Измерение энергетического спектра первичного космического излучения в области энергий - 10 эВ методом регистрации отраженного от снежной поверхности черенковского света шал. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА

рГ В од

1 3 МАЙ Ш38

На правах рукописи УДК 53? .531.15

А.Н.ФЕДОРОВ

ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ПЕРВИЧНОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГИЙ > Ю16 зВ МЕТОДОМ РЕГИСТРАЦИИ ОТРАЖЕННОГО ОТ СНЕЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЧЕРЕНКОВСКОГО СВЕТА ШАЛ.

Специальность 01.04.23 - физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой стеапени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1Э96

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д.В.Скобельцына МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Антонов Рэм Александрович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ведущая организация - Институт ядерных исследований РАН.

на заседании диссертационного совета K-Q53.05.24 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова /Москва, Воробьевы горы. НИИЯФ МГУ, 19 корпус, ауд. 2-15/ С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Жданов Георгий Борисович; доктор физико-математических наук Хренов Борис Аркадьевич.

Защита состоится " 3$ " 1996 г. в

" " часов

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических Hayi

Ю.А. Фомин

Типография ордена «Знак Почета» Издательства МГУ. 1)9899, Москва, Воробьевы горы Заказ loo Тираж 1096

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные

об энергетическом спектре первичных космических лучей, относящиеся к области энергий Ю15- Ю19эВ,недостаточно хорошо согласуются друг с другом. Все эксперименты в этой области базируются на методике регистрации ШАЛ. Трудности измерений обусловлены малостью потока таких частиц и тем, что энергия первичной частицы определяется на основе измерения параметров ШАЛ. Одним из наиболее адэкватных методов определения энергии первичной частицы является регистрация интегрального потока черенковского света, генерируемого частицами ливня в слое атмосферы над установкой.

Диссертация посвящена практической реализации нового метода, в основе которого лежит выдвинутая А.Е.Чудаковым в 1972г. идея измерения полного потока черенковского света ШАЛ, отраженного от заснеженной поверхности, с помощью прибора, поднятого на некоторую высоту (подъем может быть осуществлен, например с помощью аэростата). [Чудаков А.Е. Возможный метод регистрации ШАЛ по черенковскому излучению , отраженному от снежной поверхности Земли. //Экспериментальные методы исследования космических лучей сверхвысоких энергий. Материалы Всесоюзного симпозиума , Якутск, 1972., С.69.] Интеграл черенковского света служит хорошей мерой энергии первичной частицы. Толща атмосферы используется в качестве калориметра.

Особенностью этой методики является возможность обеспечения большой эффективной площади регистрации (вплоть до

2 '

1000 км ) при использовании сравнительно недорогого, небольшого по размерам прибора (Ixlxl м3), поднимаемого над заснеженной поверхностью. Метод определения энергии является квазикалориметрическим, т.к. интеграл черенковского света дает возможность определить суммарные ионизационные потери частиц ШАЛ в слое атмосферы, которые составляют основную долю энергии

1 А

первичной-частицы (для уровня моря и энергии 10 эВ эта доля составляет, «75 г ) . Прибор, поднятый на высоту Н км, осматривает всю поверхность площадью Н2 км2. Интеграл черенковского света, зарегистрированный прибором, не зависит от функции пространственного распределения черенковского света и величины локальных флуктуаций плотности черенковских фотонов, что является достоинством данного метода по сравнению с черенковскими установками, находящимися на земле и имеющими ограниченное число пунктов регистрации.

Изменяя высоту подъема установки можно получить энергетический спектр космических лучей в большом диапазоне энергий -от I-I015 эВ (=Л,5 10б событий за 100 часов наблюдений

19

с высоты 0,7 км), до нескольких ед.хЮ эВ (яИ60 событий с энергией >1019эВ за 20 суток, в течение которых аэростатная установка 4 раза проходит по круговой траектории вокруг Южного полюса на высоте «40 км)'. С ростом высоты растет эффективная 'площадь регистрации, но возрастает и энергетический порог. Экспонируя установку на трех высотах (« 0,7 км, 3 км, 40 км) можно получить три спектра с перекрывающимися границами, в совокупности перекрывающие весь этот диапазон энергий. (Подробнее о величине порогов см.стр. IB). Этот метод имеет и свои трудности. Например, двойной учет поглощения черенковского

света в атмосфере, учет коэффициента отражения от снега.

