Karlsruhe, 1992.