Методика регистрации одиночных мюонов в водном детекторе на базе черенковских квазисферических модулей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

г-г 5 оа

На правах рукописи

ЯШИН ИГОРЬ ИВАНОВИЧ

МЕТОДИКА РЕГИСТРАЦИИ ОДИНОЧНЫХ МЮОНОВ В ВОДНОМ ДЕТЕКТОРЕ НА БАЗЕ ЧЕРЕНКОВСКИХ КВАЗИСФЕРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор: /М тН-И/К-,

Москва - 1996

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

Научный руководитель : доктор физико-математических

наук, профессор А.А.Петрухин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук,снс Г. В. Домогацкий доктор физико-математических наук,снс Г.И.Мерзон

Ведущая организация : Научно-исследовательский

институт ядерной физики МГУ

Защита состоится 16 декабря 1996 г. в 17 час. 00 мин. на заседаний диссертационного совета К053.03.05 в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете) по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, дом 31, тед.324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан 1996 г.

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

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент сШуЛА/ А.Н.Гудков

Общая характеристика работы.

Актуальность.

Для решения задач, связанных с исследованием частиц высоких энергий, необходимо создание крупномасштабных экспериментальных установок, что обусловлено слабыми потоками таких частиц. С увеличением размеров детекторов становится перспективным, а в некоторых случаях и единственно возможным, использовашге больших водных объемов (естественных или искусственных) в качестве рабочего вещества детектора. Вода, при своей дешевизне, обладает свойствами однородности и изотропности. Кроме того, она является одновременно мишенью для взаимодействия частиц и радиатором черепковского излучения.

Регистрирующие системы большинства созданных до настоящего времени черепковских водных детекторов (IMB, KAMIOKANDE, SUPERKAMIOKANDE) представляют собой совокупность фотоумножителей, расположенных равномерно по внутренней поверхности резервуаров. Реконструкция параметров событий осуществляется по размерам колец, образованных сработавшими фотоумножителями и отражающими проекцию пространственной картины распространения черепковского излучения. Данная методика детально разработана и изучена. Однако для детекторов с периферийной регистрирующей системой существует естественное ограничение на увеличение размеров, связанное с длинной ослабления черепковского излучения в воде. Дальнейшее увеличение размеров рабочего объема установок приводит к необходимости создания регистрирующей системы в виде пространственной решетки, в узлах которой располагаются детектирующие элементы.

Планируемые и pa3Bq)Tbmae.\ibie в настоящее время крупномасштабные глубоководные черепковские водные детекторы (Байкал, DUMAND, AMANDA, NESTOR) будут иметь регистрирующие системы решетчатого типа. Данные установки ориентированы, в основном, на решение задач, связанных с регистрацией мюонов, генерируемых потоком нейтрино из нижней полусферы. Анализ событий основан на время-пролетной методике. Восстановление параметров событий осуществляется по времени прихода черепковского излучения. Амплитудная информация используется в качестве дополнительной при анализе зарегистрированных и реконструированных событий. Для

создания многофункциональных водных черепковских 4 л детекторов необходимо разработать регистрирующие системы с пространственной решеткой светочувствительных датчиков, имеющих изотропный отклик, и способных на основании амплитудного анализа восстанавливать характеристики событий.

Одной из таких установок является Нейтринный Водный Детектор (НЕВОД), создаваемый в настоящее время в МИФИ. Регистрирующая система установки НЕВОД представляет собой пространственную решетку из квазисферических модулей (КСМ). Особенностью установки НЕВОД является отсутствие время-пролетной методики регистрации событий, что позволяет использовать относительно дешевые ФЭУ. Каждый КСМ состоит из 6-ти ФЭУ с плоскими фотокатодами, ориентированными вдоль осей ортогональной системы координат. Особенностями КСМ являются:

- практически изотропный отклик на черепковское излучение от релятивистских заряженных частиц в воде;

- возможность с помощью только амплитудного анализа откликов сработавших ФЭУ определять направление прихода черенковского излучения.

- по отклику сработавших КСМ, расположешилх в узлах пространственной решетки можно определить направление движения частицы. Эти свойства определяют установку НЕВОД как 4л водный черепковский детектор.

Работа выполнялась в рамках Государствешюй научно-технической программы "Физика высоких энергий " (проект У6 НЕВОД) и в соответствии с темами 91-2-607-030, 92-4-607-014 и 944-607-153.

Цель работы: Создание регистрирующей системы для водного детектора НЕВОД-91, развитие методов реконструкции событий, регистрируемых объемной решеткой из квазисферических модулей, и исследование пространственной картины отклика черенковского водного детектора на прохождение одиночных мюонов.

Научная новизна.

1. Создан первый в мире водный детектор НЕВОД-91 с объемной решеткой из квазисферических черепковских модулей.