Первая попытка проведения измерений по этой методике была предпринята G.Navarra. С помощью оптического детектора с небольшой апертурой (угол обзора составлял 3°, радиус обозреваемого круга = 2?,5 м) были зарегистрированы несколько событий с частотой 4,2 я-1, сравнимой с ожидаемой величиной (2-10 ч-1), после чего работа была прекращена.

Автором выполнен цикл методических разработок и создана экспериментальная установка, с помощью которой в 1991 - 1993 годах проведен цикл методических измерений. При этом в качестве заснеженной поверхности использовалось Большое Алма-Атинское озеро, площадь которого составляет около I км2.

Актуальность диссертации состоит в апробации нового метода получения энергетического спектра ПКЛ в области 1015эВ Ю19эВ, который можно получить с помощью описываемой методики.

Новизна работы. Реализ о вана м е тодика и впервые проведены измерения потока ПКЛ с помощью регистрации широкоугольным детектором отраженного от снежной поверхности черенковского света ШАЛ.

Научная и практическая ценность работы. Доказана работоспособность модельно независимой методики 1, измерения энергетического спектра первичных космических лучей, позволяющей с помощью одного небольшого и сравнительно недорогого прибора получить энергетический спектр в ' большой энергетической области от нескольких единиц х 1015эВ. до Ю19эВ.

Апробация работы. Работа была доложена на нескольких семинарах Л.А.Кузьмичева (ОИВМ МГУ), Г.Б.Христиансена "(ОЧСВЭ МГУ), В.А. Царева (ФИАН). По теме диссертации опубликовано 3

• Ь

4 • •

статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. В диссертации содержится 50 рисунков, 3 таблицы. Библиография содержит 67 названий. Общий объем диссертации составляет 116 страниц.

На защиту выносятся:

1. Практическая реализация нового квазикалориметрического метода измерения энергетического спектра первичных космических лучей в области энергий > Ю15 эВ, дающего возможность с помощью достаточно простого и малогабаритного прибора провести в дальнейшем измерения в широком энергетическом интервале.

Выполнены необходимые методические разработки и создана работоспособная экспериментальная установка.

2. Измеренная интенсивность потока частиц ПКЛ при энергии (1,0±0,4)Ю17 эВ составляет (4,0 ± 0,5) 10~31см~2-с-1-ср-1эВ-1. Ошибка в определении энергии - систематическая. Ошибка в интенсивности - статистическая. Систематическая ошибка при определении интенсивности не превышает 30 % .

Содержание диссертации.

Во введении обосновывается актуальность теш, определяется цель работы, и изложена структура диссертации. Определен личный вклад автора в работу, новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан обзор методов регистрации ШАЛ. Дается описание существующих установок для регистрации ШАЛ. Показано преимущество черенковского метода при определении энергии первичной частицы.

Вторая глава содержит описание аппаратуры.

Установка' размещалась на уступе горн над краем озера. Схема геометрии эксперимента приведена на рис.1. Угол между поверхностью озера и направлением на установку составлял 6,6° и 17° соответственно для дальнего и ближнего берега озера. Угол обзора озера в поперечном направлении составляет около 50°.

Эта геометрия существенно хуже, чем в варианте подъема установки на аэростате, т.к. в соответствии с законом Ламберта интенсивность отраженного от снега света пропорциональна косинусу угла мезду вертикалью и направлением отраженного луча.

Кроме того, ограниченные размеры озера обуславливают заметную роль краевых эффектов и делают необходимым проведение соответствующих расчетов по моделированию процесса регистрации ливней. Всего за 55 часов было зарегистрировано около 9000 событий. В результате проведенных измерений были получены данные о потоке первичных космических лучей (ПО) в области энергий (I,0±0,4)-I017 эВ.

