Повышение эффективности работы установок для регистрации космических лучей аппаратными средствами

Волченко, Владимир Иванович

Повышение эффективности работы установок для регистрации космических лучей аппаратными средствами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Волченко, Владимир Иванович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Повышение эффективности работы установок для регистрации космических лучей аппаратными средствами»

Автореферат диссертации на тему "Повышение эффективности работы установок для регистрации космических лучей аппаратными средствами"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

Волченко Владимир Иванович

Повышение эффективности работы установок для регистрации космических лучей аппаратными средствами

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА-2005

юмо

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

Волченко Владимир Иванович

Повышение эффективности работы установок для регистрации космических лучей аппаратными средствами

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 2005

Работа выполнена в Лаборатории подземного сцинтилляционного телескопа Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук В. Б. Пешков

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

кандидат физико-математических наук

Р.П.Кокоулин (МИФИ)

А.А.Смольников

(ЛЯПОИЯИ)

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова (НИИЯФ МГУ)

Защита диссертации состоится « »_2005 года в_час.

_мин. на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 Института

ядерных исследований РАН по адресу: 117312 Москва, проспект 60-летия Октября, дом 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН (Москва, проспект 60-летия Октября, дом 7а)

Автореферат разослан « »__2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.119.01

кандидат физико-математических наук Б.А.Тулупов

(РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

СПтрвугг Щ

Общая характеристика работы

Актуальность работы. На базе Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН созданы установки «Ковер», Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ) и установка «Андырчи», вместе представляющие собой научный комплекс. Каждая из этих установок была построена для решения целого ряда фундаментальных задач, связанных с изучением, как ядерных процессов, так и астрофизических явлений. Установки находятся в горах Северного Кавказа в Баксанском ущелье на высоте 1700м над уровнем моря.

Создание такого комплекса установок стало возможным благодаря применению современных электронных систем, позволяющих не только автоматизировать процесс получения и накопления информации, но и обеспечить эффективный контроль работы каждого детектора установки и самой системы регистрации.

В последние годы быстрое развитие вычислительной техники и ее элементной базы привело к значительному усовершенствованию автоматизированных систем сбора и регистрации потоков информации, что позволило увеличить эффективность работы физических установок по быстродействию, по возможности контроля за параметрами измерительных систем, а также позволило решать ряд системных логических операций программными методами.

Вместе с тем, исходным звеном получения информации служат аналоговые приборы, непосредственно примыкающие к детектирующим устройствам, и осуществляющие первичную обработку регистрируемых сигналов. Поэтому, основная задача этой работы состоит в решении таких ключевых проблем совершенствования аналоговой аппаратуры, как достижение максимальных диапазонов измерения энергии, выделяемой в детекторах, оптимизация электронных трактов по шумовому критерию,

отбраковка шумоподобных сигналов и помех, повышение температурной и долговременной стабильности параметров, защита установок или отдельных электронных узлов от воздействия атмосферного электричества.

Цели представляемой диссертации

Разработать и применить новые аналоговые электронные устройства для установок ПСТ, «Андырчи», «Ковер» с целью:

а) улучшения параметров логарифмических преобразователей амплитуды в длительность;

б) обеспечения контроля параметров преобразователей амплитуды в длительность (код);

в) понижения шумового фона на БПСТ по программе «Коллапс» для уменьшения вероятности имитаций в режиме регистрации нейтринных сигналов от взрывов сверхновых звезд;

г) защиты установки «Адырчи» в периоды грозовой активности;

д) повышения температурной стабильности сцинтилляционных детекторов.

Новизна работы

1. Разработаны комбинированные логарифмические преобразователи амплитуды в длительность с временной привязкой к анодному сигналу для установки «Андырчи», не применяемые ранее на аналогичных установках.

2. Разработаны новые логарифмические и линейные преобразователи амплитуды в длительность, нечувствительные к послеимпульсам

3. Разработана новая методика контроля параметров логарифмических преобразователей, отличающаяся от ранее используемых тем, что изменение тестирующих сигналов во времени по экспоненциальному закону позволило получить равномерное распределение ошибок во всем диапазоне измерения нелинейности исследуемого преобразователя.

4. Разработано новое электронное устройство для БПСТ, позволившее уменьшить импульсный шумовой фон на телескопе в режиме регистрации одиночных событий.

5. Разработана система молниезащиты высокогорной установки «Ан-дырчи», использующая систему новых, оригинальных молниезащитных средств.

6. Разработаны новые устройства термостабилизации сцинтилляцион-ных детекторов для установок «Андырчи» и «Ковер».

Практическая и научная значимость

1. Разработанные широкодиапазонные логарифмические преобразователи с временной привязкой к переднему фронту импульса ФЭУ, позволили не только производить измерения энерговыделения в сцинтилляционных детекторах, но и повысить точность в определении направления прихода ШАЛ. Это исключило необходимость применения дополнительных устройств временной привязки и позволило уменьшить поправочные коэффициенты в определении углового положения оси ливня.

2. Разработаны также новые типы логарифмических КС-преобразователей амплитуды (заряда) в длительность с подавлением послеимпуль-сов ФЭУ, а также логарифмические ЬС- преобразователи, нечувствительные к послеимпульсам ФЭУ.

3. Применение двупороговых селекторов длительности анодных сигналов позволило снизить шумовой импульсный фон на внутренних плоскостях ПСТ за счет отбраковки импульсов нестандартной формы, что уменьшило вероятность появления ложных событий по программе «Коллапс».

4. Разработанная система молниезащиты физических установок, работающих на открытой местности, существенно снизила вероятность

выхода из строя электронных узлов от дистанционного воздействия молнии, что позволило значительно увеличить время непрерывного набора данных.