2. Доказана возможность восстановления треков одиночных мюонов регистрирующей системой, состоящей из пространственной решетки квазисферических модулей на малых базовых расстояниях (до 6-ти метров) без использования время-пролетной техники.

3. Экспериментально исследована пространственная картина распространения черепковского излучения от одиночных мюонов в воде.

Практическая значимость.

1. Подходы _и практические решения, примененные при тестировании и калибровке измерительных модулей, могут быть использованы в других водных черепковских детекторах нового поколения, в том числе и в таких крупномасштабных как проекты КМЗ и Оже.

2. Квазисферичсская комбинация ФЭУ является оптимальной для создания измерительных модулей крупномасштабных многоцелевых водных детекторов космического излучения и позволяет на основании амплитудного анализа регистрировать различные компоненты космического излучения.

3. Разработанная методика реконструкции треков мюонов позволяет восстанавливать характеристики событий на основании только амплитудного анализа. Это дает возможность использовать для создания больших водных детекторов фотоумножители, не обладающие хорошими временными характеристиками, что ведет к значительному удешевлению проектов.

4. Подходы, реализованные в алгоритмах моделирования и реконструкции, имеют общий характер и могут быть использованы в других детекторах.

Личный вклад.

1. Разработаны и сконструированы стенды для комплексного тестирования и калибровки измерительных модулей и элементарных спектрометричсских ячеек модуля - ФЭБов (фотоэлектронных блоков), предложена и реализована методика стандартизации их характеристик.

2. Автор участвовал в проведении длительных экспериментов по изучению свойств квазисферических модулей и обработке их результатов.

3. Под руководством и личном участии автора было проведено тестирование и паспортизация более 2000 фотоумножителей типа ФЭУ-49Б и ФЭУ-125, осуществлена комплексная проверка, калибровка и паспортизация 120 измерительных модулей, сборка и тестирование 70 сцинтшшяционных счетчиков калибровочной системы установки НЕВОД-91.

4. Разработана процедура и проведено развертывание регистрирующей системы установки НЕВОД-91.

5. Создана установка для контроля за прозрачностью воды, используемой в НЕВОДЕ-91, изучены оптические свойства воды.

6. Разработаны алгоритмы и созданы программы реконструкции одиночных мюонов для установок с объемной решеткой из квазисфср ических модулей.

7. Создана программа моделирования процесса регистрации одиночных мюонов в установках с объемной решеткой из квазисферических модулей.

8. Автор участвовал в проведении трех экспериментальных серий на установке НЕВОД-91, в обработке и анализе получешшх результатов.

Автор защищает:

1. Комплексную методику и систему автоматизированных стендов для тестирования, калибровки и унификации характеристик квазисферических модулей.

2. Результаты стандартизации характеристик 120 КСМ, которые позволили осуществить запуск и стабильную работу первой части установки НЕВОД, состоящей из 91 измерительного модуля (546 спектрометрических каналов). .

3. Методы и программы моделирования и реконструкции треков одиночных шоонов, основанные на свойствах квазисферических модулей и амплитудном анализе в on-line режиме.

4. Результаты экспериментального исследования угловой и пространственной точности реконструкции треков одиночных мюонов.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 49 наименований, содержит 81 страницы, в том числе 71 рисунок и 2 таблицы.

Содержание работы.

Регистрирующим датчиком установки НЕВОД является Квазисферический Модуль, который представляет собой симметричную систему, состоящую из шести фотоумножителей с

Рис.1. Регистрация черепковского излучения квазисферическим модулем: т - единичный вектор упрека частицы; пс - единичный

вектор черепковского излучения; Гс - вектор точки испускания черепковского света; г - расстояние между центром модуля и треком частицы; 0С - угол черепковского излучения, Я.^ - вектор, определяющий место расположения модуля в лабораторной системе координат.

у

плоскими фотокатодами, ориентированными по осям ортогональной системы координат (рис. 1).

Такая система обладает свойством квазисферичности , т.к., в общем случае, сумма квадратов амплитуд от трех сработавших ФЭУ и соответствешю о тклик модуля В не зависят от направления прихода черепковского излучения,

где 1-х,у,г; г - расстояние от центра модуля до трека; / -эффективная длина ослабления света в воде; С - константа. В тоже время, подобная квазисферическая система позволяет по сигналам-откликам сработавших ФЭУ определить проекции вектора направления черепковского излучения:

пс1^-{!тну{л11в), (2)

где /1, - сигнал измеренный ФЭБом, направленным вдоль /-той оси, л, - нормаль о к плоскости фотокатода этого ФЭБа.