Схема установки приведена на рис. Z . Прибор состоит из сферического зеркала диаметром 1,2 м, радиус кривизны зеркала 0,75 м. В фокальной поверхности зеркала находится блок из 19 фотоумножителей ФЭУ-IIO . Для полного сбора светового потока зазоры между фотокатодами ликвидируются закрепленными на фотокатодах шестигранными светосборниками. Схема расположения ФЭУ на фокальной поверхности зеркала показана на рис.3 На фотокатоды надеты светофильтры УФС-1, область пропускания которых лежит в фиолетовой области спектра и. близком ультрафиолете. Эти светофильтры ослабляют свет ночного неба =г в 100 раз. Черенковский свет ШАЛ ослабляется при этом всего на 40%. Для увеличения чувствительности к черенковскому свету

Я.-1096

5

фотокатоды ФЭУ были покрыты пленкой, сдвигающей спектральный состав падающего света в область максимальной чувствительности фотокатода (шифтеры). Проведенный расчет квантового выхода фотокатода ФЭУ без шифтера и с шифтером (с учетом спектра черенковского излучения, характеристики фильтра, спектральной чувствительности ФЭУ) дает уменьшение квантового выхода в случае применения светофильтра и шифтера в 1,4 раза. Учитывая уменьшение шума (флуктуации фона ночного неба) с применением фильтра в 10 раз, мы получаем увеличение отношения сигнала к шуму, применяя светофильтр и лифтер, в 7 раз.

Для ликвидации влияния магнитного поля Земли фотокатодные камеры ФЭУ обернуты пермаллоем. Улучшение фокусировки и уменьшение влияния фона достигается постановкой на зеркало диафрагмы - усеченного конуса высотой 40 см , с диаметром входного окна 70 см. Угол обзора прибора - 50°..

Амплитудный анализ импульсов с ФЭУ осуществляется электроникой прибора, состоящего из 20 независимых каналов регистрации, преобразующих аналоговый сигнал ФЭУ в цифровой код (схема канала регистрации приведена на рис. 4 ). Запуск измерения производится платой "мастера" при выполнении одного из условий: превышение амплитуды анодного импульса ФЭУ. некоторого заданного уровня в любом ФЭУ - "мастер" М1, или превышение заданного уровня в двух соседних ФЭУ, один из которых находится в центральном ряду - "мастер" М2 (рис. 3). После окончания процесса преобразования сигнал-код происходит сбрасывание информации в последовательный порт персонального компьютера ЕС-1841.

Питание ФЭУ осуществлялось по схеме с делителем. Сопро-

тивление делителя равно 8,2 МОм. Напряжение, подающееся на фотокатод составляет 1800 В______

Анодный сигнал ФЭУ имеет следующие характеристики: максимальная измеряемая амплитуда импульса равна -10 В. Длительность фронта импульса составляет около 1,5 мкс за счет разных расстояний, проходимых черенковским светом ШАЛ, отраженным от озера, в продольном направлении (см. рис.1).. Длительность спада импульса определяется RC-цепыо на аноде ФЭУ , составляющей 1,5 мкс, и амплитудой сигнала. Отношение сигнала к шуму г 30. Шум в данном случае определяется флуктуацией фотоэлектронов, образованных фотонами звездного света.

Было предусмотрено периодическое измерение постоянной составляющей анодного тока. Для этого в цепи анода последовательно с сопротивлением нагрузки была включена RC-цепочка (R00.6 мс). Периодически мультиплексор переключал вход АЦП на данную цепочку - происходило измерение постоянного тока, возникающего от звездного фона. Кроме амплитудной информации всех каналов в кадр входили показания счетчика кадров, счетчика времени и метки,

определяющей тип кадра - измерение постоянного тока или амплитуды анодного импульса.

Объем кадра равен 35 байт. Общее время регистрации события равно 0,5 сек.На время обработки кадра прием следующего события запрещен. В цифровой части аппаратуры использовались микросхемы 561 серии. Для поддержания оптимальной температуры прибор был помещен в пенопластовый ящик с дополнительным обогревом. Мощность, потребляемая прибором не более 30 Вт.

Третья глава посвящена способу перехода от

экспериментальных данных к энергетическому спектру ПКИ и описанию процедуры выполненного математического моделирования работы установки.

Моделирование проводилось для геометрических условий выполненного эксперимента.