5. Термостатирование сцинтилляционных детекторов позволило значительно повысить эффективность их работы применительно к вариационным исследованиям при изучении анизотропии первичных космических лучей и сезонных изменений интенсивности вторичных космических лучей.

6. Результат вышеперечисленных работ в большинстве случаев реализован в виде универсальных приборов и систем, испытанных многолетней практикой. Они могут применяться не только на установках для исследования космических лучей, но и для решения широкого круга исследований в долговременных физических экспериментах.

Апробация работы

Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались на Всесоюзной конференции по космическим лучам / Самарканд, 1992 ( Изв. АН, сер физ., т.57, 1993, в.4, с.99-102), Международной конференции по космическим лучам /Калгари, Канада, 1993г.,а также на семинарах Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.

Публикации и объем работы

Основные результаты диссертации опубликованы в 11-й работах Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 136 страниц, включая 55 рисунков и список литературы из 57 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный логарифмический преобразователь с временной привязкой к фронту импульса ФЭУ, имеет динамический диапазон 2-Ю4.

Точность временной привязки 1-^7 не в зависимости от амплитуды измеряемого импульса.

2. Представленный двупороговый селектор длительности, позволяет снизить шумовой фон внутренних плоскостей ПСТ в режиме регистрации одиночных событий по программе «Коллапс» на ~38% и в несколько раз уменьшить вероятность имитации коллапеных событий.

3. Разработанная комплексная система молниезащиты установки «Андырчи», снизила годовые потери информации по регистрации космических лучей, связанные с послегрозовым ремонтом аппаратуры, на -50%.

4. Термостатирование больших сцинтилляционных детекторов на основе уайт-спирита на уровне ± 0,25"С в диапазоне -20"С 29°С позволило стабилизировать их чувствительность в указанном диапазоне температур на уровне ±0,1%, а термостатирование пластических сцинтилляционных детекторов с точностью ±(0,1- 0,2)°С стабилизировало их чувствительность на уровне ±(0,01- 0,02)% и дало возможность решать вариационные задачи, а также изучать анизотропию ПКЛ без поправочных температурных коэффициентов.

Содержание диссертации

Во введении дается общее представление о Зх экспериментальных установках для изучения космических лучей: «Ковер», БПСТ, «Андырчи». Дается общий план взаимного расположения установок, приводятся их основные характеристики, поясняется назначение каждой из них.

В первой главе приводится краткое описание электронных систем получения и сбора информации вышеупомянутых установок на примере упрощенных структурных схем. Рассматриваются вопросы построения цифровой и аналоговой электроники, предназначенной для решения всего круга задач конкретных установок. Описание электронной структуры уста-

новок необходимо для правильного понимания разработок, предлагаемых в остальных разделах диссертации.

Во второй главе проводится анализ возможностей сцинтилляцион-ных детекторов для широкодиапазонных энергетических измерений В частности, рассматриваются вопросы нелинейности фотоумножителей в режиме измерения больших токов и нелинейности, связанной с влиянием нагрузки в каскадах умножения, стоящих после каскада, соединенного с измерительным устройством. Большое внимание уделяется тому обстоятельству, что на установках, предназначенных для регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) и телескопе наряду с измерениями энерговыделения в детекторе требуется измерение весьма коротких промежутков времени между двумя событиями. Получение хорошего временного разрешения особенно затруднительно когда в составе большого сцинтилляционного детектора используется фотоумножитель с большой площадью фотокатода, предназначенный для энергетических измерений и не имеющий хороших временных характеристик Показаны пути наиболее корректных изменений в режиме питания ф.э.у для повышения его быстродействия без значительного ухудшения таких его основных параметров, как усиление, шумы, диапазон преобразуемых световых сигналов, уровень послеимпульсов.

Далее, рассматриваются варианты измерения энерговыделения в детекторе при помощи аналого-цифровых преобразователей Описывается логарифмический КС-преобразователь амплитуды в длительность с временной привязкой, разработанный для установки «Андырчи» Эти преобразователи установлены на 37 детекторах для измерения энерговыделения и фиксации момента срабатывания детектора, необходимого для определения направления прихода ШАЛ по время-пролетной методике. Преобразователь имеет два канала: измерительный, в котором

происходит преобразование импульса тока 12го динода ф.э.у. в длительность выходного импульса, и временной, в котором осуществляется временная привязка переднего фронта выходного импульса к переднему фронту импульса анодного тока. Динамический диапазон преобразователя совместно с фотоумножителем ФЭУ-49Б составил 2-103 при постоянной относительной погрешности во всем диапазоне измеряемых сигналов 10%, хотя рабочий диапазон самого преобразователя 2-104. Погрешность, вносимая преобразователем совместно с фотоумножителем при определении направления прихода ШАЛ составила 3% от общей погрешности определения угла.

Несколько разделов данной главы посвящено подробному описанию новых преобразователей амплитуды в длительность с временной привязкой, нечувствительных к послеимпульсам ф.э.у., разработанных для модернизации установок «Ковер», БПСТ и «Андырчи». В последнем разделе этой главы описана методика измерения дифференциальной нелинейности преобразователей амплитуды в длительность, имеющих на входе линейный пропускатель. Погрешность однократного измерения нелинейности по данной методике составляет 0,03%.

В третьей главе описывается прибор, разработанный для снижения шумового фона на внутренних плоскостях БПСТ с целью уменьшения вероятности имитаций событий от коллаттсирующих звезд.

Как вытекает из теории эволюции массивных звезд, на заключительном этапе их существования возникает гравитационный коллапс их ядер, сопровождающийся короткой, но мощной вспышкой нейтринного излучения.