В качестве светочувствительных элементов модуля установки НЕВОД использовались ФЭУ-49Б и ФЭУ-125. Конструкция КСМ была разработана для эксплуатации в условиях малого гидростатического давления кг/см2). При таких

давлешых прочностные свойства используемых ФЭУ позволяют обеспечить прямой контакт окна фотоумножителя с водой без защитных иллюминаторов, что дает дополнительный выигрыш в светосборе. ФЭУ герметично закрепляются в специальных обоймах, которые уплотняются в трубах модуля. Каждый фотоумножитель в обойме окружен пермалоевым экраном для ослабления влияния магнитного поля Земли на чувствительность фотоумножителя и уменьшения ее зависимости от ориентации детектора в пространстве.

Основные свойства модулей при регистрации одиночных частиц были экспериментально исследованы на партии опытных образцов КСМ в водном резервуаре объемом 8 куб. м. Экспозиция проводилась при регистрации черенковского излучения мюонов с известными параметрами треков, выделяемых системой ецшггилляционных счетчиков. Результаты проведенных

исследований показали, что начиная с расстояний >1 м отклик модуля не зависит от направления прихода черепковского света. Были получены также экспериментальные зависимости амплитуды сигнала отклика ФЭУ от расстояния до грека частицы, утла падения черенковского излучения на фотокатод и коэффициента ослабления света в воде.

Квазисферические модули являются функционально законченными физическими детекторами, каждый из которых представляет собой шесть фотоэлектронных умножителей и внугримодульной электроники. Внутримодульная электроника КСМ обеспечивает оцифровку сигналов всех сработавших ФЭУ модуля, триггирование, промежуточное хранение и передачу 1шформации по специализированной параллельной шине межмодульного сопряжения (ММС). Блок электроники ФЭУ (БЭФ) включает в себя логический анодный канал (ЛАК), который формирует сигналы для внутримодулыюго процессора (ВМП), и спектрометрический канал для преобразования заряда, снимаемого с динодов ФЭУ, в цифровой код. Фотоумножители, укомплектованные БЭФами образуют единый фотоэлектронный блок ФЭБ - основную спектрометрическую ячейку КСМ. Центральный внутримодульный блок (ЦВБ) вырабатывает сигнал двойного совпадения при срабатывашш любой пары ФЭБов (кроме противоположно направленных). Кроме этого, ЦВБ включает в себя импульсный источник света, обеспечивающий возможность тестирования КСМ и контроля стабильности его работы, и внутримодульный интерфейс, обеспечивающий передачу цифровых данных по шине ММС.

Для унификации характеристик КСМ установки НЕВОД была разработана методика подготовки, тестирования и калибровки модулей. Эта процедура состоит из следующих последовательных этапов:

проверка и отбор ФЭУ;

сборка н тестирование внугримодульной блоков электроники ФЭУ (БЭФ) и центральных внутрпмодульных блоков (ЦВБ);

- сборка уплотшггелыпдх обойм вместе с ФЭУ (ФОБ);

- тестирование ФЭУ вместе с БЭФами (ФЭБ);

- сборка корпусов модулей вместе с ФОБами и разъемами для кабельных коммуникаций;

проверка прочности корпусов модулей и гидроизолляционных свойств всех уплотиительных

соединешш;

- проверка работоспособности комплекта шести ФЭБов вместе с соответствующим ЦВБ;

окончательная сборка модуля;

- тестировать всех режимов работы модуля; комплектация модулей в гирлянды;

- тестирование работоспособности гирлянды модулей совместно с внешней системой сбора и обработки информации;

размещение гирлянд модулей в рабочем объеме установки НЕВОД.

Соответственно была разработана технологическая процедура, позволяющая последовательно, этап за этапом, осуществить весь приведенный выше цикл. Для этого была создана система проверочных и калибровочных стендов, предназначенных для тестирования характеристик как отдельных узлов, так и всего модуля в целом.

Для реализации методики отбора и мониторирования ФЭУ был создан стенд №1 КАЛИФ-80, позволяющий проводить одновременное тестирование характеристик 80 ФЭУ в автоматическом . режиме в течение длительного времени. В результате предварительно проведенных методических исследований была выработана следующая процедура отбора и калибровки ФЭУ для установки НЕВОД:

1. Производится выравнивание ФЭУ по амплитуде сигнала отклика на стандартную подсветку, чтобы коэффициент преобразования а-Мфт/А АцП, (Иф0т - количество фотонов попадающих на фотокатод ФЭУ, Алцп - код сигнала на АЦП ), был одинаковым для всех ФЭУ. Это осуществляется регулировкой напряжения питания ФЭУ.

2. В течение не менее 6 часов после начала измерений контролируется стабильность спектрометрических и шумовых характеристик ФЭУ.

При отборе ФЭУ по результатам проверки в установке КАЛИФ для комплектации модулей учитываются следующие параметры:

1. Величина рабочего напряжения питания ФЭУ после выравнивания по амплитуде - II.

