Исследование спектра и интенсивности темновых шумов ФЭУ детектора Борексино тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

0034Ь1<

На правах рукописи

Орехов Денис Иосифович

Исследование спектра и интенсивности темновых шумов ФЭУ детектора Борексино

01.04.16-физикаатомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 ? 0~О

Москва - 2009

003461746

Работа выполнена на кафедре общей ядерной физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Ишханов Борис Саркисович,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Чепурнов Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Недорезов Владимир Георгиевич,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Спасский Андрей Васильевич

Ведущая организация: РНЦ "Курчатовский институт"

Защита состоится 27 февраля 2009 г. 15:00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.77 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1 стр. 5 - «19 корпус» НИИЯФ МГУ, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан <$/ января 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.77 доктор физико-математических наук, профессор /_____ С.ИХтр ахова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Исследование характеристик тсмновых шумов ФЭУ детектора Борексино необходимо для обеспечения работоспособности установки и корректной регистрации солнечных нейтрино.

Детектор Борексино (Гран Сассо, Италия) предназначен для прямого измерения потока солнечных 7Ве нейтрино в режиме реального времени. 7Ве нейтрино образуются в реакции рр цикла на Солнце:

7Ве + е~ —»7Li + vc.

90% нейтрино, образующийся в этой реакции, имеют энергию 0,86 МэВ, а 10% -0,38 МэВ. В эксперименте регистрируются нейтрино с энергией 0,86 МэВ. Детектирование происходит в реакции упругого рассеяния нейтрипо на электронах в ецшггшияторе:

е" + ve —> с" + ve\

Электрон отдачи е" вызывает сцинтилляцию, а образовавшиеся в этом процессе фотоны регистрируются ФЭУ. Спектр электронов отдачи реакции имеет вид непрерывного плато, область спада которого приходится иа энергию 0,66 МэВ, но из-за ограниченного энергетического разрешения детектора происходит расширение спектра до 0,8 МэВ. В эксперименте регистрируются электроны, взаимодействовавшие с 7Ве нейтрино, в диапазоне энергий 0,25 - 0,80 МэВ. Измерение потока нейтрино детектором позволит подтвердить существование нейтринных осцилляций для 7Ве нейтрино, уточнить параметры и конкретную модель осцилляций, уточнить механизмы реакций, обеспечивающих светимость Солнца.

Рабочим веществом детектора является органический сцинтиялятор, который контролируется 2212 фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Кроме того в качестве мюонного вето используется еще 208 ФЭУ. Таким образом, фиксирование реакции рассеяния нейтрино на электронах происходит путем обработки сигналов с ФЭУ. В связи с этим состояние ФЭУ необходимо постоянно контролировать. Неотъемлемой характеристикой ФЭУ является темновой шум. Поэтому одним из основных контролируемых параметров в детекторе является интенсивность темнового шума ФЭУ. Слишком высокий или слишком низкий уровень интенсивности темнового шума свидетельствует о неисправности ФЭУ. Своевременное обнаружение подобных событий является основной задачей системы контроля темновых шумов ФЭУ, которая функционирует как независимый модуль в единой системе контроля состояния детектора Борексино.

Следует отметить, что данная система развернута параллельно основной системе сбора физических данных.

Наряду с оперативным контролем уровня темповых шумов, актуальной задачей является вычисление их статистических параметров. Для этого была создана система анализа темновых шумов. Основные направления анализа: вычисление спектра интенсивности темновых шумов отдельных ФЭУ или групп ФЭУ, поиск периодической зависимости сигналов с ФЭУ, поиск долговременных тенденций изменения сигнала. Также можно исследовать корреляции между интенсивностями отдельных ФЭУ или групп ФЭУ, корреляции с параметрами внешней среды: температурой, давлением, уровнем радиационного фона. Для операторов, контролирующих и обслуживающих установку, является полезной информация о характере изменения сигнала ФЭУ при включении и выключении высокого напряжения, подаваемого на ФЭУ, а также информация о влиянии проводимых в детекторе технических работ на состояние ФЭУ. Фиксация и объяснение всех вышеперечисленных явлений является необходимым условием, гарантирующим достоверность полученных в эксперименте данных.

После начала эксплуатации детектора производится сохранение значений интенсивности темновых шумов со всех ФЭУ с периодичностью, достаточной для долговременного контроля состояния ФЭУ. В дальнейшем возможно проведение других видов исследований темповых шумов на основе этих данных.

Цель работы

Целыо настоящей диссертационной работы является анализ темновых шумов ФЭУ в детекторе Борексино, в частности, исследование спектра и интенсивности темновых шумов ФЭУ. Данные исследования позволяют быть уверенными в целостности данных, используемых для выявления нейтринных событий в детекторе. Анализ темновых шумов помогает выявлять неисправные ФЭУ, является подтверждением стабильности работы детектора и отсутствия нестандартных характеристик в получаемых с ФЭУ сигналах в период рабочих запусков установки.

Для достижения этой цели была создана система контроля и анализа темновых шумов ФЭУ. С помощью разработанной системы было проведено накопление информации о темповых шумах и анализ собранных данных.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Создана система контроля темновых шумов ФЭУ нейтринного детектора Борексино, позволяющая отслеживать состояние ФЭУ в течение всего времени эксплуатации детектора и обеспечивающая своевременную реакцию на возникновение неисправностей оборудования.

2. Разработана методика анализа данных о темповых шумах ФЭУ для детектора Борексино, необходимая для подтверждения достоверности получаемых с ФЭУ данных о величине потока 7Ве солнечных нейтрино на Земле и о наблюдении нейтринных осцилляции, па основании исследования накопленной информации о физических параметрах детектора.

3. Разработана архитектура, позволяющая создавать системы контроля и анализа данных для средних и больших ядернофизическнх установок на основе проверенных в практической эксплуатации модулей, соединенных стандартизированными интерфейсами и использующих для обмена данными распространенные протоколы.

Научная новизна работы

Впервые создана система контроля и анализа данных о темновых шумах ФЭУ, имеющая распределенную архитектуру, допускающая масштабирование, позволяющая интерактивный доступ через сеть Интернет и использующая стандартизированную шину CAN для обмена данными. Кроме того, на основе методов и технологий, использованных при создании системы контроля темновых шумов ФЭУ, впервые разработана законченная аппаратно-программная платформа для создания систем контроля, накопления и анализа физических данных.

Уникальность разработанной системы состоит в том, что она удостоверяет полученные на детекторе Борексино физические данные о потоке нейтрино и, следовательно, обеспечивает возможность детектирования низкоэнергетических нейтрино на Земле.

Практическая и научная ценность работы

Разработанная система является необходимой для нормального функционирования детектора Борексино. Система будет использоваться для контроля работы детектора в течение всего времени его эксплуатации, т.е. примерно 10 лет. Благодаря своей архитектуре система может быть легко адаптирована для осуществления планируемых в будущем на детекторе задач: поиск гео-нейтрино и реакторных антинейтрино, наблюдение взрывов сверхновых.

Опыт использования системы контроля темновых шумов детектора Борексино позволяет использовать в будущем данную систему как основу для построения распределенных систем контроля в режиме реального времени для других физических установок.

Личный вклад автора

Автор разработал ряд программных модулей, входящими в состав системы контроля темновых шумов ФЭУ детектора Борексино: модуль обработки и

хранения данных, модуль визуализации данных. Кроме того автор участвовал в развертывании системы контроля темповых шумов в Италии и является ответственным за работу ее программной части. Автор создал тестовый стенд, эмулирующий работу системы,- в НИИЯФ МГУ в лаборатории группы "систем управления ускорителями и диагностики пучка". Автор разработал методику исследования интенсивности и спектра темповых шумов. Также автор организовал сбор, обработку данных о темновых шумах ФЭУ после запуска детектора и провел их анализ.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались па международных конференциях и совещаниях:

1. На конференциях Ломоносов - 2005 и Ломоносов - 2006, Москва, Россия, март 2005 г. и март 2006 г.

2. На 19-ой Международной конференции IWCPA-2005 (International Workshop on Charged Particle Accelerators), Алушта, Крым, Украина, сентябрь 2005 г.

3. На 6-ой Международной конференции «Промышленная сеть CAN-bus и связанные с ней информационные технологии», Мытищи, Россия, март 2007 г.

4. На 57-ой Международной конференции ЯДРО-2007 «Фундаментальные проблемы ядерной физики, атомной энергетики и ядерных технологий», Воронеж, Россия, июнь 2007 г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях и 3 тезисах докладов, представленных на указанных в разделе "Апробация работы" конференциях. Полный список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 77 рисунков и 17 таблиц. Список цитируемой литературы включает 51 наименование. Общий объем диссертации составляет 148 страниц.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, новизна и практическая значимость полученных результатов. Да по краткое описание проблемы детектирования солнечных нейтрино, детектора Борексиио, важности контроля сигнала с ФЭУ для работы детектора и системы контроля и анализа темповых шумов ФЭУ в детекторе.

В первой главе описан механизм детектирования солнечных нейтрино. Согласно Стандартной Солнечной Модели (ССМ) солнечная светимость поддерживается главным образом за счет энергии, которая освобождается в результате протон-протонного (рр) цикла (см. рис. 1).

р*р5 8И|влет'

н 3.2-10"8лет 1

3Не + Зце

69%

15-105лет

(0=24.7 МэВ)

рр1

4Не+2р + 12.88 МэВ3Не + 4Не

31%

6.5-105лег

;7Ве 159 МзВ

'Ц + р

99.7%

п ■) т7Г* 7и +Г+ г* 0.86 МэЭ

210-5 лет (0=25.7 МэВ) рр1

'0а «р-:

03%

вВ*г-*0.14МэВ

. 2.510-® лет , , 8Ве*—~—►4Нв + 4Не*ЗЛМэЭ 1а23 лет (0=24.7 МэВ) ррШ

Рис. 1. Схема основных реакций протон-протонного (рр) цикла на Солнце.

Исходя из энергии, выделяющейся в ядерных реакциях рр цепочки, можно рассчитать энергетический спектр нейтрино, образующихся на Солнце (рис. 2). Энергия солнечных нейтрино находится в диапазоне 0 — 16 МэВ. Для этих энергий значение сечения взаимодействия составляет а = 10"" -КГ15см2 . При таком сечении пробег нейтрино в твердой среде равняется «Ю^км. Основная цель наблюдения солнечных нейтрино на Земле - непосредственная проверка модели термоядерных реакций на Солнце, так как только нейтрино приносят информацию о процессах в центре Солнца.