На Баксанском подземном сцинтилляционом телескопе с 1980 года по настоящее время ведется непрерывное слежение за Галактикой в поисках вспышек коллапсных нейтрино. Восемь плоскостей телескопа (4

вертикальные и 4 горизонтальные), образующие замкнутую форму, покрыты стандартными сцинтилляционными счетчиками Три нижние горизонтальные плоскости с общим числом детекторов 1200, считаются внутренними. Энергетический порог регистрации на детекторах внутренних горизонтальных плоскостей телескопа составляет 8МэВ, а на детекторах вертикальных плоскостей - ЮМэВ.

Телескоп наиболее чувствителен к регистрации электронных антинейтрино по реакции их поглощения свободными протонами сцинтиллятора:

Уе+?~* П + е+ (1),

но возможна и регистрация электронных нейтрино, если их энергия превышает-ЗОМэВ:

\е + 12С->-12К + е' (2).

Поскольку энергии, образующихся электронов и позитронов малы, их пробеги, в основном, укладываются в объемах индивидуальных детекторов и ожидаемое событие от коллапса звезды должно выглядеть как серия срабатываний одиночных детекторов в течение времени вспышки. Предполагаемая длительность вспышки Ус составляет 10-20с.

Основными источниками фона являются потоки мюонов, которые при пересечении телескопа оставляют траекторию в виде сработавших счетчиков По программе коллапсных нейтрино записываются только такие события, когда на всем телескопе сработал только один детектор из 3150 Информационные поля данной программы представляют собой одиночные срабатывания детекторов, что позволяет отбраковывать траекторные события на телескопе Поскольку коллапс звезды является редким событием, очень важным становится вопрос о долговременной стабильной работе установки с минимальным фоном.

Кроме проникающих мюонов космических лучей к основным источникам помех относятся также шумы, связанные с фотоумножителями, делителями напряжения и всей системой распределения высоковольтной сети. Вклад такого рода шумов на внутренних плоскостях телескопа при массе мишени 130 тонн был доведен до уровня 0,02с"1 Дальнейшие попытки снизить уровень этих шумов посредством улучшения качества делителей высокого напряжения, заменой высоковольтных разъемов на более совершенные модели, не давали положительных результатов В то же время, в результате длительных наблюдений за формой импульсов одиночных сигналов ф.э.у. было отмечено, что в ряде событий сигнал с плоскости телескопа значительно отличается от стандартной формы и имеет длительность приблизительно в 1,5 раза меньше обычной.

На рис.1 показан спектр длительностей одиночных импульсов, полученный в результате суммирования сигналов трех внутренних плоскостей телескопа, из которого видно, что доля укороченных импульсов составляет -36% от общего числа одиночных событий. Экспериментально было установлено, что укороченные импульсы имеют техногенное происхождение. Правая часть спектра показывает также, что имеются импульсы, длительность которых значительно превышает длительность истинных сигналов Импульсы завышенной длительности образуются в результате воздействия помех со стороны питающей электросети и силовых электроприборов. Доля таких импульсов не превышает ~ 2% от общего числа одиночных срабатываний

Наличие в спектре длительностей явного провала в области 65-75нс, находящегося между длительностями сцинтилляционных импульсов и длительностями шумовых сигналов, позволило осуществить селекцию импульсов по их длительности с целью отбраковки шумоподобных сигналов.

Рис.1. Спектр длительностей одиночных импульсов с трех внутренних плоскостей телескопа

Для этой цели был разработан двупороговый селектор длительности, в основе работы которого заложен принцип временной привязки к полной длительности аналогового импульса при помощи быстродействующего дискриминатора со следящим порогом.

Индивидуальные двупороговые селекторы длительности были подключены к каждой из трех внутренних плоскостей подземного сцинтилляционного телескопа и эксплуатируются с 1996 года. Сигналы с выходов селекторов используются для окраски однократных событий внутренних плоскостей телескопа в кадровом поле компьютера. Работа данных устройств по программе ожидания коллапсных нейтрино, в режиме анализа одиночных событий, позволила снизить вклад шумов, связанных с регистрацией нестандартных импульсов в 1,36 раза, а также отбраковать помехи силовой сети, доля которых составляла 2% от общего

числа одиночных событий. Таким образом, общее снижение фона однократных событий на внутренних плоскостях телескопа составило 38% и фоновый темп счета снизился до уровня 0,014с"1.

Оценка вероятности появления фоновых сигналов, имитирующих коллапсные события, показала, что, например, при числе событий в скользящем временном интервале к=4, которое принято пороговым в оценке сигнала на его возможную принадлежность к коллапсному, вероятность имитации уменьшается в 2 раза, а при к=8 - в 10,5 раза и т д.

Таким образом, даже небольшое снижение фона однократных событий позволило получить ощутимый эффект в понижении вероятности имитации коллапсных событий.

В четвертой главе описана система защиты высокогорной установки «Андырчи» от дистанционного воздействия молнии.

Известно, что современные микроэлектронные устройства, являющиеся неотъемлемой частью любой экспериментальной установки, не выдерживают даже кратковременных перегрузок, как по напряжению, так и по току. Наиболее уязвимыми являются высокочастотные компоненты электронных схем, прецизионные операционные усилители, а также элементы, обладающие высоким входным импедансом Для большинства этих приборов пороговым значением поражающего напряжения является величина 15 - ЗОВ Таким образом, выход из строя аппаратуры зачастую обусловлен не прямым попаданием молнии в установку, для которого характерны перегрузки в сотни кВ и десятки кА, а воздействием таких факторов, как электромагнитная и электростатическая индукции, токи, растекающиеся по поверхности грунта от места прямого попадания, занос высокого потенциала на установку через металлоконструкции или цепи силового питания.