2. Эффективный квантовый выход фотокатода, измерешшй относительно опорного ФЭУ - г

3. Частота одноэлектронных шумов ФЭУ - Рпо1

4. Среднее значение распределешы сигналов-огкликов на подсветку по времени прихода для спектра, близкого к одноэлектронному - Тр1к и ширину распределения на полувысоте - Г НИМ.

Результаты тестирования каждого ФЭУ заносились в паспорт фотоумножителя, на основании которого производилась селекция ФЭУ для комплектации в модули. Коэффициент отбора составил примерно 30% от общего числа проверенных ФЭУ.

Для проверки прочностных характеристик окна ФЭУ, а также гидроизолляциошплх свойств всех уплотпительных соединений корпусов модулей использовался стеид №2, представляющий собой водонаполняемый бак, обеспечивающий гидростатическое давление до 2 кг/см2.

После наладки БЭФа и его проверки в ручном режиме (выставляются величина пьедестала АЦП, чувствительность АЦП, порог срабатывания формирователя и другие параметры) БЭФ тестируется на стандартном ФЭУ . Эта процедура осуществляется на специальном стенде № 3. Стеид изготовлен таким образом, что его можно использовать для калибровки спектрометрических трактов при регистрации фотоумножителем черенковского света от мгоонов в воде (д;1Я абсолютной калибровки спектрометрического тракта), а также для проверки работы БЭФов с использованием синих светодиодов. Электронная схема стенда соответствует электронной схеме установки НЕВОД. При подготовке и наладке БЭФов снимаются спектры сигналов от подсветки ФЭУ светодиодами. Спектры сравниваются с аналогичными, полученными на контрольном БЭФе.

ФЭБ является элементарной спектрометрической единицей модуля. Для его проверки и тестирования используется 4-й стенд технологической цепочки ФЭУ-БЭФ-ФЭБ-КСМ. Этот стенд позволяет работать с одним ФЭБом, измеряя его шумовые и спектрометрические характеристики. Снимается спектр шумовых импульсов и измеряется частота шумов при рабочем значении напряжешш питания ФЭУ. Кроме того, проверяется линейность передаточных характеристик ФЭБа. При необходимости на

данном стенде может быть вновь изменен коэффициент усиления электронной схемы, а также порог срабатывания ФЭБа.

Паспорта прошедших проверку на стенде ФЭБов заносятся в базу данных. На основании этих данных осуществляется комплектация ФЭБов в группы по шесть штук для установки в модулях.

Работоспособность 6 ФЭБов вместе с центральной платой модуля и внутримодульным источником света осуществляется на специальном стенде № 5. Проверка носит качествашый характер, т.е. проверяется работоспособность всех составных частей модуля непосредственно перед их размещением в корпусе. Этот стенд обладает термостатическими свойствами, позволяющими осуществлять тестирование модулей в режиме повышенной температуры.

Проверка работоспособности модуля в целом (с использованием внутримодульного источника света) осуществляется на стенде №6. Проверяются все режимы работы модуля при подсветке от внутримодульного источника света.

Комплексное тестирование всех режимов работы модулей осуществляется на стенде № 7. Для подсветки используется внешний источник света на основе cimero светодиода. По световодам свет от вспышек светодиода разводится по колпакам, которые надеваются на корпус модуля таким образом, чтобы каждый ФЭУ подсвечивался через свой световод. Предварительно все световоды калибруются на одном ФЭУ, чтобы обеспечить идентичность световых потоков, падающих на каждый ФЭУ модуля. Кроме того, в каждом колпаке размещен красный светодиод, амплитуду сигнала поджига на которого можно регулировать индивидуально. На стенде проводится окончательное выравнивание ФЭБов по амплитудам откликов на стандартную подсветку. Кроме того, снимается зависимость амплитуды и эффективности отклика модуля на подсветку от амплитуды импульса поджига светодиода. С помощью вспышек красных светодиодов проверяется работа центральной платы модуля (формирование триггер ных сигналов модуля), а также эффективность попарных срабатывашш ФЭУ в модуле. Данные проверки модуля на стенде заносятся в паспорт модуля, на основании анализа которого делается заключение о возможности использования модуля в установке.

Прошедшие процедуру тестирования модули собираются в гирлянды и перед монтажем в водном бассейне проверяются вместе

с внешней системой формирования триггера (ВСФТ). После этого гирлянды КСМ размещаются в рабочем объеме установки.