Моделирование работы установки проводилось для энергетической привязки амплитудных спектров, определения энергетического разрешения установки, определения эффективной площади регистрации установки и учета влияния краевых эффектов за счет попадания черенковского света ШАЛ на край озера.

Моделирование проводилось с учетом размеров озера, геометрии расположения зеркала относительно озера и размытия изображения в фокальной поверхности зеркала.

Моделирование сводилось к следующим процедурам:

1. Имитировалось падение около 50000 ливней с энергией от I-I016 эВ до I-IO10 эВ, имеющих показатель дифференциального спектра г = 3;

2. для каждого события разыгрывались: изотропное распределение угла падения ливней (азимутальный угол от 0°до 360*, зенитный угол от 0°до 72°, что обусловленно окружающими озеро горами), случайное попадание оси ливня на площадь озера и прилегающих окрестностей (расстояние до 200 м от края озера);

3. находилось количество фотонов в каждой элементарной площадке черенковского эллипса (круга для зенитного угла О') попавшего на озеро, исходя из функции пространственного распределения (ФПР) [Дьяконов М.Н., Ефимов H.H., Кнуренко С.П. и др. Функция пространственного распределения черенковского света ШАЛ с энергией 7-Ю15-3-1019 эВ// Изв. АН, сер.физ..

1993. 57, Ы. С.86.]. Применявшаяся при моделировании апроксимация ФПР имеет вид: 0(й)=а/(й+с1 )ь, фотон/м2, где а=23708, ъ=3,78, ¿=0,19, й в км . Сравнение данной апроксимации с апроксимациями других авторов дает хорошее взаимное согласие. Площадь элементарной площадки Бэл0и.= 32x32 = 1073 м2. ФПР бралась для энергии Ео=1,6-1016 эВ. Для остальных энергий (Е) количество фотонов изменялось пропорционально отношению Е/Е0; Переход к энергии, использованный авторами, учитывал поглощение черенковского света в атмосфере.

4. находилось количество фотоэлектронов от фотонов, пришедших из элементарной площадки озера на фокальную площадь зеркала :

Б •

N. = N . • с- - • соз • п :

ф.э. фот. ' •

тг - п

где N фот - количество фотонов ШАЛ в данной элементарной площадке озера - находится из ФПР;

с = 0,9 • 0,8 0,7 0,8 л 0,4 - коэффициенты, учитывающие отражение от снега, потери света за счет отражения от стеклянных поверхностей ФЭУ и светофильтров, отражение от светосборников, поглощение при отражении от зеркала;

Б = 0,33 м2 - площадь входного окна диафрагмы;

И - расстояние от точки озера до места наблюдения;

V- угол мевду направлением от установки до точки озера и вертикалью;

г) = 0,04 - эффективный квантовый выход фотокатода с учетом светофильтра и шифтера для интервала длин волн 300-600 нм.

5. производилось размытие изображения элементарной

3-М96

9

площадки озера в фокальной плоскости зеркала, исходя из реальной фокусировки зеркала ;

6. определялось количество фотонов, попавши на площадь фотокатода каждого ФЭУ ;

Операции 3-6 повторялись для каждой элементарной площадки. Количество фотонов, попавших на данный ФЭУ суммировалось. Ддлее, зная величину квантового выхода фотокатодов применявшихся ФЭУ, определялось количество фотоэлектронов в каждом ФЭУ.

Таким образом для каждого разыгранного события имелась информация об энергии ливня и количестве фотоэлектронов в каждом ФЭУ.

Моделирование предусматривало отбор событий, при которых количество фотоэлектронов превыиало заданное число (порог установки) и при которых выполнялось мастерное условие М1 -превышение порога в любом ФЭУ или Ш - превышение порога в двух соседних ФЭУ, один из которых - центральный.

Для каждого разыгранного события имеется информация об энергии ливня, вызвавшего данное событие. Поэтому для любого интервала амплитуд ФЭУ можно построить распределение энергий первичных частиц, вызвавших данные сигналы.

Результаты моделирования.