(1; С,< I 1 4 £ 10 20

Рис. 2. Рассчитанный спектр солнечных нейтрино. Показаны пороги регистрации нейтрино различными методами, а также пороги регистрации для некоторых нейтринных детекторов.

Существуют три основных способа детектирования нейтрино:

1. Радиохимический

2. Рассеяние нейтрино на электропах

3. Поглощение нейтрино.

Радиохимические детекторы по используемому в них активному веществу разделяются на 2 вида: хлорные и галлиевые. Наиболее распространенные детекторы нейтрино, основным процессом в которых является рассеяние па электронах, - это черенковский и сцинтилляционный. Основным детектирующим элементом в таких детекторах является ФЭУ. Оба этих способа детектирования -прямые (фиксируется непосредственно выбивание электрона), оба дают возможность точного определения времени прилета нейтрино и оба наиболее чувствительны к электронным нейтрино. Но сцинтилляционный детектор имеет важное достоинство - низкий порог регистрации (до 50 КэВ). При этом сцинтилляционный детектор имеет ряд недостатков: невозможно определить направление движения исходного нейтрино по направлению движения образовавшихся фотонов, более высокая стоимость вещества детектора и намного более строгие требования к радиационной чистоте материалов детектора.

Точное детектирование потоков всех ароматов нейтрино возможно для детекторов, использующих реакции поглощения. Реакции поглощения происходят за счет слабого взаимодействия и, в зависимости от того, через какие токи идет реакция - заряженные или нейтральные, реакция может быть чувствительна либо только к электронным нейтрино, либо ко всем ароматам нейтрино.

В таблице 1 приведены данные об основных проведенных на данный момент экспериментах по детектированию солнечных нейтрино.

Таблица 1. Данные о некоторых проведенных экспериментах по детектированию солнечных нейтрино.

Эксперимент Год Тин детектора Тип нейтрино Отношение числа зарегистрированных нейтрино к теоретическому значению (ССМ), %

Homestake 1967 радиохимический (хлорный) гВ-нейтрино 33 ± 3 ± 5

Kamiokande-II 1988 черепковский 8В-нейтрино 54 ± 8 *10

SuperKamiokande 1996 черенковский 8В-нейтрино 47,5 ± 0,8 ± 1.3

SAGE 1990 радиохимический (галлиевый) РР-нейтрино и др. 55,0 ± 14,0 ± 3.0

SNO 1993 черенковский (на тяжелой воде) 8В-нейтрино ^(^ = 5,09^*106 см"2 с'1 Гсш(к) = 5,05^,'хЮ6 см"2 с"1

Таким образом, результаты проведишых экспериментов показывают дефицит потока солнечных нейтрино, измеряемого на Земле. Существуют два основных объяснения этой проблемы: либо неверна ССМ, либо природа нейтрино имеет отличия от того, как она описана в Стандартной модели электрослабых взаимодействий. Результаты гелиосейсмологических наблюдений и нейтринных экспериментов говорят в пользу второго варианта. При этом варианте наиболее простым объяснением представляются нейтринные осцилляции, существование которых предсказывается теорией нейтрино с конечной массой покоя. Часть солнечных электронных нейтрнно, проходя через Солнце и пространство между Солнцем и Землей, превращаются в нейтрино других ароматов в результате вакуумных осцилляций и осцилляций в веществе Солнца. Данные, собранные в SNO, Homestake, SAGE, SuperKamiokande, Борексино наиболее точно соответствуют МСВ (Михеева-Смирнова-Вольфенстайна) механизму нейтринных осцилляций в веществе.

Во второй главе описывается детектор Борексино. Борексино -сцинтилляционный детектор нейтрино низких энергий, находящийся в Гран Сассо,

Италия (ЪЫОв). Основной целью эксперимента является прямое измерение потока 7Ве солнечных нейтрино с энергией 0,86 МэВ в режиме реального времени.

Детектор Борексино состоит из 2 частей: детектор нейтринных событий (внутренний детектор), который находится внутри стальной сферы, и система мюонного вето (внешний детектор), которая находится снаружи стальной сферы (рис. 3).

Рис. 3. Схема детектора Борексино.

Сцинтштлятор состоит' из псевдокумола (1,2,4-триметилбензина) с добавлением 0,1% РРО (2,5-дифенилоксазола). Сцинтилляционный выход данной смеси довольно высок и примерно равен 11 ООО фотонов/МэВ. Эффективное число фотонов, которые регистрируются в детекторе при энергии события 1 МэВ, составляет 500. Внутренний детектор просматривается 2212 ФЭУ, находящимися на стальной сфере и направленными внутрь детектора, а внешний - 208 ФЭУ, находящимися на внешней стенке стальной сферы и на нижней стенке внешнего стального резервуара. Последние ФЭУ служат для детектирования мюонов по черепковскому излучению, испускаемому ими при пересечении внешнего водяного буфера.

Схема обработки электронного сигнала с ФЭУ, позволяет измерять временные характеристики фотонов, необходимые для нескольких ключевых задач: пространственной реконструкции событий, отбора фоновых событий по форме импульса. Ожидаемое согласно ССМ количество регистрируемых событий в диапазоне энергий 0,25 - 0,80 МэВ составляет примерно 55 нейтрино в день, из

которых 43 - это 7Ве-нейтрино. Предполагается также детектирование нижней части спектра 8В- нейтрино. Для регистрации нейтринного события служит схема совпадений. Только совпадение импульсов в 15-60 ФЭУ в течение 60 пс служит основанием для регистрации физического события в объеме детектора.

Так как 7Ве-нейтрино имеют низкую энергию, то ключевой особенностью детектора является очень низкий уровень фонового излучения, вызванного естественной радиацией, причем как проникающего из внешней среды, так и продуцируемого частями детектора. Наибольший вклад в фоновое излучение вносят следующие процессы:

1. Естественная радиоактивность веществ, из которых изготовлен детектор:

a) тяжелые изотопы 40К, 238и и 232ТЬ и продукты их распада;

b) радиоактивные благородные газы: И2Яа и 83Кг;

c) радиоактивный углерод 14С, содержащийся в сцинтилляторе.

2. Процессы, порождаемые в детекторе космическими мюонами:

a) непосредственное излучение при взаимодействии с веществом детектора;

b) наведенная мюонами радиоактивность (изотоп 1 'С, |0С).

3. Внешнее гамма-излучение:

a) от окружающих детектор горных пород;

b) излучение внешних частей детектора.

Все перечисленные источники фонового излучения в процессе разработки детектора были уменьшены до уровня, позволяющего детектирование 7Ве нейтринных событий. Создание технологии использования сцинтилляции в детекторе с объемом более ста тонн для низкоэнергетичной нейтринной спектроскопии является одним из главных достижений коллаборации Борексино. Измерения, выполненные на детекторе Борексино, могут подтвердить гаи опровергнуть любой из возможных на сегодня механизмов нейтринных осцилляций.

Схема электроники детектора изображена на рисунке 4. Системы контроля темновых шумов внутреннего и внешнего детекторов, а также аналоговый сумматор для WFD созданы совместно РНЦ "Курчатовский институт" и НИИЯФ МГУ. Особенностью данной системы является ее независимость от основной системы регистрации событий в детекторе. Система контроля работает непрерывно в период действия детектора, осуществляя наблюдение даже между сериями измеритй. Система контроля помогает проводить отладку и калибровку детектора.

Все программное обеспечение детектора Борексино можно разделить на 2 группы:

1. online сбор и обработка данных, управление и контроль детектора;

11

2. offline реконструкция событий.

Система контроля темновых шумов внутр. детектора

Т CAN- V хонфоллер ^

(вапряженйо^!

,, |Д*афим'....... i MacTaiowp

} ■ И.ШОР

? -"'-г--"---'-—---......—----'--:-

I | К Diivic eNc4 nvistnr

Л lSi noCAN

I Аналог, j —1 yMFD —. (14 частотомеров

t^SS^ V : У ™_x 16 каналов)

млиегзо?

i

К системе сбора данных no TCP/IP

Г-М <18к

—MWE23Q2 данных)

Частотомэр

-*( MVME2J02 .)--'

---' К Devi се Net master

noCAN (4 частотомера х 64 канала)

< контроле» { ?r

Ристома контроля тсмнонмх шумов внешнего детектора

Рис. 4. Блок-схема аппаратной части системы контроля и сбора данных Борексино.

Программное обеспечение, управляющее и контролирующее работу детектора, включает в себя более 100 постояшю запущенных приложений и командных скриптов, выполняющих следующие основные задачи:

1. Считывание данных о событиях в объеме детектора;

2. Построение структур событий в детекторе, используемых в offline анализе;

3. Управление отдельными сессиями сбора данных;

4. Управление аппаратной частью детектора (Slow Control);

5. Online мониторинг состояния детектора;

6. Online мониторинг темновых шумов в детекторе.

Сбор данных разделен на отдельные сессии. Каждая сессия характеризуется своей конфигурацией оборудования, параметрами срабатывания триггеров

12

событий. Сессии бывают рабочие, в течение которых происходит сбор данных для физического анализа, и калибровочные. Стандартная длительность сессии сосгавляет примерно 6 часов.

Принцип работы online системы следующий: в каждой стойке, контролирующей данный с ipyrinu ФЭУ, находится PowerPC (PPC) компьютер, собирающий данные по шине VME из платы сбора данных по срабатыванию триггера (рис. 4). После чего данные проходят первоначальную обработку и отсылаются по локальной сети Ethernet (скорость сети 1 Гбит/с) на удаленный PC компьютер (х86), который формирует структуры событий и записывает их на диск.

Для offline обработки данных используются скрипты, написанные с использованием пакета для сбора и обработки экспериментальных данных ROOT, созданного в ЦЕРН.

В главе 3 описывается система кошроля темповых шумов ФЭУ. В детекторе Борексшто для регистрации фотонов, возникающих в результате сцинтилляций, используется большое количество ФЭУ. Известно, что ФЭУ продуцирует спорадические импульсы, каждый из которых неотличим от импульса, несущего информацию о событии. Это и есть темновой шум ФЭУ. Одной из основных причин темнового шума является термоэмиссия с фотокатода и дшюдов. О темповом шуме известно, что его интенсивность, приведенная к единице площади фотокатода, зависит в основном от технологии изготовления фотокатода и его рабочей температуры. Также он может быть подвержен влиянию других физических факторов: давления, радиационного уровня в детекторе.