Детектор НЕВОД расположен на поверхности Земли и предназначен для регистрации различных компонентов космических лучей. Конструктивно установка включает в себя специальный водный резервуар объемом 2000 куб. м с системой -водоподготовки, обеспечивающей очистку и заливку. воды, и необходимое техническое и технологическое оборудование для проведения монтажных и испытательных работ. Регистрирующая система детектора представляет собой пространственную решетку, в узлах которой расположены квазисферические модули (КСМ), регистрирующие черепковское излучение в воде. Шаг решетки обеспечивает пространственное пересечение зон эффективной регистрации модулей. Конструктивно решетчатая структура детектора обеспечивается размещением КСМ в вертикальных гирляндах, состоящих из 3 и 4 модулей. Гирлянды образуют плоскости. Размеры водного бассейна установки НЕВОД позволяют разместить 19 плоскостей (241 КСМ ). С помощью системы крепления гирлянд можно гибко видоизменять конфигурацию детектирующей системы в зависимости от решаемых задач. В настоящее время реализована регистрирующая система установки НЕВОД-91, представляющая собой пространственную решетку, состоящую из 91 КСМ и образующую практически симметричную кубическую структуру, обеспечивающую возможность регистрации одиночных мюонов и каскадных ливней из любого направления с одинаковой эффективностью.

Набор триггер ных сигналов, вырабатываемый внутримодулъной электроникой КСМ анализируется внешней системой формирования триггера, которая служит для синхронизации и управления всеми режимами работы КСМ, а также формирования и первичного анализа отклика установки НЕВОД на различные типы регистрируемых событий. Система управления установкой обеспечивает управление проведения экспериментальных измерений, мониторирования, тестирования основных узлов и осуществляет первичную обработку информации.

Для выделения из потока космических лучей шоонов с известными параметрами греков используется Система Калибровочных Телескопов (СКТ). Данные о регистрации таких мюонов позволяют проводить калибровку модулей установки НЕВОД в течение длительных сеансов измерений и проверять

эффективность различных методик восстановления треков мюонов по данным от модулей. Полная система включает в себя 74 верхних сцинтилляционных счетчиков (расположенных на крышке водного бассейна) и 74 нижних (расположенных на дне бассейна). В настоящее время в установке НЕВОД-91 задействовано по 32 сцинтилляционных счегчика. Каждый счетчик состоит из герметичного дюралевого корпуса, в котором расположены сцинтилляционная пластина, конический световод, ФЭУ-85 и усилитель. При подготовке счетчиков производился отбор ФЭУ-85. Рабочее напряжение питания ФЭУ определялось таким образом, чтобы обеспечить следующие характеристики :

- эффективность срабатывания счетчика при прохождении мюона через пластину сцинтиллятора >0.95

- частота шумов счетчика, Гц <120

Для стандартной калибровки используются вертикальные телескопы. Для калибровки модулей в широком диапазоне амплитуд используются мюоны, выделяемые другими парами счетчиков (всего 992 возможных положений греков мюонов).

Сцинтилляционные счетчики располагаются на крышке и дне водного резервуара таким образом, чтобы оси образуемых ими вертикальных телескопов находились посередине между ближайшими четырьмя гирляндами. При этом, расстояние до центра модулей может быть 1.25 ми 1.0 м, т.к. шаг решетки вдоль бассейна составляет 2.5 м, а поперек - 2.0 м. Черепковское излучение одиночных мюонов, выделяемых вертикальными телескопами засвечивает по два ФЭУ в каждом модуле окружающих телескоп гирлянд. Это дает возможность получить для каждого фотоумножителя зависимость М<рот от Лацп, которая является основной калибровочной характеристикой данного ФЭБа (см.рис.2).

Для обеспечения необходимой чистоты и стерильности воды, используемой в установке НЕВОД, контроля ее характеристик в течении длительных экспериментальных серий была разработана система водоподготовки, включающая в себя системы фильтрации и бактерицидной очистки, установку текущего мониторинга показателя ослабления света в воде. Свойства используемой в установке НЕВОД-91 воды изучались отдельно. Усредненная длина ослабления света в воде в диапазоне чувствительности ФЭУ-49Б оказалась равной 4.5 м.

70 N (фотонов)

ai отекшиацп ) ____На основании

таких свойств КСМ, как независимость отклика от направления прихода черепковского излучения, а также возможность восстанавливать его направление, были

разработаны достаточно простые и эффективные метода быстрого анализа событий и реконструкции параметров треков

одиночных MIOOHOB в Рис.2. Амплитудная зависимость ФЭБа установке НЕВОД. от интенсивности черепковского для исследования

излучения особенностей отклика

установки НЕВОД при регистрации одиночных мюонов, сравнения различных алгоритмов реконструкции была создана программа моделирования процесса регистрации одиночных мюонов установкой НЕВОД. Алгоритм моделирования состоит из следующих блоков:

1. Розыгрыш треков мюонов. Программа включает в себя задание системы координат относительно рабочего объема детектора, размещение массива модулей и системы сцинтилляциониых счетчиков относительно начала координат. Предусмотрено два алгоритма розыгрыша треков: мюоны, пересекающие сцинтилляционные счетчики и шооны, проходящие через любую точку рабочего объема детектора.