В связи с тем, что установка «Андырчи» находится в условиях высокогорья, основными неблагоприятными факторами её эксплуатации с точки зрения воздействия атмосферного электричества являются:

1. высота расположения установки 2050м над уровнем моря;

2. очевидная близость зарождения грозовых облаков (средняя высота грозовых облаков в Европе 3 км), высота горы «Андырчи» 3930м;

3. высокое удельное сопротивление грунта на территории установки

(р=104 - Ю7Ом*м), не позволяющее сделать защитное заземление;

4. сложный рельеф местности, не позволяющий надежно изолировать линии связи и детекторы от слабо проводящего грунта;

5. большая площадь установки и сопутствующие ей протяженные линии связи.

В целом, установку можно рассматривать как сложную металлическую конструкцию, имеющую произвольные поверхностные контакты с грунтом, находящуюся на теле гигантского грозоотвода, каковым является гора Андырчи.

Система защиты включает в себя пассивную форму, представляющую собой комплекс элементов, снижающих перенапряжения в линиях связи между детекторами и регистрирующей аппаратурой посредством двойного экранирования, изоляции аппаратуры от других установок, применения ограничителей напряжения, и активную форму, обеспечивающую высокую степень защиты посредством автоматического упреждающего отключения всех линий связи от электронной аппаратуры при приближении грозового фронта на расстояние 3-6 километров от установки.

Окончательное внедрение всего комплекса молниезащигных мер на установке «Андырчи» было завершено к 2000 году. Наблюдения за работоспособностью установки велись в течение пяти достаточно интенсивных для данной местности грозовых сезонов, когда в год

приходилось от 9 до 11 гроз, с разрядами молнии в непосредственной близости от вершины горы. При этом, из строя не вышло ни одно электронное устройство. Сравнительный анализ с прошлыми годами, когда ежегодно терялось более 50% информации за счет послегрозового ремонта аппаратуры, показывает, что применяемая система защиты достаточно эффективна. Понимая, однако, все многообразие разрушительных проявлений молнии, а также огромный динамический диапазон мощности разрядов, можно утверждать, что применение предлагаемых мер при обязательном сочетании пассивных и активных форм защиты позволяет значительно снижать вероятность поражения электронных устройств экспериментальных установок, находящихся на открытой местности.

В пятой главе описана система термостабилизации больших жидкостных и пластических сцинтилляционных детекторов.

Термостабилизация жидкостных и пластических сцинтилляционных детекторов имеет ряд особенностей:

а) применение подогревателей, не создающих мощные электромагнитные поля, способные модулировать чувствительность ФЭУ и воздействовать на сигнальные цепи;

б) применение систем защиты детекторов от перегрева;

в) использование электронных методов коммутации подогревателей, не создающих импульсные помехи в сигнальных цепях детекторов;

г) предохранение пластических сцинтилляторов от переохлаждения в режиме аварийного отключения термостата.

С учетом этих особенностей были разработаны электронные термостатирующие устройства для выносных пунктов установки «Ковер» и для детекторов установки «Андырчи», позволившие стабилизировать температуру данных объектов на уровне ±(0.1-0,2)°С. Это дало возмож-

ность отказаться от применения температурных поправок по вариационным программам, а также при измерении анизотропии ПКЛ.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в результате применения разработанных приборов и систем на установках «Ковер», БПСТ и «Андырчи».

1. Разработанный для установки «Андырчи» логарифмический преобразователь с порогом 0,5р.ч. и точностью измерения энерговыделения 10% показал высокую эксплуатационную надежность и долговременную стабильность параметров на уровне ±0,1% по порогу и 0,01% по коэффициенту преобразования. Совместно с фотоумножителем ФЭУ-49Б прибор позволил измерять энерговыделение в сцинтилляционном детекторе в диапазоне 2000 (0,5- ЮООр.ч), хотя реальный амплитудный диапазон преобразователя значительно выше (2-Ю4). Совмещение в одном приборе 2х функций позволило одновременно измерять энерговыделение в детекторе и направление прихода ШАЛ по времяпролетной методике. При этом угловая погрешность, вносимая прибором не превышает 3% от полной погрешности определения угла.

2. В целях модернизации установок «Андырчи», БПСТ и «Ковер» были разработаны альтернативные преобразователи амплитуды в длительность с временной привязкой не чувствительные к послеимпульсам ф э.у. с динамическим диапазоном 2103.

3. Двупороговый селектор длительности, разработанный для установки БПСТ, позволил снизить уровень шумового фона на внутренних плоскостях телескопа на 38%, что дало возможность уменьшить вероятность имитаций коллапсных событий в несколько раз в зависимости от числа ожидаемых однократных событий в скользящем временном интервале 20сек.

4. Разработана концепция защиты экспериментальных наземных установок большой площади от атмосферного электричества. На базе этой концепции создана система молниезащиты установки «Андырчи», позволившая сохранить установку и уменьшить потери информации связанные с послегрозовым ремонтом аппаратуры вдвое.

5. Создание точной термостабилизации сцинтилляционных детекторов дало возможность поддерживать температурный дрейф чувствительности больших жидкостных сцинтилляционных детекторов на уровне ±0,1% и пластических сцинтилляционных детекторов — на уровне ±(0,01 .-0,02)%. Это исключило необходимость введения температурных поправок на установке «Андырчи» в вариационных программах, при изучении характеристик ШАЛ, а также при измерении анизотропии ПКЛ. На установке «Ковер» термостабилизация детекторов выносных пунктов позволила отказаться от применения температурных поправок при решении вариационных задач и при изучении характеристик ШАЛ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Волченко В.И., Логарифмический преобразователь амплитуды в код //ПТЭ -1981 -№1-С.101-104.