Основные требования к ФЭУ в процессе его эксплуатации - это низкий уровень шумов и стабильность работы. В детекторе Борексино ФЭУ внутреннего и внешнего детекторов работают в однофотоэлектонпом режиме. Выбор однофотоэлекгронного режима работы ФЭУ обусловлен малыми энергиями образующихся частиц. В данном режиме работы на выходе регистрируется каждый импульс, возникающий в ФЭУ либо в результате попадания электрона на фотокатод, либо имеющий природу темнового шума.

Темновые шумы определяют порог чувствительности ФЭУ к наблюдаемым событиям и при определенных условиях способны сделать работу детектора невозможной. Для детектора Борексино это особенно важно в силу редкости наблюдаемых событий - детектирования нейтрино. Поэтому система контроля темповых шумов ФЭУ детектора Борексино необходима для мониторинга состояния детектора и его готовности для выполнения целевой функции по сбору физических данных.

Система кошроля темновых шумов ФЭУ для нейтринного детектора Борексино предназначена для выполнения следующих основных задач:

1. сбор данных с последующим сохранением;

2. поддержание установки в рабочем состоянии;

3. анализ накопленных данных.

В основу созданной для решения этих задач системы положен принцип независимых программных и аппаратных модулей, взаимодействующих через стандартные интерфейсы.

Детектор Борексино можно отнести к классу больших систем из-за его размеров и количества используемых в нем устройств и подсистем. Его основные особенности:

- состоит из нескольких подсистем (основная и мюонного вето), отдельные модули которых расположены на большой площади;

- используется большое количество разнообразных датчиков (примерно 2500 ФЭУ), состояние которых необходимо контролировать в ходе эксперимента;

- несмотря на тщательный отбор электронных компонентов, существует вероятность их выхода из строя, что может привести к потере данных и искажению результатов эксперимента;

в процессе эксперимента происходит получение огромного количества "сырых" данных, которые позже обрабатываются с целью извлечения физических данных; в системе контроля темповых шумов Борексино основным контролируемым параметром является частота темнового шума с 2500 ФЭУ, измеряемая один раз в секунду;

- так как процессы сбора и анализа данных разнесены во времени, то собранную и предварительно обработанную информацию необходимо сохранить для дальнейшего анализа;

детектор должен иметь встроенные средства контроля функционирования;

- система не должна быть слишком дорогой, поэтому в целях уменьшения стоимости оптимальным решением является применение одной из стандартных промышленных шин для связи компонентов установки.

Чтобы обеспечить оперативный доступ к данным для всех участников коллаборации Борексино система должна обеспечивать возможность удаленной работы с данными. Для этого наиболее удобно использовать глобальную сеть Internet, организуя доступ к накопленным данным и визуализацию текущего состояния установки при помощи WEB-интерфейса.

Для контроля состояния детектора требуется измерение различных физических параметров: интенсивности темповых импульсов ФЭУ, температуры и напряжения питания счетчиков. В системе используется частотный интерфейс работы с данными. При использовании этого интерфейса аналоговый параметр сразу генерируется или преобразуется в сигнал частоты. При передаче сигнала в частотной форме технически проще и дешевле обеспечить гальваническую развязку при многоканальном сборе данных в больших распределенных системах. Универсальным входным преобразователем в данном архитектурном решении является модуль с несколькими входами для измерения частоты. Модули объединяются стандартной сетью, обеспечивая возможность построения иерархической распределенной системы и приближения первичных преобразователей к датчикам.

Для связи модулей нашей системы была выбрана шина CAN (Controller Arca Network). В силу своих особенностей: побитовый арбитраж, дифференциальный режим передачи сигналов, высоконадежный алгоритм обработки и фиксации ошибок, высокая скорость передачи данных (до 1 Мбит/с) и помехоустойчивость -CAN хорошо подходит для создания распределенных систем сбора данных в реальном времени. Гибкость CAN достигается за счет простого подключения и отключения от шины CAN-модулей. Современный стандарт CAN 2.0В описывает только два нижних уровня эталонной модели ISO/OSI: физический и канальный. Поэтому для построения системы передачи данных требуется применение протокола прикладного уровня, реализация которого определяет способ адресации узлов сети, отвечает за распределение адресов и приоритетен устройств и обработку передаваемых данных. Из множества существующих был использован протокол DeviceNet, который широко применяется в области АСУ ТП. Отличительной особенностью этого протокола является открытость спецификации и наличие соответствующих международных стандартов.

Архитектурной особенностью системы является возможность разделения системы сбора данных на произвольное число независимых подсистем, являющихся отдельными сетями CAN. В каждой id этих подсистем может измеряться до 256 каналов интенсивности с помощью нескольких контроллеров-частотомеров. Такая схема обеспечивает логическую группировку датчиков по географическому или функциональному признаку. Контроллеры для каждой из подсистем могут иметь отличающиеся технические характеристики (число каналов, диапазон измеряемых частот) в зависимости от конкретной физической задачи, но при этом имеют общую архитектуру и единое представление в системе. Предполагается, что к одному контроллеру подключаются датчики, расположенные близко друг к другу. Кавдый из частотомеров имеет CAN-контроллер и подключен к сети в качестве Slave-устройства. Master-устройством является управляющий компьютер системы контроля темповых шумов. Данные от управляющего компьютера поступают на сервер системы контроля, где происходит их хранение и выдача по запросам клиентских терминалов.

Аппаратное обеспечение системы контроля и анализа данных о темновых шумах представляет собой 2 CAN подсети. Первая «внутренняя» сеть частотомеров обслуживает внутренний детектор, состоит из 14 частотомеров и управляющего компьютера с PCI CAN-коптроллером. Управление CAN-контроллером осуществляется через универсальный драйвер CHAI (CAN Hardware Abstraction Interface), разработанный в компании Марафон. Каждый частотомер получает на вход 16 каналов с суммированным аналоговым сигналом от 12 ФЭУ. Используются только 14 га 16 каналов. Каждый модуль-частотомер содержит дискриминатор, счетчик импульсов, CAN контроллер и блок питания (см. рис. 4). По сети CAN кроме суммы сигналов с 14 каналов передается также напряжения блока питания +5 вольт и -5 вольт и его температура. Вторая «внешняя» сеть частотомеров обрабатывает данные о темновых шумах в системе мюонного вето. В качестве главного узла сети используется тот же управляющий компьютер, что и для «внутренней» сети. Сигнал с «внешней» сети подается на 2-й канал двухкакального CAN-контроллера управляющего компьютера. «Внешняя» сеть

организована так: 4 частотомера по 64 канала в каждом, из которых 8 каналов не используются. Каждый канал «внешней» сети получает сигнал от одного ФЭУ.

Программное обеспечение системы контроля и анализа данных о темновых шумах (Рис. 5) построено по многоуровневой схеме. В частности, в нем можно выделить 4 функциональных уровня: аппаратное ПО (firmware), сбор данных, обработка данных и отображение данных, - и 6 функциональных подсистем: сбора данных, имитации реальных данных, обработки данных, сохранения данных, визуализации данных, offline анализа. Программные модули различных подсистем могут находиться на разных компьютерах.

Аппаратный уровень

Подсистема контроллеров №1 [ Slave |

Slave ,

I Slave

Slave

Подсистема контроллеров №2

| Slave I [ Slave

3_I I_

Уронсиь сбора данные Компьютер

Ж

Подсистема сбора данных

Источник нефизических данных.

Компьютер

Ж.

Подсистема сбора данных

Источник кефиэичеекмх данных

3L

Уровень образочки данных

Компьютер г*

/ / Потребитель нефизических \ \

1 V._____________данных______J ----------------------

DntaServer Хранилище !

I | (файлы или

МстмШ ; оаэа данных) ;

• физических данных .......

~..... " Ф $

Уровень огобрааачжя лпкных - - -

Рис. 5. Структурная схема программного обеспечения системы контроля.

16

Такая архитектура обеспечивает возможность расширения системы и служит для балансировки нагрузки на компоненты системы. Кроме того, распределенная схема наилучшим образом подходит для системы, выполняющей такие неоднородные и разделенные во времени задачи, как контроль состояния, накопление и анализ данных.

Подсистемы сбора, обработки и имитации данных написаны на языке ANSI С для операционной системы Linux. Для хранения данных используется реляционная система управления базами данных (СУБД) PosfgreSQL. Применение реляционной СУБД для хранения данных позволяет упросить выборку данных для анализа, используя стандартизированный язык запросов ANSI SQL. Кроме того, гибкость и богатые возможности SQL по сортировке, группировке и выборке данных обеспечивают все потенциальные потребности при разработке подсистемы анализа. Модули визуализации и анализа дашшх написаны с использованием CGI с криптон на языках Perl и PHP. Пользовательский интерфейс этих подсистем представляет собой динамически генерируемые WEB-страшщы, просмотр которых возможен в любом современном браузере. Подсистема анализа данных генерирует запросы к СУБД для получения информации о контролируемой величине за произвольный период времени. Информация может быть представлена как в числовой форме, так и в виде графиков. Данный модуль предназначен для первичного анализа данных. Для дальнейшего исследования информация выгружается во внешний файл и предается в какой-либо математический пакет.

Архитектура аппаратного и программного обеспечения системы позволяет добавление новых модулей-частотомеров и дополнительных управляющих компьютеров CAN. Для измерения физических параметров, отличных от частоты, в систему можно добавить модули-преобразователи «параметр-частота», соединенные по шине CAN. Система может осуществлять сбор и сохранение физических данных в автоматическом режиме. К накопленным данным может быть организован удаленный доступ для контроля критических значений наблюдаемых параметров, также возможна удаленная выгрузка данных для их анализа.

При этом созданная система имеет ряд ограничений в отношении измеряемого сигнала. Характерное время изменения контролируемых параметров должно быть:

Тю„>= 1 с.

Измеряемое значение интенсивности при этом должно лежать в диапазоне:

7„„е[10;0,5х10<]^.

Точность измерения составляет 1 имп/с в средней части рабочего диапазона, а на границах этого диапазона погрешность измерения составляет не более 10%. По числу одновременно

измеряемых каналов ограничения накладывают характеристики шины CAN на физическом уровне, в частности, максимальная скорость передачи, а также спецификации протоколов верхнего уровня в части ограничений на возможное число узлов в одной сети.

Архитектура и все вышеперечисленные характеристики системы упрощают ее адаптацию к другим ядернофизическим установкам, в которых требуется контролировать большое число медленно изменяющихся физических параметров, например, таких как частота, температура, напряжение, давление. Поэтому систему можно рассматривать как платформу для построения систем контроля больших, средних и малых ядернофизических установок.