2. Определение числа фотонов, пришедших на фотокатоды ФЭУ. В качестве зависимости числа фотонов, падающих на фотокатоды ФЭУ, от взаимной ориентации модуля и трека была взята эмпирическая формула, полученная в результате исследования отклика модуля на черенковское излучение мюонов в воде:

С • cosa

Л =-

■еха -

- _ (3)

(г + Л) \ l sinOc

где параметр А описывает поведение функции на расстояниях, сравнимых с геометрическими размерами фотокатода.

Для случаев, когда необходимо определить более точное значение числа черенковских фотонов, использовалась про1рамма, основанная на розыгрыше судьбы фотонов.

3. Моделирование одноэлектронных спектров. Для моделирования параметров одноэлектронных импульсов на выходе ФЭУ использовалась аппроксимация РОИЗ отрицательным биномиальным распределением. Значения этой функции табулировались и заносились в память ЭВМ. Для моделирования джиттера ФЭУ использовалось з а т а б улир о в а нн о е экспериментально измеренное временное распределение одноэлектронных сигналов.

4. Моделирование многоэлектронного сигнала осуществляется розыгрышем п значений 2/е' 11 Л/ зарядов и времен прихода одноэлектронных сигналов на выход ФЭУ (/=1,...,п), На основании этих данных формируется форма многоэлектронного импульса. Момент времени срабатывания БЭФа соответствующего ФЭУ определяется временем превышения многоэлектронным сигналом порога формирователя.

5. Моделирование джиттера КСМ.

Время срабатывания модуля определяется временем совпадения двух сигналов сработавших ФЭУ внутри временного интервала 80 нсек. Если в течении 80 нсек, начиная с этого момента времени, поступит сигнал с третьего фотоумножителя, то на КСМ будет обеспечено тройное совпадение.

Методика реконструкции событий в установке НЕВОД определяется как физическими свойствами черенковского излучения релятивистских заряженных частиц в воде, так и особенностями регистрирующей системы.

Особенности регистрации одиночных мюонов изучались при детектировании событий, выделенных системой калибровочных телескопов. События, регистрируемые детектором при срабатывании системы калибровочных телескопов использовались как для калибровки КСМ, так и для изучения отклика установки НЕВОД-91. На основании анализа отклика детектора при регистрации мюонов, выделенных системой калибровочных телескопов, а также при сравнешш с результатами моделировании была реализована следующая процедура выделения МЮ0Ш1ЫХ событий:

1. В каждом событии подсчитывается количество срабатываний модулей ; количество модулей Л:, у которых

нет запрещенных срабатываний и Nфэу <3; суммзрнос

количество сработавших ФЭУ в каждом направлении Nj, N2, N3, N4, N5, N(5 (по номерам сработавших в модуле фотоумножителей, которые направлены по осям координат).

2. Вычисляются координаты всех сработавших ФЭУ.

3. Отбираются события у которых 8<Л^Ш<25. Это условие было получено на основашш анализа отклика регистрирующей системы установки НЕВОД-91 при детектировании одиночных мюонов, выделяемых системой калибровочных телескопов.

4. Огбираются события, у которых Аг>6. Это требование необходимо для дальнейшей реконструкции.

5. Определяется направление движения шоона.

6. Отбираются события, у которых количество сработавших модулей в крайних плоскостях решетки детектора Л*,-< 5 (где i - номер плоскости). Это вызвано необходимостью отсечь краевые события.

7. По положению центра тяжести распределения координат сработавших ФЭУ отбрасывались события, произошедшие в установке вне чувствительного объема, черепковское излучение которого было зарегистрировано решеткой КСМ.

Событие, прошедшее все этапы отбора идентифицировалось как "мюогаше" и его геометрические параметры оценивались с помощью on-line программы реконструкции.

Для каждого сработавшего ^-модуля по амплитудам сигнал о п от ФЭУ (с учетом калибровочных коэффициентов) по формулам (1)-(2) вычисляются расстояние до трека лу и единичный вектор черепковского излучения, падающего на j-ый модуль ncj

(рис.1). На основании формул (1) и (2) были разработаны два алгоритма, позволяющие оценивать параметры треков одиночных мюонов на стадии on-line анализа.

Первый алгоритм. 1. Единичный вектор трека т находится минимизацией суммы

S20= iicosp -cose$ > (5)

Л '

где cosPj = (ncj - г) - косинус угла между единичным вектором г

искомого трека и вектором излучения, падающего на j-ii модуль;

N - количество сработавших модулей.

2. Далее определяется точка центра тяжести массива сработавших модулей, которая, вместе с единичным вектором т определяет в пространстве искомый трек.

Достоинством данного алгоритма является то, что реконструкция параметров трека слабо зависит от его светимости. Основным недостатком данного алгоритма является необходимость срабатываний достаточно большого количества модулей для получения удовлетворительной точности реконструкции.

Второй алгоритм основан на восстановлении точки испускания зарегисгрировашшго модулем черепковского излучения (см.рис.З).