Моделирование позволило получить зависимость величины (М -суммарное количество фотоэлектронов в четырех центральных ФЭУ ) от среднего значения анергий первичных частиц, вызвавших импульс данной амплитуды:

Е = N 0»96±0'2 . (1,21*0,15)-Ю14 ,эВ Среднеквадратичное отклонение (о-) Е для каждого интервала

амплитуд ФЭУ составляет si002, а с учетом количества событий в каждом бине расп ределеиия, построенного по экспериментальным данным, о-(Е) составляет около 10%. Эта величина учтена при определении ошибки в определении энергии.

Полученное соотношение было использовано для построения энергетического спектра моделированных событий - он приведен на рис. 5 совместно с разыгранным спектром.

Эффективная площадь регистрации определялась как площадь, на которую падали оси разыгрываемых событий (I,4 км2), умноженная на отношение ординат этих спектров .

Результаты моделирования показали, что влияние порога перестает искажать форму спектра при амплитудах импульсов, превышающих порог примерно в 3 раза.

Из моделирования следует, что основная доля света черенковского пятна ШАЛ (85%) попадает в 4 ФЭУ.

Выводы. Моделирование позволило получить формулу перехода от количества фотоэлектронов к энергии Е = N ф'э6±0,2 ••(I,2I±0,I5)-I014,эВ. Определена эффективная площадь

регистрации 1,3 км2. Расчет эффективного телесного угла прихода ливней для данной геометрии эксперимента дает значение о =» 3,3 ср. Погрешность этой величины не превышает 30%.

В четвертой главе приведены результаты измерений.

Объем экспериментального материала.

В экспедиции 1993 г. были проведены измерения в различных режимах: с открытым зеркалом, направленным на озеро, с закрытым зеркалом, направленным на озеро. В обоих вариантах измерения проводились в режимах "мастера" MI и М2. Также проводились измерения при направлении зеркала (открытого и закрытого) в

небо. Время экспозиции и количество зарегистрированных событий приведены в таблице I.

Таблица I

Условие экспозиции Порог Время эксл. Количество

ФЭУ, направление, мастер (ф.э.) (МИН) событий

откр. , озеро, М1 287 219 586

закр. , озеро, Ш 160 79 236

откр. , озеро, М2 80 1510 4871

закр. , озеро, М2 57 956 1613

откр. , небо, Ш 293 48 83

закр. , небо, Ш 160 78 79

откр. , небо, М2 54 231 1243

закр. , небо, М2 15 90 142

закр. , земля, Ш 160 87 73

Измерения при закрытой диафрагме велись для учета, при вычислении потока ПКЛ, событий возникающие от прохождения заряженных частиц через стекло ФЭУ и светофильтров.

Результаты измерения при закрытой диафрагме и направлении установки вертикально вниз показали, что интенсивность срабатываний в атом случае (по сравнению с направлением на озеро) снижается примерно в три раза. Этот результат важен для аэростатного варианта измерений, когда установка будет направлена вертикально вниз.

Различные варианты мастерного условия выбирались для выяснения величины порога для каждого случая.

Контроль стабильности аппаратуры и прозрачности атмосферы.

Контроль стабильности аппаратуры осуществлялся по темпу

счета событий при закрытых ФЭУ (около I события в минуту при пороге 100 мВ). Темп счета сохранялся стабильным в течении всей экспозиции (956 мин.). Отличия темпа счета между различными интервалами времени составляли =. 10 % при точности измерения темпа счета около 1056 .

Контроль прозрачности атмосферы производился измерением темпа счета событий при открытых ФЭУ. Изменение темпа счета за весь период времени набора основной статистики (1510 мин..мастер Ш, открытое озеро) составляло около 10% при точности определения темпа счета около 7%. Изменение постоянной составляющей анодного тока.возникающего от звездного фона в период времени измерений, не превывало 102 .

Измерение звездного фона.

Интенсивность звездного фона может быть найдена из величины постоянного тока анода (около 0,6 мка). Эта величина существенно больше темнового тока ФЭУ-ПО, составляющего 4КГ9 А .

Для расчета интенсивности звездного фона необходимо знать коэффициент усиления ФЭУ (кус), который можно найти из данных, полученных при калибровке . Характеристики светодиодных амплитудных распределений: и = 47 ± 0,2 мВ, N. =34±0,3.