В главе 4 описывается процедура анализа данных о темновых шумах ФЭУ детектора Борексино и результаты анализа. Были проведены следующие исследования темновых шумов ФЭУ детектора Борексино:

1. Получение общих характеристик темновых шумов;

2. Изучение влияния темновых шумов на частоту срабатывания нейтринного и мюонного триггеров:

3. Поиск шумя1цих каналов в детекторе;

4. Оценка форма спектра сигнала с ФЭУ (оценка периодических вариаций с использованием Фурье-анализа);

5. Поиск корреляций между каналами и группами каналов ФЭУ;

6. Поиск зависимостей сигнала с ФЭУ от внешних макроскопических параметров;

7. Изучение влияния на ФЭУ переходных процессов в детекторе;

8. Изучение временных тенденций для сигнала с ФЭУ.

Решение вышеперечисленных задач наряду с постоянной работой системы контроля темновых шумов ФЭУ является одним из важных аргументов, подтверждающих достоверность физических результатов, полученных после обработки набранных на детекторе данных.

Если рассматривать значение интенсивности темпового шума за длительный период наблюдения, то оно будет флуктуировать около определенного среднего значения. Известно, что если на результаты измерений оказывают влияние большое число случайных факторов, то вся совокупность измерений имеет в качестве предельного распределения симметричную функцию Гаусса:

(,,-Г)'

Учитывая то, что процессы термоэмиссии, автоэмиссии и др. являются по своей природе случайными, то распределение интенсивности темнового шума можно с высокой точностью аппроксимировать нормальным распределением. Отметим, что распределение интенсивности темновых шумов при переходных процессах в ФЭУ может существенно отличаться от нормального распределения.

Предварительные анализ данных показал, что значение интенсивности темповых шумов по одному каналу внутреннего детектора, т.е. сигнал с 12 ФЭУ, лежит в диапазоне:

сек

Сигнал с отдельного ФЭУ мы считаем нормально распределенным, поэтому и их сумму можно рассматривать как случайный сигнал, подчиняющийся нормальному распределению. Большинство ФЭУ внутреннего детектора одинаковы по своей конструкции, а число ФЭУ в одном канале частотомера для большинства каналов равняется 12. Поэтому средняя интенсивность темнового шума одного ФЭУ в детекторе Борексино равняется:

I) ~ 0,4^2,5х10314МпУльст _ сек

В виду больших количества данных о темновых шумах (порядка 160 Гб в год для детектора Борексино) было проведено исследование возможности уменьшения объема хранимых данных. Возможные способы уменьшения объема данных:

1. Автоматическое архивирование данных;

2. Усреднение значений интенсивности в канале по N при сохранении данных.

Было исследовано распределение интенсивностей темнового шума для каналов внутреннего детектора (рис. 6).

Интенсивность темнового шума, имп/с

Рис. 6. Распределение каналов внутреннего детектора по знамениям интенсивности темновых шумов.

Все каналы можно разделить на 3 группы величине интенсивности и плотности распределения каналов: «нормальные» (интенсивность менее (2-3) х 103 имп/с), «активные» (интенсивность менее (1-2) х Ю4 имп/с), «шумящие»: (интенсивность более (1-2) х 104 имп/с). Доля «нормальных» каналов - примерно 65%, «активных» - 25%, «шумящих» - менее 5-10 %. «Активные» каналы не влияют на его способность фиксировать физические события, хотя и отличаются от «нормальных» по своим характеристикам. «Шумящие» каналы в детекторе необходимо проверять с целыо уменьшения в них уровня шума. Особенностью «шумящих» каналов является то, что дисперсия интенсивности шума в таких каналах значительно больше, чем среди остальных групп каналов.

В детекторе Борексино существуют два типа триггеров событий: основной и мюонный. Средняя наблюдаемая частота срабатывания триггеров всех типов в детекторе составляет ~ 15 Гц. Условие срабатывания основного триггера: за Ттриг = 60 не должен быть детектирован сигнал как минимум в К0 = 15 ФЭУ. Параметры Т^юг (временное окно триггера) и N0 (пороговое число сработавших ФЭУ) являются настраиваемыми для каждой сессии, вышеприведенные значения являются типичными. Как уже было сказано, типичная интенсивность темнового шума

составляет 11 ~ 0,4 2,5 х 103 ш,"Улъсов, Возьмем в качестве усредненного значения

сек

1,-10' им"Ульсов. Учитывая случайный характер большинства событий, приводящих сек

к генерации фотоэлектрона, можно считать, что импульсы распределены равномерно по времени. Тогда при полученной интенсивности средний период одного импульса темпового шума равен Т1Ш=1/103= 10"3 с = 106 не, что в 104 раз больше, чем период срабатывания триггера Т^. Вероятность того, что в N0 ФЭУ импульс темнового шума попадет в один конкретный интервал Т0, длина которого равна Тфи , т.е. возникновения «шумового» события в детекторе, составляет:

с * *Гу! =ю"22.

где Ррвероятность появления сигнала в определенный интервал Т0 в одном ФЭУ, а N - общее число ФЭУ во внутреннем детекторе. При этом события попадания в любой интервал считаем равновероятным, события одновременного срабатывания N0 ФЭУ считаем независимыми. Таким образом, за все планируемое время работы детектора 1=10 лет ~ ЗхЮ8 с вероятность появления хотя бы одного «шумового» события не превысит:

1

г В диссертации был рассмотрен также случай «шумящих» каналов. В этом случае, все каналы темнового шума имеют интенсивность темнового шума порядка

105 имнульсов/с (при максимальной измеряемой интенсивности 5 х 105 импульсов/с). Тогда вероятность «шумового» события становится большой:

=ю-3.

Т.е. за время в tj=J О3 с ~ 17 мин возможно появление одного «шумового» события. Для сравнения, среднее время регистрации одного нейтринного события в детекторе при расчетной скорости регистрации F = 49 ± 4кор событий/(день ■ 100 т) и весе активного вещества детектора порядка 100 тонн составляет примерно 30 минут.

Другим важным параметром нейтринного триггера помимо временного окна является период Тсдап=7,2 мке, в течение которого фиксируется заряд и время прихода импульсов для всех сработавших ФЭУ внутреннего детектора. Данная информация используется для отсечения фоновых событий по схеме запаздывающих совпадений. Поэтому был рассмотрен случай, когда интенсивность темнового шума в детекторе повыситься в 10 раз по сравнению с нормальным уровнем (экспериментально выяснено, что отдельные каналы с таким уровнем шума появляются в детекторе):

No™ ~ hxT^xNw =16 hN™ ~ It *TtamxN„y =160.

Такое повышение потенциально может оказать влияние на точность определения запаздывающих событий.

При первоначальном наблюдении за состоянием темнового шума в детекторе было обнаружено несколько «шумящих» каналов, уровень шума в которых в течение долгого времени в 10 и более раз превышал уровень шума в большинстве каналов. Был выработан алгоритм поиска «шумящих» каналов и выяснения причины «шума» для предотвращения появления подобных каналов:

1. Определение «шумящего» канала с помощью системы контроля темновых шумов;

2. Получение списка подозрительных ФЭУ;

3. Отключение всех ФЭУ из списка по очереди до выявления «шумящего»;

4. Проверка кабелей, соединяющих данный ФЭУ с Front-End;

5. Подключение ФЭУ к другому Front-End;

6. Подключение сигнала от группы ФЭУ к другому каналу кошроллера-частотомера темпового шума;

7. Проверка других компонент'системы, отвечающих за обработку сигнала.

Если все проверки не давали результата, это означало, что неисправен сам ФЭУ, и его необходимо отключить. Для большинства шумящих каналов причиной высокого шума оказались либо контактные явления в соединительных кабелях, либо неисправность в интеграторе сигнала с ФЭУ по 12 во Front-End. Данная неисправность приводила к тому, что в интеграторе начинался процесс самовозбуждения, что приводило к появлению на выходе сигнала с высокой амплитудой. Таким образом, был создан инструмент, позволяющий своевременно находить «шумящие» ФЭУ и возвращать их в работоспособное состояние.

Была проведена проверка гипотезы гауссового характера темпового шума за время характерное для одной рабочей сессии. Очевидно, что интенсивность темпового шума строго не подчиняется нормальному распределению. Причиной этого являются переходные процессы в детекторе и другие случайные факторы. Кроме того, для внутреннего детектора играет роль то, что сигнал в канале уже представляет собой сумму сигналов с ФЭУ, каждый из которых имеет индивидуальные характеристики. Была произведена аппроксимация данных по всем каналам внутреннего детектора функцией Гаусса, которая показала высокую степень корреляции амплитудного спектра с функцией распределения Гаусса (рис. 7). Для каналов внутреннего детектора интенсивность темпового шума подчиняется распределению Гаусса, значение приведенного критерия хи-квадрат составляет порядка Ю"Мо~8, коэффициента детерминации, равного квадрату коэффициента корреляции, ~ 0,98-0,99.

Также был произведен Фурье анализ интенсивности темпового шума для каналов внутреннего детектора, который показал отсутствие четко выраженной периодичности сигнала (рис. 8). Это говорит об отсутствии паразитных колебательных процессов в объеме детектора.

Был произведен поиск зависимостей между изменением интенсивности темновых импульсов в различных каналах внутреннего детектора. Нахождение строгой корреляции сигналов из разных ФЭУ или групп ФЭУ означает наличие в детекторе неких паразитных связей, которые могут помешать его нормальной работе или наличие неких источников фотонов в отдельных областях детектора, что ставит под вопрос результаты, полученные в эксперименте.

Ввиду большого количества данных была проведена проверка на возможность уменьшения количества данных для расчета. Предварительно были рассчитаны корреляции между каналами с периодом измерения интенсивности 1 с.

о.оое-

о.оое.

8 0.004-

0,002-

0,000-

уО а.£ОИЁ-е

« 847 .»«7 ±01Эе;г

« м,и?ве 11413?

А 01Ю714 Ю.иооог

1600 2000 2600 Интенсивность, импЛ;

3000

Рис. 7. Аппроксимация спектра интенсивности темновых шумов функцией Гаусса.

Частота, Гц

Рис. 8. График спектра мощности сигнала для канала темновых шумов внутреннего детектора.

Было найдено всего 7% коррелирующих пар каналов (коэффициент корреляции > 0,5), антикоррелиругощих каналов найдено не было. После чего, данные были усреднены за период 1 час, и поиск корреляций был проведен для всех каналов (рис, 9). Поиск корреляций был произведен по 2 независимым наборам данных, полученным с разницей в месяц при неизменной конфигурации ФЭУ в каналах, при этом коррелирующие пары каналов совпадали менее чем в половине случаев. Таким образом, учитывая близость полученных значений степени корреляции каналов в частичной и полной выборках, можно сказать, что для поиска корреляций можно применять усреднение интенсивности темнового шума по времени. Малое число коррелирующих пар каналов, сравнимое с числом антикоррелирующих каналов, не являющееся к тому же постоянным от сессии к сессии, позволяет предположить, что корреляции носят случайный характер.