2. Волченко В.И, Волченко Г.В. Логарифмические преобразователи амплитуды в длительность // ПТЭ. — 2005. — №2.— С.78-87.

3. Алексеев Е Н., Алексеенко В.В., Бакатанов В.Н., Бозиев С,Н., Воеводский A.B., Волченко В.И., Гуренцов В.И., Дударевич А., Карпов С.Н.Коновалов Ю Н,. Клименко Н.Ф., Короткий Г.Д., Козяривский В.А., Мало-вичко Ю.В., Марчук Д.Л., Метлинский H.A., Петков В.Б., Поддубный В.Я., Разумный В.И., Рулев В.В., Савун О.И., Семенов А М., Сидоренко А.М.,

Скляров В.В., Слатвитская Л.И., Степанов В.И., Тарасов A.A., Титенков А.Ф., Цябук AJI., Черняев А.Б., Чудаков АЕ., Янин А.Ф.

Установка "Андырчи" для регистрации ШАЛ над Баксанским подземном сцинтилляционным телескопом // Изв. АН. - сер. физ - т.57-1993,- В.4.- С.99-102.

4. Алексеев E.H., Алексеева Л.Н., Волченко В.И., Закидышев В.Н., Короткий Г.Д., Метлинский H.A., Поддубный В.Я., Реутов А.Ю., Чудаков А.Е., Янин А.Ф..

Ограничение на частоту коллапсов массивных звезд в Галактике по данным наблюдения в 1980-1992 годах на Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе //ЖЭТФ - т. 104 - вып. 3(9) - 1993 - С.2897-2911.

5. Волченко В.И., Волченко Г.В., Заиченко АН., Петков В.Б., Поддубный В.Я., Радченков A.B., Система молниезащиты установки "Андырчи" // ПТЭ - 2004 - №4 - С. 35 - 43.

6. Волченко В.И. Двупороговый селектор длительности // Препринт ИЯИ РАН - 1142/2005 - М„ - 2005.

7. Волченко В.И., Волченко Г.В . Широкодиапазонные преобразователи амплитуды в длительность // Препринт ИЯИ РАН - 1128/2004 - М., -2004.

8. Волченко В.И., Янин А.Ф. Петков В.Б., Поддубный В.Я., Карпов С.Н., Метлинский H.A., Измерения энерговыделения в сцинтилляционном детекторе и послеимпульсы ФЭУ. // Препринт ИЯИ РАН - 0913/96. -М., 1996.

9. Алексеев E.H., Воеводский A.B., Волченко В.И., Гуренцов В.И., Карпов С.Н., Короткий Г.Д., Метлинский H.A., Миннибаев Р.Р., Петков В.Б., Поддубный В.Я., Семенов А.М., Степанов В.И., Тарасов A.A., Черняев А.Б., Чудаков А.Е., Янин А.Ф. Установка «Андырчи» для

регистрации ШАЛ над Баксанским подземным сцинтилляционным телескопом // Препринт ИЯИ РАН - 853/94 - М., - 1994.

10. Волченко В.И., Волченко Г.В. Термостабилизация сцинтилляцион-ных детекторов // Препринт ИЯИ РАН-1120/2004 - М., - 2004.

11.Alexeyev E.N, Alexeyenko V.V., Bakatanov V.N, Boziev S.N., Chernyaev A.B., Chudakov A.E., Gurentsov V.l., Dudareshin A.* Karpov S.N., Konovalov Yu.N., Klimenko N.F., Korotky G.D., Kozyarivsky V.A., Malovichko Yu.V., Marchuk D.L., Metlinsky N.A., Petkov V.B., Poddub-ny V.Ya., Razumny V.l., Rulev V.V., Savun O.I.**, Semenov A.M., Sidorenko A.M., Sklyarov V.V., Slatvitskaya L.I., Stepanov V.l., Tarasov A.A., Titenkov A.F**., Tsaybuk A.L., Voevodsky A.V., Volchenko V.l., Yanin A.F., The EAS about Baksan Underground Scintillation Teleskope // Proc. of 23th -ICRC - CALGARY- 1993- v.2 - P.474 - 476.

Ф-т 60x84/8. Уч.-изд л 1,0 Зак. №21518 Тираж 100 экз. Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

)

I ,1

114 7 02

РНБ Русский фонд

2006-4 10890

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Волченко, Владимир Иванович

Введение.

Глава 1. Описание установок БНО для регистрации космических лучей.

1.1 .Установка «Ковер».

1.2.Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп.

1.3 .Установка «Андырчи».

ГЛАВА 2.Энергетические и временные измерения сцинтилляционными детекторами.

2.1.Анализ параметров сцинтилляционных детекторов.

2.2.0бщие сведения о преобразовании амплитуды в длительность.

2.3.Логарифмический RC-преобразователь с временной привязкой.

2.4.Поелеимпульсы ф.э.у.;.

2.5.Логарифмический RC- преобразователь с защитным ключом.

2.6ХС-преобразователь с временной привязкой.

2.7.Линейный преобразователь амплитуды в длительность.

2.8.Чувствительный логарифмический LC- преобразователь с линейным пропускателем.

2.9.Измерение дифференциальной нелинейности преобразователей амплитуды в длительность.

ГЛАВА 3.Селекция фоновых событий по длительности.

3.1.Введени е.

3.2.Двупороговый селектор длительности импульсов ф.э.у.

ГЛАВА 4.Система молниезащиты установки «Андырчи».