(3 Ф-а-

к = п- , где о - заряд на аноде, образовавшийся

ус Яф.е.'е

от Иф а на фотокатоде (К), е- заряд электрона (К), О = и-С , где и - амплитуда анодного импульса (В),

С - входная емкость регистрирующей системы омиттерного повторителя) <Ф),

и • С 4,7-Ю"2- 5,5-НГ11 ч

^'7-ТТ- 34.1,6.10---

ф'® •

1.=

1а к св

ку<: I? • Б • О • в - с

110"6 100

4,8-10® • 4,0-Ю"2 • 3,3-Ю3- 8-Ю"2-1,6-10~19-0,4

= 3,1 • 10а

2

см ср с

о "

с учетом погрешностей 1Ф= (3,1 * 1,1) 10 —

си ср

с

где анодный ток (А) , (относительная погрешность о-«* 101), к с»- коэффициент ослабления фильтром 17-квантовый выход ФЭУ, (о-айб!), Б - площадь входного окна диафрагмы, о - телесный угол осмотра одним ФЭУ с ср), е - заряд электрона (К), с» 0,4 -коэффициент, учитывающий отражение от снега (0,9), потери света за счет отражения от стеклянных поверхностей ФЭУ, светофильтров (0,8), отражение от светосборников (0,7), поглощение при отражении от зеркала (0,8) (о- 2056);

Эта величина согласуется с данными других экспериментов 1Ф о. 6,4-Ю7 - 2,0810е* с^ср-'с'1 .

Из полученного значения звездного фона можно оценить среднюю амплитуду импульсов (£), обусловленных флуктуациями звездного фона и соответствующих одному стандартному отклонению от среднего фона. Минимальное значение порога должно в несколько раз превышать эту величину (для мастера МГ » в 5 раз, для мастера М2 - в 2-3 раза).

6 = /0,5-С-1ф-г -Б-О-т) / к с. 3 ф.Э. ,

где с = 0,4- коэффициент, учитывающий отражение от снега, потери света за счет отражения от стекла ФЭУ, фильтров и при отражении от светосборников, поглощение при отражении от зеркала (см.стр.14); 1^= ЗД-Ю8 фот-см-2 с-1 стер-1-световой фон ночного неба; г = 1,5 мкс - время интегрирования;

Б = 0,33 м2 = З.З-Ю^см2 - площадь входного окна диафрагмы;

п = 0,08 - телесный угол, осматриваемый одним ФЭУ;

71= 0,04 - квантовый выход для ФЭУ-ПО со светофильтром и шифтером; к с« = 100 - коэф. ослабления фона фильтром.

Реальный порог составлял 80 ф.э. и был обусловлен не влиянием звездного фона, а низким быстродействием регистри -рующей аппаратуры.

Измерение энергетического спектра первичных космических лучей.

При проведении эксперимента оказалось, что заметное влияние на полученные результаты оказывают события обусловленные прохождением заряженных частиц непосредственно через стеклянную колбу ФЭУ. С целью исключения таких событий была проведена серия измерений с закрытой диафрагмой установки, когда внешний свет на ФЭУ не попадал. Полученный спектр амплитуд импульсов вычитался из спектра, полученного при измерениях с открытой диафрагмой.

На рис.6 приведен спектр амплитуд фоновых событий при закрытой диафрагме и результат вычитания этого спектра из спектра амплитуд при открытой диафрагме.

При переходе от этого спектра к энергетическому спектру использовались результаты моделирования.

Основные факторы, определяющие величину систематической погрешности энергии следующие:

1. связь полного потока черенковского света с энергией первичной частицы бралась по результатам работы [Дьяконов М.Н., Ефимов H.H., Кнуренко С.П. и др. Функция пространственного распределения черенковского света ШАЛ с энергией 7 1015-ЗЮ19 эВ// Изв. АН, сер.физ., 1993. 57, *4.. С.86.]. Точность определения энергии по оценкам авторов составляет около 15* ;

2. точность оценки потерь света при отражении от снега, от поверхностей светофильтров, фотокатодов ФЭУ (по литературным данным), составляет около 25% ;

3. квантовый выход фотокатода рассчитан с погрешностью о.