-1 0,9 0,3-0.7-0,6-0,5-0,4-0.3-0,2-ОД О ОД 0.2 0,3 0,4 0,5 0.6 0,7 0,8 0,3 коэффициент норреляцми

Рис. 9, Распределение коэффициентов корреляции для каналов внутреннего детектора.

Из всего множества макроскопических параметров, которые могут влиять на темновые шумы ФЭУ, наиболее существенным фактором является зависимость от температуры детектора. В детекторе происходит постоянный мониторинг температуры с периодом I час семью датчиками, расположенными на стенках резервуара с водой снаружи, и восьмью датчиками, расположенных внутри резервуара. Был рассмотрен 1~рафшс изменения температура в течение месяца внутри и снаружи детектора, после чего было проверено ее влияние на уровень темнового шума в течение рабочей сессии детектора.

В течение рассматриваемого периода в большинстве областей детектора наблюдалась тенденция к увеличению температуры, но при этом показания датчиков были относительно стабильны. Температура в разных областях детектора могла отличаться до 6 градусов. Температура снаружи детектора имела период колебаний, примерно равный суткам. Температура внутри детектора не имеет четкой периодической зависимости. Показания разных датчиков температуры снаружи детектора коррелируют между собой, для внутренних датчиков этого не наблюдается. Т.е. стальной бак, в котором находится детектор, является экраном, сглаживающим колебания температуры. Корреляций температуры детектора со значениями интенсивности темнового шума в пределах одной рабочей сессии детектора найдено не было.

Был рассмотрен характер изменения сигнала с ФЭУ для внутреннего детектора с течением времени. Данное исследование можно разделить на 2 части: исследование долговременных тенденций сигнала и исследование стабильности сигнала в течение сессии. Критерием стабильности работы детектора в течение рабочей сессии является выполнение следующих условий:

!. Подчинение спектра интенсивности сигнала в каналах и в детекторе нормальному распределению;

2. Стабильное среднее значение интенсивности темновых шумов во время сессии в каналах и в детекторе в целом;

3. Малая и стабильная дисперсия интенсивности сигнала в отдельных каналах и в детекторе в целом;

4. Малое число «шумящих» каналов - не более 10% от общего числа каналов;

5. Отсутствие влияния переходных процессов на работу ФЭУ в течение сессии.

Было рассмотрено распределение средней интенсивности в детекторе с учетом и без учета «шумящих». На графиках 10 и 11 показана аппроксимация средней интенсивности нормальным распределением с приведением доверительного интервала и интервала предсказания для вероятности 95%. Было высказано предположение, что при каком-либо событии, относящемся ко всему детектору, данное значение должно существенно изменяться. Примером такого события может быть попадание сильного светового потока в объём детектора или одновременное поднятие высокого напряжения, подаваемого на все или на большую группу ФЭУ.

Средняя интенсивность в детекторе подчиняется нормальному распределению, отношение стандартного отклонения к среднему значению не превышает 10%. При этом во многих каналах существуют отдельные значения, значительно отличающиеся от среднего. Также было отмечено, что при анализе данных на интервалах времени, характерных для одной сессии, наличие переходных процессов слабо влияет на статистику по темповым шумам, в основном из-за малых длительностей этих процессов. Статистические показатели для сигналов при отсутствии и наличии переходных процессов отличаются тем, что в последнем случае значительно увеличивается стандартное отклонение и коэффициент изменчивости. Таким образом, не было обнаружено каких-либо изменений статистических характеристик и формы сигнала в детекторе, влияющих на процесс детектирования нейтринных событий в детекторе в течение сессии.

Рис. 10. Спектр усредненного по внутреннему детектору сигнала с ФЭУ.

25

Интенсивность, имп/с

Рис. IX. Спектр усредненного по внутреннему детектору сигнала со всех ФЭУ за исключением "сильно

шумящих".

Было рассмотрено поведение системы во время переходных процессов в детекторе:

• выключения и включения сигнала высокого напряжения, подаваемого на ФЭУ;

• фотографирования детектора с включением ламп подсветки, которое производится периодически (данные фотографии используются для наблюдения за формой внутренней нейлоновой сферы, отделяющей сцинтиллятор от остального объема детектора).

Целью исследования являлось выяснение степени влияния переходных процессов на величину и характер сигнала с ФЭУ, а также определение периода, в течение которого данное влияние ощутимо. В частности, важной задачей является определение временного интервала после окончания переходных процессов в детекторе, по истечении которого возможен сбор данных о нейтринных событиях.

Включение и выключение высокого напряжения ФЭУ оказывает слабое влияние на интенсивность шумов в детекторе (рис. 12). В течение первого получаса после включения высокого видно падение сигнала до стабильного уровня (величина падения составляет -50%). Поэтому данные из этого интервала рекомендуется исключить из анализа при поиске нейтринных событий. Рассмотрение данных из различных каналов показало, что возбуждение повышенного уровня темновых шумов происходит только в некоторых ФЭУ, что приводит к повышению уровня шума в отдельных каналах (менее 50% от общего числа ФЭУ).

5500 2 5000 -£ 4500 -

О о

§ 400!

0

1

ф

X 3500 -а

° 3000 2500

1 I » I

2 "Я

8 ? П 3 8 8 г 8 8 ? а

Время, с

Рис.12. Изменение усредненного значения интенсивности в детекторе после выключения и включения напряжения на ФЭУ в течение первых 2-х часов.

Было рассмотрено влияние включения ламп подсветки при фотографировании внутреннего детектора на уровень интенсивности темнового шума ФЭУ усредненный по всему детектору (рис. 13).

16:00 17:00 18:00

19:00 20:00 21:00 Время, ч

22:00 23:00

Рис.13. Изменение усредненного значения интенсивности темнового шума во внутреннем детекторе в результате воздействия света ламп подсветки.

В первые 30 минут после включения сбора данных с ФЭУ наблюдается повышенный средний уровень шума, который потом скачкообразно падает. Это происходит из-за того, что наиболее сильное возбуждение от ламп подсветки возникло в отдельных каналах, влияние которых на среднюю интенсивность в

детекторе велико. В каналах с нормальным уровнем шума наблюдается экспоненцнадьное падение сигнала в течение 15 часов (рис. 14).

1600-

1400-

р с 5

= 1200-м

о . .

0

1 1000-

0

1 0) ь I

х 800-

еоо-

ооооооооооооооо В06МЯ Ч

ООООО ОООООООООО ' .

^■^т-т-ммсчммоооооо

Рис.14. Изменение значения интенсивности темнового шума в одном из каналов во внутреннем детекторе в результате воздействия света ламп подсветки.

Исходя из собранной статистики по детектору в целом и по отдельным каналам, рекомендуется исключить из дальнейшей обработки данные по первым 8 часам с момента включения детектора после его фотографирования. За это время происходит падение интенсивности шумов в большинстве каналов до стабильного уровня. Нужно отметить, что основным фактором, потенциально влияющим на достоверность результатов, полученных в эксперименте, является именно нестабильность сигнала после использования ламп подсветки, а не его абсолютная величина.

Т.к. фотоаппараты и лампы подсветки расположены внутри стальной сферы (рис. 3), то данный процесс не влияет на ФЭУ внешнего детектора.

Основные результаты и выводы

Было разработано программное н аппаратное обеспечение для сбора, контроля и анализа данных о темповых шумах ФЭУ детектора солнечных нейтрино Борексино. Созданная система была внедрена в составе системы сбора данных детектора осенью 2004 года. С помощью данной системы осуществляется оперативный мониторинг состояния установки. Система будет основным способом контроля установки в течение всего планируемого времени сбора данных -примерно 10 лет.

Система контроля темновых шумов является хорошим инструментом для выявления ФЭУ с слишком высокой интенсивностью шумов, мешающих нормальному функционированию детектора. С помощью системы были выяснены и устранены причины высокого уровня шумов в некоторых ФЭУ при подготовке детектора Борексино к сбору данных.

С использованием системы сбора были накошена информация о темновых шумах ФЭУ за последовательные промежутки времени. Данная информация была исследована на предмет корреляций между отдельными каналами ФЭУ и группами каналов, на наличие долгосрочных тенденций изменения сигнала. Также был определен спектр и другие характеристики сигнала, выявлена зависимость сигнала от физических параметров внешней среды.

При проведении анализа данных были получены следующие результаты. Спектр темнового шума ФЭУ в обычном режиме работы детектора подчиняется нормальному распределению. Интенсивность темнового шума не зависит от температуры снаружи детектора, не наблюдаются ни суточные, ни сезонные колебания. ФЭУ, функционирующие в нормальном режиме, не способны повлиять на частоту срабатывания триггера нейтринных событий. Между каналами темнового шума в детекторе не наблюдается явных корреляций. В течение переходных процессов в детекторе ФЭУ ведут себя одинаково: вначале наблюдается существенное увеличение темнового шума, после чего происходит его экспоненциальное падение до стабильного уровня. Данные процессы носят кратковременный характер и не способны повлиять на результаты поиска нейтринных событий в детекторе. Никаких постоянных долговременных тенденций изменения сигнала с ФЭУ, способных повлиять на детектирование нейтрино, обнаружено не было.

В течение работы детектора Борексино возможна модернизация системы сбора данных о темновых шумах для проведения исследований зависимости интенсивности темновых шумов ФЭУ от различных внешних и внутренних факторов. Например, возможно наблюдение и анализ изменений уровня сигнала в момент взрыва сверхновой.

Нужно отмстить, что контроль и дальнейший анализ данных о темновых шумах детектора Борексино является обязательным условием достоверности наблюдаемых явлений и накапливаемых данных. Только в случае подтверждения отсутствия аномалий в сигналах ФЭУ в детекторе Борексино, допустимого уровня и формы спектра интенсивности темновых шумов, полученные данные о величине потока 7Ве-нейтрипо можно использовать для доказательства гипотезы нейтринных осцилляции.

В заключение следует сказать, что важным результатом проведенной работы является создапие работоспособной платформы, состоящей из аппаратных и программных модулей и описания взаимодействия между ними. Созданная платформа облегчает разработку систем контроля и анализа данных для ядернофизических установок различного размера и назначения, для которых требуется организовать сбор данных с большого числа датчиков.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Д.И. Орехов, Д.И. Маймистов, А.С. Чепурнов. Система контроля темповых шумов фотоэлектронных умножителей детектора Борексино. П Тез. докл. конференции «Ломоносов-2005». Москва, Россия, Апрель 2005. Том 1, с. 34.