4.1.Введение.

4.2.Элементы пассивной защиты.

4.3.Активная защита.

ГЛАВА 5.Термостабилизация сцинтилляционных детекторов.

5.1.Введение.

5.2.Термостатирование больших жидкостных сцинтилляционных детекторов.

5.3.Термостабилизация одиночного детектора на основе пластического сцинтиллятора.

Введение диссертация по физике, на тему "Повышение эффективности работы установок для регистрации космических лучей аппаратными средствами"

Исследования в области физики элементарных частиц и астрофизики привело к необходимости создания больших экспериментальных ядерно-физических установок, возможности которых позволяют решать широкий круг современных научных проблем. К числу таких установок следует отнести установки «Ковер», Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ) и установку «Андырчи», вместе представляющие собой научный комплекс, созданный на базе Баксанской нейтринной обсерватории ИЛИ РАН. Каждая из этих установок была построена для решения целого ряда фундаментальных задач, связанных с изучением, как ядерных процессов, так и астрофизических явлений. Установки находятся в горах Северного Кавказа в Баксанском ущелье на высоте 1700м над уровнем моря. На рис. 1 представлен условный план расположения установок.

Установка «Ковер» предназначена для исследования широких атмосферных ливней (ШАЛ), анизотропии первичных космических лучей (ПКЛ), регистрации вариаций космических лучей, связанных с атмосферными явлениями и солнечной активностью, а также для решения задач гамма-астрономии в диапазоне сверхвысоких энергий.

Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ), действующий с 1978 года, является крупнейшей подземной установкой БНО ИЛИ РАН, расположенной на глубине 850м водного эквивалента. БПСТ был создан для изучения потоков атмосферных нейтрино, приходящих из нижней полусферы Земли, регистрации нейтринного излучения, возникающего при гравитационном коллапсе массивных звезд, анизотропии космических лучей, а также для изучения свойств мюонов.

Установка «Андырчи» предназначенная для регистрации ШАЛ, работает в режиме совпадения с БПСТ, над которым она расположена. Это позволяет изучать ядерный состав первичных космических лучей (ПКЛ) с энергией > 10,4эВ, благодаря одновременному измерению электронно-фотонной компоненты и числа высокоэнергичных мюонов в ШАЛ.

40м

Uom

Г. Андырчи установка "Андырчи"

2050м над уровнем моря

3930м

БПСТ

550м

900м уаанпша "Ковер" f f.

1700м над уровнем моря

Ш Ее В 1

Г-Гг 4

ШШ* Я выносные пункты

Рис.1. План расположения установок БПС, «Андырчи» и «Ковер».

Помимо этого, возможности установки позволяют использовать её также для работы в области гамма-астрономии сверхвысоких энергий, изучения анизотропии ПКЛ с энергией > 1014эВ и вариаций интенсивности космических лучей.

Как известно, аппаратная структура установок для изучения космических лучей включает в себя несколько этапов обработки сигналов, начиная от аналоговой формы, характеризующей регистрируемые события как параметрические распределения значений сигналов по амплитуде, форме, времени появления, углу прихода, так и цифровой формы, с дальнейшей предварительной обработкой и накоплением информации в ЭВМ. В последние годы быстрое развитие вычислительной техники и ее элементной базы привело к значительному усовершенствованию автоматизированных систем сбора и регистрации потоков информации, что позволило увеличить эффективность работы физических установок по быстродействию, по возможности контроля за параметрами измерительных систем, а также позволило решать ряд системных логических операций программными методами.

Вместе с тем, исходным звеном получения информации служат приборы, непосредственно примыкающие к детектирующим устройствам, и осуществляющие первичную обработку регистрируемых сигналов. Поэтому, основная задача этой работы состоит в решении таких ключевых проблем совершенствования аналоговой аппаратуры, как достижение максимальных диапазонов измерения энергии, выделяемой в детекторах, оптимизация электронных трактов по шумовому критерию, отбраковка шумоподобных сигналов и помех, повышение температурной и долговременной стабильности параметров, защита установок или отдельных электронных узлов от воздействия атмосферного электричества.

Цели представляемой диссертации.

Разработать и применить новые аналоговые электронные устройства для установок ПСТ, «Андырчи», «Ковер» с целью: а) улучшения параметров логарифмических преобразователей амплитуды в длительность; б) обеспечения контроля параметров преобразователей амплитуды в длительность (код); в) понижения шумового фона на БПСТ по программе «Коллапс» для уменьшения вероятности имитаций в режиме регистрации нейтринных сигналов от взрывов сверхновых звезд; г) защиты установки «Адырчи» в периоды грозовой активности; д) повышения температурной стабильности сцинтилляционных детекторов.

Новизна работы.

2. Разработаны новые логарифмические и линейные преобразователи амплитуды в длительность, нечувствительные к послеимпульсам ф.э.у, для модернизации установок «Андырчи», БПСТ, «Ковер».

4. Разработано новое электронное устройство, для БПСТ, позволившее уменьшить импульсный шумовой фон на телескопе в режиме регистрации одиночных событий.

5. Разработана система молниезащиты высокогорной установки «Андырчи», использующая систему новых оригинальных молниезащитных средств.

6. Разработаны новые устройства термостабилизации сцинтилляционных детекторов для установок «Андырчи» и «Ковер», учитывающие их основные эксплуатационные характеристики, при работе на открытой местности в широком диапазоне окружающих температур.

Практическая и научная значимость.

2. Разработаны также новые типы логарифмических RC-преобразователей заряда в длительность с подавлением послеимпульсов ФЭУ, а также логарифмические LC- преобразователи, нечувствительные к послеимпульсам ФЭУ.