25 % ;

4. из моделирования следует, что ошибка в определении энергии составляет «1056 (см. стр.11).

Таким образом систематическая погрешность при определении энергии составляет 40 %.

Для построения энергетического спектра первичных космических лучей применялись следующие процедуры:

1. значения амплитуд импульсов при измерениях открытыми ФЭУ уменьшались на 201 для учета влияния засветки (света ночного неба);

2. производилось вычитание спектров полученных при измерениях с открытыми и закрытыми ФЭУ;

3. в полученный таким образом спектр вводились поправка, учитывающая некоторое влияние формы импульса на результат измерения амплитуды. Поправка возникает из за того, что анодный импульс ФЭУ, от черенковской вспышки ШАЛ,

регистрируется аппаратурой не в максимуме, а на фронте анодного сигнала, так как мастерная схема аппаратуры запускает процесс измерения при превышении сигналом заданного уровня порога. Учитывая задержку запуска схемы регистрации, равную 0,5 мкс и длительность фронта импульса «1,5 мкс (см. стр.7), можно рассчитать величину поправки, которая зависит от амплитуды заре-' гистрированного импульса и изменяется от I,5 (амплитуда импульса превышает порог <3 раза, до 3 при амплитуде импульса, превы-нающем порог в 10 раз. Погревность поправки не превнвает 8*.

Основная статистика была набрана при мастере М2. На рис. 6 представлены дифференциальный спектр амплитуд при закрытых ФЭУ и разность спектров открытых и закрытых АОУ (с поправками на засветку и форму импульсов) для суммы четырех центральных каналов.

На рис.7 полученный энергетический спектр сопоставлен с совокупностью других экспериментальных данных. В области энергий 2 1016 - 6-101бэВ спектр искажен влиянием порога и его форма согласуется с результатами моделирования (рис. 5).

Выводы. Измерено значение звездного фона я ф

1Ф= (3,1 ± 1,1) Ю8 —- .

си ср с

Проведены измерения потока частиц в области энергий (1,0±0,4)-Ю17 эВ, составляющего (4,0±0,5) -Ю-31 см-2 с-1-ср-1эВ-1, что согласуется с совокупностью имеющихся в этой области данных.Представленные результаты показывают возможность использования данной методики для получения энергетического спектра космических лучей в диапазоне энергий * Ы01бэВ в данной геометрии проведения эксперимента.

Перспективы развития эксперимента. 6 аэростатном варианте проведения эксперимента, при измерении не амплитуды импульса, а его заряда, погрешность, связанная с учетом формы импульса исчезает. Возможно уточнение значения коэффициента "с" (коэффициент, учитывающий отражение от снега, потери света за счет отражения от стекла ФЗУ и при отражении от светосборников, поглощение при отражении от зеркала) и квантового выхода фотокатода ФЭУ. За счет этих факторов погрешность в определении энергии составит менее 40 % во всем диапазоне измерений.

Энергетический порог в нашем случае оказался обусловлен не фоновым светом звездного неба, а низким быстродействием использованной регистрирующей аппаратуры. Используя аппаратуру, обеспечивающую регистрацию только черенковского света ШАЛ (отбор по длительности анодного импульса) с частотой 100 Гц можно было бы снизить порог в 6 раз (на уровень 5с от фона ночного неба). В аэростатном варианте интенсивность отраженного света возрастает « в 7 раз, т.к. интенсивность отраженного от снега света изменяется близко к закону Ламберта [ Кондратьев К.Я., Биненков В.И., Дьяченко Л.Н. и др.Альбедо и угловые характеристики отражения подстилающей поверхности и облаков. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1981 г.С.174.] и пропорциональна косинусу угла между направлением отраженного луча и вертикалью. Соответственно, порог может быть понижен еще в несколько раз. Производя измерения с высоты % 0,7 км можно снизить порог еще в 2 раза. Таким образом реально снизить порог в 100 раз, и измерить спектр с * ЫО15 эВ.