2. Д.И. Маймистов, Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, Комплекс интерактивного программного обеспечения для контроля данных, поступающих с детектирующих устройств. // Тез. докл. конференции «Ло.моносов-2006». Москва, Россия, Апрель 2006. Том 1, с. 97.

3. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, А.А. Сабельников, А.В. Этснко, Д.А. Маймистов. Система контроля темповых шумов ФЭУ для нейтринного детектора Borexino с применением протокола DeviceNet и доступом через web. // Препринт НИИЯФ МГУ. 2006-10/809.

4. A.S. Chepumov, D.I. Orekhov, D.A. Maimistov, А.А. Sabelnikov, A.V. Etenko. PMT dark noise monitoring system for neutrino detector Borexino based on the DeviceNet protocol and web-access. // Problems of Atomic Science and Technology. Series «Nuclear Physics Investigations». 2006. №3. p. 131-133.

5. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, A.A. Сабельников, Д.И. Маймистов. Распределенная система сбора и анализа данных на основе CAN-bus. // Приборы и техника эксперимента. 2007. №4. с. 65-72.

6. D.I. Orekhov, A.S. Chepurnov, А.А. Sabelnikov. Photomultiplicrs dark noise monitoring system for neutrino detector. // Proceedings of 57-th international conference «Nucleus-2007» «Fundamental problems of nuclear physics, atomic power engineering and nuclear technologies». Voronezh, Russia, June 2007. p. 301.

7. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, А.А. Сабельников, А.В. Этенко. Система контроля темповых шумов фотоэлектронных умножителей для нейгринного детектора Borexino. // Вестник МГУ. 2008. Серия 3. Физика и астрономия. №3. с. 54-58.

8. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, А.А. Сабельников. Промышленная система контроля и анализа данных на основе распределенных контроллеров, объединенных сетью CAN-bus. // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2008. №2(59). с. 126-131.

Подписано в печать:

21.01.2009

Заказ № 1477 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autorcferat.ru

Введение

Глава 1. Проблема детектирования солнечных нейтрино

1.1. Стандартная Солнечная Модель и поток нейтрино на Земле

1.2. Необходимость измерения потока солнечных нейтрино

1.3. Виды нейтринных детекторов, их особенности

1.4. Эксперименты по детектированию солнечных нейтрино

1.5. Модель нейтринных осцилляций

Глава 2. Детектор Борексино

2.1. Общее описание

2.2. Устройство детектора

2.3. Особенности и преимущества детектора

2.4. Устройство аппаратной части детектора

2.5. Описание программного обеспечения детектора

2.6. Алгоритм обработки данных

Глава 3. Контроль темповых шумов ФЭУ в детекторе Борексино

3.1. Физическая природа темновых шумов ФЭУ

3.2. Особенности работы ФЭУ в однофотоэлектронном режиме

3.3. Необходимость контроля темновых шумов

3.4. Требования к системе контроля темновых шумов

3.5. Использование шины CAN

3.6. Устройство системы контроля темновых шумов

3.7. Возможность использования системы в других физических установках

Глава 4. Анализ темновых шумов ФЭУ

4.1. Необходимость анализа темновых шумов ФЭУ

4.2. Обзор существующих работ по анализу темновых шумов

4.3. Особенности системы анализа темновых шумов детектора Борексино

4.4. Направления исследования и полученные результаты

4.4.1. Общие характеристики темновых шумов ФЭУ

4.4.2. Влияние темновых шумов на частоту срабатывания триггеров событий

4.4.3. Определение ФЭУ с высоким уровнем темнового шума

4.4.4. Форма спектра сигнала с ФЭУ (оценка периодических вариаций с использованием Фурье-анализа)

4.4.5. Корреляции между отдельными ФЭУ и группами ФЭУ детектора

4.4.6. Зависимость от внешних макроскопических параметров

4.4.7. Изучение характера изменения сигнала с течением времени

4.4.8. Изучение влияния переходных процессов в детекторе на работу ФЭУ

4.4.9. Результаты, полученные в эксперименте Борексино Заключение

Актуальность работы

Исследование характеристик тем новых шумов ФЭУ детектора Борексино играет большую роль в обеспечении работоспособности установки и корректной регистрации солнечных нейтрино.

Детектор Борексино (Италия) предназначен для прямого измерения потока солнечных нейтрино с энергией 0,86 МэВ в режиме реального времени. 7Ве-нейтрино образуются в реакции рр цикла на Солнце:

7Ве + е" -* 7Li + ve.

90% нейтрино, образующийся в этой реакции, имеют энергию 0,86 МэВ, а 10% - 0,38 МэВ. Детектирование происходит в реакции упругого рассеяния нейтрино на электронах в сциптилляторе: е" + vc —* е" + ve\

Электрон отдачи с" вызывает сцинтилляцию, а образовавшиеся в этом процессе фотоны регистрируются ФЭУ. Теоретический спектр электронов отдачи имеет вид непрерывного плато, область спада которого приходится на энергию 0,66 МэВ, но из-за ограниченного энергетического разрешения детектора происходит его расширение до 0,8 МэВ. В эксперименте регистрируются электроны, взаимодействовавшие с Ве-нейтрино, в диапазоне энергий 0,25 - 0,80 МэВ. Измерение потока нейтрино позволит подтвердить существование нейтринных осцилляций для 7Ве-нейтрино, уточнить параметры и конкретную модель осцилляций, подтвердить механизмы реакций, обеспечивающих светимость Солнца.

Рабочим веществом детектора является органический сцинтиллятор, который контролируется 2212 фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Кроме того в качестве мюонного вето используется еще 208 ФЭУ. Таким образом, фиксирование реакции рассеяния нейтрино на электронах происходит путем обработки сигналов с ФЭУ. В связи с этим состояние ФЭУ необходимо контролировать. Темновой шум является неотъемлемой характеристикой ФЭУ. Поэтому одним из основных контролируемых параметров в детекторе является интенсивность темнового шума ФЭУ. Слишком высокий или слишком низкий уровень интенсивности темнового шума свидетельствует о неисправности ФЭУ. Своевременное обнаружение подобных событий является основной задачей системы контроля темновых шумов ФЭУ, которая входит как независимый модуль в единую систему контроля состояния детектора Борексино. Следует отметить, что данная система развернута параллельно основной системе сбора физических данных.

Наряду с оперативным контролем уровня темновых шумов, актуальной задачей является вычисление их статистических параметров. Для этого была создана система анализа темновых шумов. Основные направления анализа: вычисление спектра интенсивности темновых шумов отдельных ФЭУ или групп ФЭУ, поиск периодической зависимости сигналов с ФЭУ, поиск долговременных тенденций изменения сигнала. Также можно исследовать корреляции между интенсивностями отдельных ФЭУ или групп ФЭУ, корреляции с параметрами внешней среды: температурой, давлением, уровнем радиационного фона. Для операторов, контролирующих и обслуживающих установку, является полезной информация о характере изменения сигнала ФЭУ при включении и выключении высокого напряжения, подаваемого на ФЭУ. Только фиксация и объяснение всех перечисленных процессов либо доказательство их отсутствия может гарантировать достоверность получаемых на физической установке данных.

После запуска детектора в эксплуатацию производится сохранение значений интенсивности темновых шумов со всех 2420 ФЭУ установки с периодичностью, достаточной для контроля состояния ФЭУ в течение всего времени работы установки. Эти данные планируется хранить до тех пор, пока в них будет необходимость. В дальнейшем возможно проведение других видов исследований на основе этих данных.

Цель работы

Целью настоящей диссертационной работы является анализ темновых шумов ФЭУ в детекторе Борексино, в частности, исследование спектра и интенсивности темновых шумов ФЭУ. Данные исследования позволяют быть уверенными в целостности данных, используемых для выявления нейтринных событий в детекторе. Также анализ темновых шумов помогает выявлять неисправные ФЭУ, подтверждает стабильность работы детектора и отсутствие нестандартных характеристик в получаемых с ФЭУ сигналах в период рабочих запусков установки.

Для достижения этой цели была создана система контроля и анализа темновых шумов ФЭУ. С помощью разработанной системы было проведено накопление информации о темновых шумах и анализ собранных данных.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Создана система контроля темновых шумов ФЭУ нейтринного детектора Борексино, позволяющая отслеживать состояние ФЭУ в течение всего времени эксплуатации детектора и обеспечивающая своевременную реакцию на возникновение неисправностей оборудования.

2. Разработана методика анализа данных о темновых шумах ФЭУ для детектора Борексино, необходимая для подтверждения достоверности получаемых с ФЭУ п данных о величине потока Ве-солнечных нейтрино на Земле и о наблюдении нейтринных осцилляций, на основании исследования накопленной информации о физических параметрах детектора.

3. Разработана архитектура, позволяющая создавать системы контроля и анализа данных для средних и больших ядернофизических установок на основе проверенных в практической эксплуатации модулей, соединенных стандартизированными интерфейсами и использующих для обмена данными распространенные протоколы.

Научная новизна

Впервые создана система контроля и анализа данных о темновых шумах ФЭУ, имеющая распределенную архитектуру, допускающая масштабирование, позволяющая интерактивный доступ через сеть Интернет и использующая стандартизированную шину CAN (Controller Area Network) для обмена данными. Кроме того, на основе методов и технологий, использованных в системе контроля темновых шумов ФЭУ, впервые разработана законченная аппаратно-программная платформа для создания систем контроля, накопления и анализа физических данных.

Уникальность разработанной системы состоит в том, что она удостоверяет полученные на детекторе Борексино физические данные о потоке нейтрино и, следовательно, обеспечивает возможность детектирования низкоэнергетических нейтрино на Земле.

Практическая значимость

Разработанная система является необходимой для нормального функционирования детектора Борексино. Система будет использоваться для контроля работы детектора в течение всего времени его эксплуатации, т.е. примерно 10 лет. Благодаря своей архитектуре система может быть легко адаптирована для осуществления планируемых в будущем на детекторе задач: поиск гео-нейтрино, наблюдение взрывов сверхновых.

Опыт использования системы контроля темновых шумов детектора Борексино позволяет использовать в будущем данную систему как основу для построения распределенных систем контроля в режиме реального времени для других физических установок.