1. Путем решения трансцендентного уравнения (1) относительно гс = г/.ипОс определяется точка испускания черенковского излучения на трейе, зарегистрированного каждым сработавшим модулем.

2. Находится центр тяжести пр остр анственного распределения точек ту.

7=1 / М

где N - количество сработавших модулей.

3. Параметры искомого трека

(6)

определяются суммы

Sl^hvrd2

мипимизациеи

7=1

1

(7)

d;

где точкой

Рис.3.

использован при on-line анализе одиночных мюонов в установке НЕВОД-91.

- расстояние между ]-н найденной по отклику }-го модуля и искомым треком г, Щ - статистический вес.

Этот алгоритм был и реконструкции треков

Для исследования программы реконструкцхш параметров треков были использованы смоделировашше как изотропный спектр шоопов, проходящих через .рабочий объем установки НЕВОД-91, так и спектр мюонов, выделяемых системой калибровочных телескопов. Средняя ошибка восстановления вектора направления треков разыгранных мюонов (утол между разыгранным и восстановленным треками) составляет ЛТ- 5,9° ± 4,0°. Ошибка восстановления пространственных координат разыгранных треков составляет Лг =0,22 + 0,12 м.

Рис.4. Точки пересечения реконструированных треков мюонов, выделенных системой калибровочных телескопов, с верхней (а) и нижней (б) плоскостями сцинтилляционных счетчиков.

Для экспериментальной проверки работы методики on-line реконструкции треков одиночных, мюонов были использованы события, зарегистрированные водным детектором при прохождении мюонов через калибровочные телескопы. Средняя величина реконструированных зенитных углов

зарегистрированных мюонных треков согласуется с углами, задаваемыми осями телескопов. Формы реконструированных угловых распределений для реальных и смоделированных событий являются подобными. Средняя ошибка восстановления направлешш реальных треков мюонов составила А У =7.5°. Средняя ошибка восстановлешш пространственных координат треков шоонов, выделяемых системой калибровочных телескопов составила Аг а0.5 м. Полученные точности восстановления треков одиночных мюонов, выделяемых телескопами находятся в согласии с оценками, полученными при реконструкции смоделированных треков одиночных мюонов. СКТ установки НЕВОД-91 позволила проверить методику реконструкции в диапазоне зенитных уг лов от 0° до 50°. На рис.4 показана мюонограмма, иллюстрирующая результаты восстановления треков одиночных мюонов, выделенных системой калибровочных телескопов. На ней показаны распределения точек пересечения реконструированных треков с верхней (а) и нижней (б) плоскостями сцинтилляционных счетчиков. Области с максимальной плотностью точек соответствуют местам расположения счетчиков. На мюонограмме хорошо видны неработавшие счетчики.

С помощью программы on-line рсконструкщш была исследована пространственная картина отклика установки НЕВОД на прохождение одиночного мюона. Для уменьшения влияния краевых эффектов, использовались реконструированные треки одиночных шоонов, лежащие в цилиндре радиусом 1 метр, ось которого проходит вертикально через центр установки. Для независимой проверки анализировался отклик детектора на мюоны, выделяемые СКТ и проходящие через 16 телескопов, образованных 4 счетчиками па крышке и 4 на дне бассейна в его центральной части. Зависимость эффективности регистрации одшючных шоонов КСМ от расстояния до трека согласуется с результатами . моделирования и реперными точками от сцинтилляционных детекторов.

Заключение.

Основные результаты работы:

1. Разработана комплексная методика тестирования и калибровки квазисферических модулей, которая позволила создать гибкую технологическую цепочку специализированных автоматизированных стендов для тестирования, отбора и калибровки КСМ и всех составляющих их элементов.

2. Проверено и паспортизировано около 2000 фотоумножителей типа ФЭУ-49Б и ФЭУ-125, исследованы и стандартизированы характеристики более 120 измерительных модулей.

3. На основании результатов анализа тестирования КСМ получены параметры, необходимые для дальнейшего использования в программах моделирования и реконструкции.

4. Разработана и создана система водоподготовки установки НЕВОД. Изучены оптические свойства воды, используемой в качестве рабочего объема детектора.

5. Разработана система развертывания регистрирующей системы, которая позволила создать установку НЕВОД-91 для регистрации космических мюонов, обладающую свойствами 4тт детектора.

6. Создана программа моделирования процесса регистрации одиночных мюонов в установке НЕВОД с учетом экспериментально полученных параметров детектирующей системы и зависимостей отклика квазисферических модулей на черепковское излучение от одшючных частиц. Анализ моделирования процесса регистрации шоонных событий в установке НЕВОД позволил разработать методику выделегаш мюонов среди других компонент космического . излучения

7. Разработана методика и созданы программы быстрой online идентификации шоонных событий и реконструкции параметров треков одшючных мюонов в установке НЕВОД. Алгоритмы реконструкции были проверены при восстановлении треков одиночных мюонов, выделяемых системой сцинтилляпиоиных -телескопов. Средняя ошибка восстановления направления реальных треков одиночных мюонов составила ± 7.5°. Средняя ошибка восстановления

пространственных координат треков мюонов составила ±0.5 м.