Анализируя форму изображения черенковского пятна и время

регистрации события каждым ФЭУ можно получить информацию о направлении прихода ШАЛ. При этом южно рассчитывать получить данные о спектре начиная с Е =* 1015эВ (при подъеме на высоту =• I км) до нескольких ед.1019эВ (при подъеме на высоту =« 30 км.) единым квазикалориметрическим методом с помощью одной установки.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

1.Проведен цикл методических разработок, позволявши реализовать метод регистрации черенковских вспыиек ШАЛ, отраженных от снежной поверхности;

2. разработана и создана многоканальная аппаратура для регистрации черенковских вспыиек ШАЛ, отраженных от снежной поверхности;

3. проведены наблюдения черенковских вспывек ШАЛ в условиях гор;

4. моделирование работы установки для условий проведенного эксперимента позволило определить эффективную площадь регистрации и получить связь между непосредственно измеряемыми величинами и энергией первичной частицы;

5. в припороговой области анергий (2-Ю16 - 6 1016эВ) искажения формы спектра согласуются с результатами моделирования;

6. измеренная интенсивность потока частиц ПКЛ при анергии (1,0±0,4) -Ю17 эВ составляет (4,0*0,5) 10_31см"2-с-1 ср^эВ-1, что согласуется с совокупностью имеющихся в этой области данных.

В результате выполненной работы осуществлена практическая

реализация нового квазикалориметрического метода измерения энергетического спектра ПКЛ, который дает возможность при использовании достаточно простого, малогабаритного и недорогого прибора обеспечить проведение в дальнейием измерений в широкой области энергий от I015 эВ до нескольких единиц -I0193B.

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в статьях:

1. Антонов P.A., Иваненко И.П., Кузьмин В.А., Федоров А.Н. Аэростатная установка для измерения энергетического спектра первичного космического излучения в области энергий от а. I015 эВ до нескольких единиц IQ19 эВ // Исследования на высотных аэростатах. Краткие сообщения по физике. ФИАН. 1989. М. С.78.

2. Антонов P.A., Петрова Е.А., Федоров А.Н. Измерение энергетического спектра первичного космического излучения в области энергий > I016 эВ методом регистрации отраженного от снежной поверхности черенковского света ШАЛ.Препринт НИИЯФ МГУ 95-4/368.

3. Антонов P.A., Петрова Е.А., Федоров А.Н. Использование отраженного, от снега черенковского света ШАЛ для измерения энергетического спектра первичных космических лучей высоких энергий. //Вестник Московского Университета. Сер.З, Физика. Астрономия. 1995. Т.36. № 4. С.102.

ШАЛ

6,6°

--- ш

1000м

Рис.1 Схема геометрии эксперимента.

Рис. 2 Схема установки: I - зеркальная поверхность, 2 -ФЭУ, 3 - фокальная поверхность, 4 - отверстие диафрагмы, 5 -ограничивающие шторки. И зеркала = 0,75 м, И диафрагмы=0,32 м.

Рис.3 Схема расположения ФЭУ на фокальной поверхности I - ФЭУ, 2 - шестигранные светосборники.

ФЭУ

муяьтмиессор

«паратор

плата амгта

мастера уарааясааа

ЭВМ

Рис.4 Схема канала регистрации.

10-' То

а

г] «

Ш 10

10

10^

-в--5г-ф

Е, эВ

10

Рис.5 Моделирование: разыгранный и восстановленный энергетические спектры,

ю "V

ю

т _

п ■в-

7» 10 ^

10

10

10

..... фэу закрытые разность открытых и закрытых ФЭУ

М 1

» • < и »•

» А

10

102 10' N. ф.э.

Рис.6 Амплитудные спектры зарегистрированных событий. Мастер М2. Сумма центральных ФЭУ .

1.д(1(Е)(Е/1015 эВ)3) (см^с-'ср-'эВ2)

-24

-25

Еа* & * Л * А 4 1

ф

(В

■ III I I I I I I I I I 1 I ■ I I I I I I I 11 I I I II 1111I

15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 1&5

1_д(Е, эВ)

ккхкх ЩУ аооооАжено ♦ Тянь-Шань ллллл Тянь-Шань ООООО сфера

Рис.7 Дифференциальный энергетический спектр Количество событий "Сферы": 209,302,241,158,50; 1:а25час