4. Разработанная система молниезащиты физических установок, работающих на открытой местности, существенно снизила вероятность выхода из строя электронных узлов от дистанционного воздействия молнии, что позволило значительно увеличить время непрерывного набора данных по всем рабочим программам.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанный логарифмический преобразователь с временной привязкой к фронту импульса ФЭУ, имеет динамический диапазон 2-104. Точность временной привязки 1-*-7нс в зависимости от амплитуды измеряемого импульса.

2. Представленный двупороговый селектор длительности позволяет снизить шумовой фон внутренних плоскостей ПСТ в режиме регистрации одиночных событий по программе «Коллапс» на ~38% и в несколько раз уменьшить вероятность имитации коллапсных событий.

3. Разработанная комплексная система молниезащиты установки «Андырчи» снизила годовые потери информации по регистрации космических лучей, связанные с послегрозовым ремонтом аппаратуры, на ~50%.

4. Термостатирование больших сцинтилляционных детекторов на основе уайт-спирита на уровне ± 0,25°С в диапазоне -20°С 29°С позволило стабилизировать их чувствительность в указанном диапазоне температур на уровне 0,09%, а термостатирование пластических сцинтилляционных детекторов с точностью 0,1-0,2°С стабилизировало их чувствительность на уровне 0,01-0,02% и дало возможность решать вариационные задачи, а также изучать анизотропию ПКЛ без поправочных температурных коэффициентов.

Примечание.

В силу своей прикладной специфики настоящая работа содержит четыре не связанные между собой темы:

1. измерение энерговыделения в сцинтилляционных счетчиках преобразователями тока ф.э.у. в длительность;

2. селекция шумоподобных сигналов сцинтилляционных детекторов по длительности;

3. система молниезащиты установки «Андырчи»

4. термостабилизация сцинтилляционных детекторов.

В связи с этим понятие эффективности в каждом из разделов трактуется сообразно тем параметрам физических установок, которые были достигнуты применением нового оборудования.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

Заключение.

Приборы, описанные в данной работе, разрабатывались и внедрялись на установках «Ковер», БПСТ и «Андырчи» в процессе их создания, а также на протяжении ряда последних лет и показали следующие результаты: 1 .Разработанный для установки «Андырчи» логарифмический преобразователь с порогом 0,5р.ч. и точностью измерения энерговыделения 10% показал высокую эксплуатационную надежность и долговременную стабильность параметров на уровне ±0,1% по порогу и 0,01% по коэффициенту преобразования. Совместно с фотоумножителем ФЭУ-49Б прибор позволил измерять энерговыделение в сцинтилляционном детекторе в диапазоне 2000 (0,5- ЮООр.ч), хотя реальный амплитудный диапазон преобразователя значительно выше (2-104). Совмещение в одном приборе 2х функций позволило одновременно измерять энерговыделение в детекторе и направление прихода ШАЛ по время-пролетной методике. При этом, угловая погрешность, вносимая прибором, не превышает 3% от полной погрешности определения угла.

2.В целях модернизации установок «Андырчи», БПСТ и «Ковер» были разработаны альтернативные преобразователи амплитуды в длительность с временной привязкой нечувствительные к послеимпульсам ф.э.у. с динамическим диапазоном 2-103.

3.Двупороговый селектор длительности, разработанный для установки БПСТ, позволил снизить уровень шумового фона на внутренних плоскостях телескопа на 38%, что дало возможность уменьшить вероятность имитаций коллапсных событий в несколько раз в зависимости от числа ожидаемых однократных событий в скользящем временном интервале 20сек.

4.Разработана концепция защиты экспериментальных наземных установок большой площади от атмосферного электричества. На базе этой концепции создана система молниезащиты установки «Андырчи», позволившая сохранить установку и уменьшить потери информации связанные с послегрозовым ремонтом аппаратуры вдвое.

5.Создание точной термостабилизации сцинтилляционных детекторов дало возможность поддерживать температурный дрейф чувствительности больших жидкостныых сцинтилляционных детекторов на уровне ±0,1% и пластических сцинтилляционных детекторов - на уровне ±(0,01.- 0,02)%. Это исключило необходимость введения температурных поправок на установке «Андырчи» в вариационных программах, при изучении характеристик ШАЛ, а также при измерении анизотропии. На установке «Ковер» термостабилизация детекторов выносных пунктов позволила отказаться от применения температурных поправок при решении вариационных задач и при изучении характеристик ШАЛ.

В заключение автор выражает благодарность своему научному руководителю Валерию Борисовичу Петкову за руководство и постоянное стимулирование интереса к данной работе, В.В.Алексеенко, С.Н. Карпову, Г.В.Волченко, Л.Н.Алексеевой, Е.Н.Алексееву, Ю.Ф.Новосельцеву за консультации и длительное плодотворное сотрудничество, а также Т.Ю.Спиридоновой за помощь при переводе иностранных публикаций. Автор особенно признателен А.Е.Чудакову и А.В.Воеводскому за постоянноё внимание и участие на разных этапах разработки описанных приборов.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Волченко, Владимир Иванович, Москва

1. В.Н.Бакатанов, А.В.Воеводский, В.Л.Дадыкин, «Большие сцинтилляционные счетчики», Харьков, с.119-123.

2. А.В.Воеводский «Применение жидкостных сцинтилляционных детекторов большой площади для измерения интенсивности космических лучей». Диссертация к.ф.м.н., ФИАН, 1974. с. 17-18, 40.

3. Е.Н.Алеексеев «400-канальная сцинтилляционная установка для исследования центральной части ШАЛ». Диссертация к.ф.м.н., НИИЯФ,МГУ, 1978.