Личный вклад автора

Автор разработал ряд программных модулей, входящими в состав системы контроля темновых шумов ФЭУ детектора Борексино: модуль обработки и хранения данных, модуль визуализации данных. Кроме того автор участвовал в развертывании системы контроля темновых шумов в Италии и является ответственным за работу ее программной части. Автор создал тестовый стенд, эмулирующий работу системы, в НИИЯФ МГУ в лаборатории группы "систем управления ускорителями и диагностики пучка". Автор разработал методику исследования интенсивности и спектра темновых шумов. Также автор организовал сбор, обработку данных о темновых шумах ФЭУ после запуска детектора и провел их анализ.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на международных конференциях и совещаниях:

1. На конференциях Ломоносов - 2005 и Ломоносов - 2006, Москва, Россия, март 2005 г. и март 2006 г.

2. На 19-ой Международной конференции IWCPA-2005 (International Workshop on Charged Particle Accelerators), Алушта, Крым, Украина, сентябрь 2005 г.

3. На 6-ой Международной конференции «Промышленная сеть CAN-bus и связанные с ней информационные технологии», Мытищи, Россия, март 2007 г.

4. На 57-ой Международной конференции ЯДР0-2007 «Фундаментальные проблемы ядерной физики, атомной энергетики и ядерных технологий», Воронеж, Россия, июнь 2007 г.

Публикации

1. Д.И. Орехов, Д.И. Маймистов, А.С. Чепурнов. Система контроля темновых шумов фотоэлектронных умножителей детектора Борексино. // Тез. докл. конференции «Ломоносов-2005». Москва, Россия, Апрель 2005. Том 1, с. 34.

2. Д.И. Маймистов, Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов. Комплекс интерактивного программного обеспечения для контроля данных, поступающих с детектирующих устройств. // Тез. докл. конференции «Ломоносов-2006». Москва, Россия, Апрель 2006. Том 1, с. 97.

3. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, А.А. Сабельников, А.В. Этенко, Д.А. Маймистов. Система контроля темновых шумов ФЭУ для нейтринного детектора Borexino с применением протокола DeviceNet и доступом через web. // Препринт НИИЯФ МГУ. 2006-10/809.

4. A.S. Chepurnov, D.I. Orekhov, D.A. Maimistov, A.A. Sabelnikov, A.V. Etenko. PMT dark noise monitoring system for neutrino detector Borexino based on the DeviceNet protocol and web-access. // Problems of Atomic Science and Technology. Series «Nuclear Physics Investigations». 2006. №3. p. 131-133.

5. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, A.A. Сабельников, Д.И. Маймистов. Распределенная система сбора и анализа данных на основе CAN-bus. // Приборы и техника эксперимента. 2007. №4. с. 65-72.

6. D.I. Orekhov, A.S. Chepurnov, A.A. Sabelnikov. Photomultipliers dark noise monitoring system for neutrino detector. // Proceedings of 57-th international conference «Nucleus-2007» «Fundamental problems of nuclear physics, atomic power engineering and nuclear technologies». Voronezh, Russia, June 2007. p. 301.

7. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, A.A. Сабельников, А.В. Этенко. Система контроля темновых шумов фотоэлектронных умножителей для нейтринного детектора

Borexino. // Вестник МГУ. 2008. Серия 3. Физика и астрономия. №3. с. 54-58. 8

8. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, А.А. Сабельников. Промышленная система контроля и анализа данных на основе распределенных контроллеров, объединенных сетью CAN-bus. // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2008. №2(59). с. 126-131.

Все выводы данного раздела справедливы и для ФЭУ внешнего детектора, причем за счет меньшего количества ФЭУ во внешнем детекторе сигнал в течение сессии там в среднем более стабилен.

4.4.8 Изучение влияния переходных процессов в детекторе на работу ФЭУ

К изучаемым в данном разделе переходным процессам в детекторе относятся:

• выключение и включение сигнала высокого напряжения, подаваемого на ФЭУ;

• фотографирование внутреннего детектора с помощью CCD камер, которое производится ежемесячно (еженедельно, начиная с сентября 2008 года);

• специальные «laser ball» сессии.

Чаще всего выключение и включение напряжения ФЭУ выполняется при необходимости выполнения каких-то работ в детекторе, а также в случае непредвиденных ситуаций, например, проблемах с электричеством или кондиционированием оборудования.

Фотографии детектора используются для наблюдения за формой внутренней и внешней нейлоновых сфер (см. рис. 9), а также при контроле состояния сцинтиллятора. Геометрические характеристики внутренней нейлоновой сферы являются параметрами в алгоритме определения нейтринных событий, и поэтому их контроль является необходимым для функционирования детектора. Кроме того камеры используются для определения положения в детекторе источника излучения при его калибровке. Всего камер семь, они расположены внутри стальной сферы (см. рис. 9) и имеют широкоугольные объективы типа «рыбий глаз» ("fish-eye"). Для получения фотографий детектор необходимо освещать. Фотографию освещенного детектора можно увидеть на рис. 62. Результатом воздействия света от ламп подсветки является временное «засвечивание» ФЭУ - в течение определенного периода уровень темнового шума в детекторе значительно выше обычного.

Рис. 62. Фотография освещенного детектора Борексино изнутри. laser ball» сессии организованы следующим образом. На внешней поверхности внутренней нейлоновой сферы (см. рис. 9) в определенных позициях закреплены источники излучения. Они представляют собой оптоволоконные выходы от лазера с

125 длиной волны 266 нм, частота импульсов при этом может составлять от 50 до 200 Гц с длиной импульсов от 150 мкс до 1 мс. Также вместо лазера может использоваться светодиодное LED излучение видимого оптического диапазона. Всего внутри детектора расположено 46 световодов на внутренней и 40 на внешней нейлоновой сферах (рис. 63). Для того, чтобы обеспечить изотропное рассеяние лазерного излучения в детекторе, на конце 38 из 46 оптоволокон, выведенных на внутреннюю сферу, приклеен небольшой рассеиватель сферической формы, сделанный из тефлона (политетрафторэтилена) - т. наз. «teflon ball». Тефлон выбран потому, что он способен хорошо рассеивать падающий свет во всех направлениях. Диаметр рассеивателей составляет 2,38, миллиметров. Во время каждой «laser ball» сессии один из рассеивателей подсвечивается лучом лазера, и рассеянный свет детектируют ФЭУ внутреннего детектора. Обработав сигнал с ФЭУ можно определить положение оптоволокон на сфере и, следовательно, текущее положение нейлоновой сферы внутри детектора. Сравнивая текущие данные по геометрии сферы с ранее измеренными значениями, можно контролировать состояние сферы. Кроме того, так как при изменении состава сцинтиллятора изменятся и данные, получаемые с ФЭУ во время «laser ball» сессий, то данный механизм позволяет контролировать состояние сцинтиллятора в детекторе. Альтернативным способом измерения геометрии нейлоновой сферы является определение положения рассеивателей с помощью CCD камер, обеспечивающих разрешение вплоть до 1,36 см (в воздухе). Помимо указанных выше целей «laser ball» сессии могут использоваться для калибровки алгоритма реконструкции нейтринных событий.

CR4 х40 х46) Г

П. х40) нейлоновые сферы (х8)

Рис. 63. Схема стационарных источников излучения внутри детектора Борексино.

Целью исследования являлось выяснение степени влияния переходных процессов на величину и характер сигнала с ФЭУ, а также определение периода, в течение которого это влияние ощутимо. В частности, важной задачей является определение периода времени после переходных процессов в детекторе, по истечении которого возможен сбор данных о нейтринных событиях.

Периодическое выключение высокого напряжения ФЭУ полезно тем, что помогает уточнить причину высокого уровня шумов в отдельных каналах. Если шум пе пропадает при отключении высокого, то это означает, что источником шума является канал Front End. Если после этого выключить и Front End, а шум в канале счетчиков не исчезнет, то это означает, что источник шума - контактные явления в кабелях и разъемах, соединяющих Front End и контроллеры-частотомеры. Кроме того выключение высокого напряжения помогает найти «шумящие» каналы, уровень шума в которых при работе детектора не выделяется на фоне других каналов.

Был рассмотрен период примерно 24 часа после включения высокого напряжения. В целом для внутреннего детектора усредненный по всем каналам сигнал, несмотря на отдельные всплески, оставался стабильным (рис. 64). Из рисунка видны две особенности сигнала:

• средняя интенсивность темновых шумов колеблется около определенного состояния, но в первые 8-10 часов дисперсия сигнала больше;

• в течение первого получаса после включения высокого видно значительное падение сигнала (рис. 65). о с

6000 о х со о 4000

Q. О

2000 1 I ' I ■ .I ' I 1 1 1 I ■ I 1 I 1 I ' t

888888888888888888888888 время, ч

Рис. 64. Изменение средней интенсивности в детекторе после выключения и включения напряжения на

ФЭУ.

5500

-g 5000

А 4500 Б 0 4000 1 в х 3500 А

3000

2500

ШМ ч ■ I

I 1 I 1 t ' Т""'' I ' ( ' I т I ■ I ' I ' I ' I

Время, с

Рис. 65. Изменение средней интенсивности в детекторе после выключения и включения напряжения на ФЭУ в течение первых 2-х часов.

Таким образом, выключение и включение высокого напряжения на ФЭУ в детекторе приводит к незначительному возбуждению ФЭУ. В основном темповой шум спадает в первые полчаса после включения - примерно на 50%. Данные за этот период лучше не учитывать при анализе. После чего происходит постепенное уменьшение среднего уровня шума в детекторе в течение 7-9 часов. Для подтверждения этого весь период наблюдения был разбит на 4-х часовые интервалы, для каждого из которых были измерены статистические параметры усредненного сигнала (Таблица 15) (значения округлены до 100).

Заключение

Было разработано программное и аппаратное обеспечение для сбора, контроля и анализа данных о темновых шумах ФЭУ детектора солнечных нейтрино Борексино. Созданная система была внедрена в составе системы сбора данных детектора осенью 2004 года. С помощью данной системы осуществляется оперативный мониторинг состояния установки. Система будет основным инструментом контроля установки в течение всего планируемого времени сбора данных - порядка 10 лет.

Система контроля темновых шумов является хорошим инструментом для выявления ФЭУ с слишком высокой интенсивностью шумов, мешающих нормальному функционированию детектора. С помощью системы были выяснены и устранены причины высокого уровня шумов в ФЭУ при подготовке детектора Борексино к сбору данных.

С использованием системы сбора была накоплена информация о темновых шумах ФЭУ за последовательные промежутки времени. Данная информация была исследована на предмет корреляций между отдельными каналами ФЭУ и группами каналов, на наличие долгосрочных тенденций изменения сигнала. Также был определен спектр и другие характеристики сигнала, выявлена зависимость сигнала от физических параметров внешней среды.