8. Изучена пространственная картина отклика детектора при регистрации одиночных мюонов

9. Доказано, что пространственная решетка квазисферических измерительных модулей позволяет только на основании амплитудного анализа восстанавливать параметры треков одиночных мюонов, пересекающих рабочий объем детектора.

Публикации:

Основные результаты докладывались на 9 международных и 2 национальных конференциях: 21th ICRC, 6-19 Jan., 1990, Adelaide, Australia; 22nd ICRC, 11-23 Aug., 1991, Dublin, Ireland; Workshop on Detector and Event Simulation in High Energy Physics", 1991, Amsterdam, Netherland; 6th Int. Workshop on Neutrino Teleskopes, 22-24 Feb., 1994, Vcnezia, Italy; 24th ICRC, 24 Aug.-8 Sept., 1995, Roma, Italy; The Int. School "Particles and Cosmology", 20-22 Apr., 1995, Baksan Valley, Kabardino-Balkaria, Russia; XVth ECRS, 26-30 Aug., 1996,Perpignan, France; UN/ESA Workshop on Basic Space Science, 9-13 Sept., 1996, Bonn, Germany; 1-я Всесоюзная конференция "Исследования шоонов и нейтрино в больших водных объемах", 1983, Алма-Ата, Казахстан; Всесоюзное совещание "Перспективы осуществления проекта ДЮМАНД в Тихом Океане", 1986г., г.Владивосток, СССР; Международная конференция по космическим лучам, 1996 г., Москва.

Результаты диссертации опубликованы в следующих основных публикациях:

1. В.М.Айнутдинов, И.А.Дашшьченко, И.И.Яшин "Реконструкция треков одиночных шоонов в установках типа ДЮМАНД", "Исследования мюонов и нейтрино в больших водных объемах", Труды первой Всесоюзной конференции - Алма-Ата: Изд-во КазГу, 1983, с.96.

2. В.Г.Алалыкин, С.Б.Гавшин, И.А.Данильченко, А.А.Петрухип, Г.А.Потапов, И.И.Яшин "Оптический квазисферическии модуль установки НЕВОД". "Исследования мюонов и нейтрино в больших водных объемах", Труды первой Всесоюзной конференции - Алма-Ата: Изд-во КазГу, 1983, с.101.

3. А.В.Абин, В.М.Айнутдинов, В.Г.Алалыкин, И.А.Данильчснко, С.Б.Гавшин, А.А.Петрухин, И.М.Пенин, Г.А.Потапов, В.В.Шутенко, И.И.Яишп, "Квазисферический черепковский детектор заряженных частиц в воде". Препринт МИФИ 069-86, Москва, (1986).

4. И.А.Данилъченко, И.И.Яшнн. "Моделирование отклика черенковского водного детектора при регистрации мюонов и электромагнитных ливней в воде". Всесоюзная конференция "Перспективы развертывания проекта DUMAND в Тихом Океане". Владивосток, 1986, стр.9.

5. V.M.Aynutdinov, V.G.Alalykin, I.A.Danilchenko, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, I.I.Yashin. "The response simulation of the Cherenkov Water Detector NEWAD to cosmic ray muons". Workshop on Detector and Event Simulation in High Energy Physics", Amsterdam,the Nethcrland. 1991.

6. V.M.Aynutdinov, V.V.Kindin, S.A.Kiselev, A.A.Petrukhin, G.A.Potapov, P.V.Tkachenko, V.V.Shutenko, I.I. Yashin. "NEVOD- Neutrino Water Detector on the Earth's Surface". The Int. School "Particles and Cosmology", 1995, World Scientific, Singapore, p.291.

7. B.M. Айнутдинов, А.А.Петрухин, Г.А.Потапов, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. "НЕВОД - многоцелевой черепковский детектор на поверхности Земли". Изв. РАН, сер. физ., 58, N 12 (1994) с. 142.

8. V.M.Aynutdinov, V.V.Kindin, S.A.Kiselev, Kokoulin R.P., Petrukhin A.A.,Potapov G.A., Shestakov V.V.,Shutenko V.V., Tkachenko P.V., Yashin 1.1.. "NEVOD - multipurpose neutrino water detector on the Earth's surface". Biannual report. '93,94. M.: MEPhI (1995) p. 17.

9. V.M.Aynutdinov, V.V.Shutenko, I.I.Yashin. "Reconstruction of Events in a Water Detector with Quasispherical Modules". Proc. 24th ICRC, Roma, 1 (1995) 1072.