Были получены следующие результаты. Спектр темнового шума ФЭУ в обычном режиме работы детектора подчиняется нормальному распределению. Интенсивность темнового шума не зависит от температуры снаружи детектора, не наблюдаются ни суточные, ни сезонные колебания. ФЭУ, функционирующие в нормальном режиме, не способны повлиять на частоту срабатывания триггера нейтринных событий. Между каналами темнового шума в детекторе не наблюдается явных корреляций. В течение переходных процессов в детекторе ФЭУ ведут себя одинаково: вначале наблюдается существенное увеличение темнового шума, после чего происходит его экспоненциальное падение до стабильного уровня. Данные процессы носят кратковременный характер и не способны повлиять на результаты поиска нейтринных событий в детекторе. Никаких постоянных долговременных тенденций изменения сигнала с ФЭУ, способных повлиять на детектирование нейтрино, обнаружено не было.

В течение работы детектора Борексино возмолена модернизация системы сбора данных о темновых шумах для проведения исследований зависимости интенсивности

142 темновых шумов ФЭУ от различных внешних и внутренних факторов. Например, возможно наблюдение и анализ изменений уровня сигнала в момент взрыва сверхновой.

Нужно отметить, что контроль и дальнейший анализ данных о темновых шумах детектора Борексино является обязательным условием достоверности наблюдаемых явлений и накапливаемых данных. Только в случае подтверждения отсутствия аномалий в сигналах ФЭУ в детекторе Борексино, допустимого уровня и формы спектра темновых 7 шумов, полученные данные о величине потока Ве-нейтрино можно использовать для доказательства гипотезы нейтринных осцилляций.

В заключение следует сказать, что важным результатом проведенной работы является создание работоспособной платформы, состоящей из аппаратных и программных модулей и описания взаимодействия между ними. Созданная платформа облегчает разработку систем контроля и анализа данных для ядернофизических установок различного размера и назначения, для которых требуется организовать сбор данных с большого числа датчиков [51].

1. Н. A. Bethe Energy Production in Stars // Phys. Rev. 1939. A 55, p. 434-456.

2. J. N. Bahcall et al. // Phys. Lett. B. 1998. V. 433, N. 1,2, p. 1-8.

3. Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, И.А. Тутынь Нуклеосинтез во вселенной // Москва, Изд-во Московского университета. 1998.

4. Grcvesse, N., Sauval, A. J. // Space Sci. Rev. 1998. Vol. 85, p. 161.

5. Asplund, M., Grevcsse, N., Sauval, A. J. The solar chemical composition // Nucl. Phys. A, 2006. V. 777, pp. 1-4.

6. John N. Bahcall et al 10000 Standard Solar Models: A Monte Carlo Simulation // arXiv:astro-ph/0511337 10 Nov 2005 V.l.

7. Abhijit Bandyopadhyay, Sandhya Choubey, Srubabati Goswami, S. T. Petcov Solar Model Parameters and Direct Measurements of Solar Neutrino Fluxes // Phys. Rev. D. 2007. V. 75, p. 093007.

8. B. Pontecorvo Inverse /Г -process // Chalk River Laboratory report PD-205, 1946

9. В. T. Cleveland, T. Daily, R. Davis (Jr), J.R. Distel, K. Lande, C.K. Lee, P.S. Wildenhain, J. Ullman Measurement of the solar electron neutrino flux with the Homestake chlorine detector // Astrophys. J. 1998. V. 496, p. 505-526.

10. J. N. Abdurashitov et al. (SAGE Collab.) Measurement of the solar neutrino capture rate by SAGE and implications for neutrino oscillations in vacuum // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 83, p. 4686-4689.

11. Л.Б. Окунь Лептоны и кварки // Москва, Изд-во «Наука». 1981.

12. The SNO Collaboration, Measurement of the rate of ve + d —>p + p + e~ interactionsproduced by 8 В solar neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. 2001. V.87, p. 071301.

13. J.N. Bahcall et al. How Uncertain Are Solar Neutrino Predictions? //Phys. Lett. B. 1998. V.433, N.l, 2. p.1-8.

14. Satoru Watanabe, Hiromoto Shibahashi Solar Models with Helioseismic Constraints and the Solar Neutrino Problem // Publ. Astron. Soc. Jap. 2001. V. 53, p. 565-575.

15. Дж. Бакал Нейтринная астрофизика // Москва, Изд-во «Мир». 1993.

16. В. М. Pontecorvo // Zh. Eksp. Theor. Fiz. 1957. V. 33, p. 549.

17. A.A. Bykov, V.Yu. Popov, T.I. Rashba, V.B. Semikoz Resonant Spin-Flavor Precession Solution to the Solar Neutrino Problem and electron antineutrinos from the Sun // arXiv:hep-ph/0002174. 2000. V. 1.

18. A.Yu. Smirnov The MSW effect and solar neutrinos // arXiv:hep-ph/0305106. 2003. V. 1

19. A. Bellerive Review of solar neutrino experiments // Int. J. Mod. Phys. 2004. A19. P. 1167-1179.

20. John N. Bahcall, Plamen I. Krastev, Alexei Yu. Smirnov SNO: Predictions for Ten Measurable Quantities // Phys. Rev. D. 2000. V. 62, p. 093004.

21. Borexino Collaboration The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso // arXiv:0806.2400. 2008. V.l.

22. S. M. Bilenky, T. Lachenmaier, W. Potzel and F. von Feilitzsch Implications of the SNO and the Homestake results for the Borexino experiment // Phys. Lett. B. 2002. V. 533, p. 191-195.

23. Borexino Collaboration Science and technology of Borexino: a real time detector for low energy solar neutrinos // Astroparticle Physics. 2002. V. 16, #.3, p. 205-234.

24. A. Ianni, D. Montanino, F.L. Villante How to observe В solar neutrinos in liquid scintillator detectors // Phys. Lett. B. 2005. V.627, p. 38-48.

25. Borexino Collaboration CNO and pep neutrino spectroscopy in Borexino: Measurement of the deep-underground production of cosmogenic HC in an organic liquid scintillator // PHYSICAL REVIEW C. 2006. V. 74, p. 045805.

26. A. V. Derbin, O.Yu. Smirnov, and O. A. Zaimidoroga On the Possibility of Detecting Solar pp Neutrino with the Large-Volume Liquid Organic Scintillator Detector // Physics of Atomic Nuclei, Vol. 2004. V. 67, No. 11, pp. 2066-2072.

27. Borexino collaboration, M. Balata, et al Search for electron antineutrino interactions with the Borexino Counting Test Facility at Gran Sasso // Eur. Phys. J. 2006. V. C47, pp. 2130.

28. Marco G. Giammarchi, Lino Miramonti Geoneutrinos in Borexino // arXiv:hep-ex/0604019. 2006. V. 1.

29. Lino Miramonti Neutrinos and (Anti)neutrinos from Supernovae and from the Earth in the Borexino detector // arXiv:hep-ex/0307029. 2003. V. 2.

30. John N. Bahcall Why Do Solar Neutrino Experiments Below 1 Mev // arXiv:hep-ex/0106086. 2001. V.l.

31. P. Aliania, V. Antonellia, M. Picarielloa, E. Torrente-Lujan Solar neutrino experiments and Borexino perspectives //Nucl. Phys. Proc. Suppl. 2002. V. 110, pp. 361-363.

32. Andre de Gouvea, Alexander Friedland, Hitoshi Murayama Seasonal Variations of the 7Be Solar Neutrino Flux // Phys. Rev. D. 1999. V. 60, p. 093011.

33. Photomultiplier Handbook. BURLE TECHNOLOGIES, INC., 1000 New Holland Avenue, Lancaster, PA 17601-5688 U.S.A. 1980. http://www.burle.com/cgi-bin/byteserver.pl/pdf/Photo.pdf.

34. Lino Miramonti Borexino: a real time liquid scintillator detector for low energy solar neutrino study // arXiv:hep-ex/0206063. 2002. V. 1.

35. R. Dossi, A. Ianni, G. Ranucci, O.Ju. Smirnov Methods for precise photoelectron counting with photomultipliers // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2000. V. 451. p. 623-637.

36. Д.И. Орехов, А.С. Чепуриов, А.Л. Сабельников, А.В. Этенко, Д.А. Маймистов. Система контроля темновых шумов ФЭУ для нейтринного детектора Borexino с применением протокола DeviceNet и доступом через web. // Препринт НИИЯФ МГУ. 2006-10/809.

37. CAN Specification 2.0В. Robert Bosch GmbH, Postfach 30 02 40, D-70442 Stuttgart, Germany. 1991. http://www.semiconductors.bosch.de/pdf/can2spec.pdf.

38. ISO/IEC 7498-1:1994, Information technology Open Systems Interconnection - Basic reference model: The basic model. International Organization for Standardization. 1994.

39. А.С. Чепурнов, Ф.Н. Недеогло, А.В. Этенко, А.А. Сабельников Применение программных и аппаратных компонент CAN технологии для управления ускорителями. // Вопросы атомной пауки и техники, Украина. 2004. №2.

40. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, А.А. Сабельников, А.В. Этенко. Система контроля темновых шумов фотоэлектронных умножителей для нейтринного детектора Borexino. // Вестник МГУ. 2008. Серия 3. Физика и астрономия. №3. с. 54-58.

41. PostgreSQL Documentation. PostgreSQL Global Development Group, 2006. http://www.postgresql.org/docs/

42. А.А. Сабельников, А.С. Чепурнов Исследование интенсивности одноэлектронных темновых шумов фотоумножителей детектора Борексино // Препринт ИАЭ-6305/15 Москва. 2003.

43. Т.А. Ковалева, А.Е. Меламид, А.Н. Перцев, А.Н. Писаревский Шумы фотоэлектронных умножителей (Обзор) // Приборы и техника эксперимента. 1966. №5.

44. Borexino Collaboration First real time detection of 7Be solar neutrinos by Borexino // Phys. Lett. B. 2008. V. 658, pp. 101-108.

45. Borexino Collaboration New results on solar neutrino uxes from 192 days of Borexino data//Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101, p. 091302.

46. Borexino Collaboration Measurement of the solar 8B neutrino flux with 246 live days of Borexino and observation of the MSW vacuum-matter transition // arXiv:0808.2868. 2008. V.l.

47. Д. И. Орехов, А. С. Чепурнов, А. А. Сабельников, Д. И. Маймистов Распределенная система сбора и анализа данных на основе CAN-bus. // Приборы и техника эксперимента. 2007. №4. с. 487.