4. В.А.Тизенгаузен «Пространственное распределение электронно1. С <7фотонной компоненты ШАЛ в диапазоне Ne ~ 10-10 на высоте 1700 метров над уровнем моря». Диссертация НИИЯФ, МГУ, 1979.

5. E.N.Alekxeyev, L.N.Alekxeyeva, A.E.Chydakov et al, in Proc. 16th Cosmic Ray Conference, Kyoto, Japan, (1979), vol.10, p282.

6. Е.Н.Алеексеев, В.Н.Бакатанов, А.В.Воеводский и др., Изв. АН СССР, сер.физ. 44, 609, (1980).

7. Е.Н.Алеексеев и др., Препринт ИЛИ АН СССР, П-0610, Москва, 1989г.

8. Е.Н.Алеексеев, А.В.Воеводский, В.И.Волченко и др., Препринт ИЛИ -853/94, Москва,1994.

9. В.Б.Петков «Установка «Андырчи» для регистрации ШАЛ над Баксанским подземным сцинтилляционным телескопом». Диссертация к.ф.м.н., ИЛИ РАН, Москва, 1996.

10. Д.Д.Джаппуев «Метод спектров центральных плотностей для изучения характеристик ШАЛ с Ne=6-104 2-107 на высоте 1700метров над уровнем моря». Диссертация к.ф.м.н. ИЛИ АН СССР, Москва 1988, с.53

11. А.В.Воеводский, В.Л.Дадыкин, О.Г.Ряжская, ПТЭ, 1970, №1, с.85-87.

12. A.MJonson, IEEE J. Quantum Electronics, 1965, 1, p. 99.

13. PHPT0MULTIPLIER TUBES rprinciples & applicatios, Re-edited ■ September 2002 by S-O Flyckt* and Carole Marmonier**, Photonis,Brive,France.

14. М.Ю.Ф.Новосельцев «Разделение адронных и электромагнитных ливней методом регистрации 7l-JJ,-e распадов на Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе». Диссертация к.ф.м.н., Москва, 1988, ИЛИ АН СССР, с.86-90.

15. Н.А.Соболева, А.Е.Меламид «Фотоэлектронные приборы», Высшая школа, Москва, 1974.

16. Ю.В.Стенькин, В.И.Степанов «Формирователь для временной привязки», ПТЭ, 1978, №5, с.135-137.

17. В.Л.Дадыкин, Я.С.Еленский, А.Л.Цябук, ПТЭ, 1979, №2, с.223.

18. В.Мейлинг, Ф.Стари «Наносекундная импульсная техника», под ред.Е.А.Мелешко, Москва, Атомиздат, 1973, с.38.

19. В.И.Степанов «логарифмический преобразователь амплитуды импульсов», ПТЭ, 1969, №3, с. 115-118.

20. В.И.Волченко, А.Ф.Янин, В.Б.Петков и др., Препринт ИЛИ 0913/96, Москва, 1996.

21. Giannelli G., Mandl V., Rev. Scint. Instrum., 31, 623 (1960).

22. В.И.Бельский, Ю.Б.Бушнин, С.А.Зимин и др., Препринт ИФВЭ ОЭА, №85-60, Серпухов, 1985.

23. Е.Н.Алексеев, В.В.Алексеенко, Ю.М.Андреев и др., Изв. АН СССР, сер.физическая, 1980, т.44, с.609-612.

24. В.И.Волченко, ПТЭ, №1, 1981, с. 101-104.

25. M.M.Winn, J.Ulrichs, L.S.Peak, et al, Phys. 12,(1982), p.653, Printed in Great Britain.

26. Yoshida, N.Hayashida, K.Honda, et al, J.Phys.G: Nicl. Part 20, (1994), p.651-664. Printed in th UK.

27. Г.Ряжская, Л.Н.Степанец, ПТЭ, 1975, №5, с. 174

28. С.П.Михеев. Диссертация к.ф.м.н., М.: ИЯИ АН СССР, 1982, с.54.

29. Е.Н.Алексеев, В.В.Алексеенко, В.Н.Бакатанов и др., Изв. РАН. Сер. Физ. 1993, т.57., Вып.4, с.99-102.

30. В.А.Морозов, Н.В.Морозова, ПТЭ, 1997, №4, с.97.

31. В.А.Морозов, Н.В.Морозова, ПТЭ, 2002, №6, с.75.

32. В.С.Мурзин, «Введение в физику космических лучей». М., МГУ, 1988, с.29.

33. А.В.Воеводский, В.И.Волченко, В.Ф.Кавторов и др. Угловое разрешение установки «Андырчи». Препринт ИЯИ 1001/98, Москва, 1998.

34. В.И.Волченко, Г.В.Волченко. Широкодиапазонные преобразователи амплитуды в длительность. Препринт ИЯИ 1128/2004, Москва, 2004.

35. В.И.Волченко, Г.В.Волченко, ПТЭ, 2005, №2, с.78-87.

36. Е.Н.Алексеев, Л.Н.Алексеева, В.И.Волченко и др. Ограничение на частоту коллапсов массивных звезд в Галактике по данным наблюдения 1980-1992 годах на Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе. М., Наука, ЖЭТФ, т. 104, с.2897-2911, 1993.

37. П.С.Имшенник, Д.К.Надежин. Итоги науки и техники, сер. Астрономия, 21, 63 (1982).

38. W.Hillebrandt and Hoflich, Rep. Prog. Phys.52, 1421, (1989).

39. A.Burrows, Ann. Rev. Nucl. Part Sci. 40, 181 (1990).

40. K.S.Hirata, T. Kajita, M. Koshiba et al, Phys. Rev. Lett. 58, 1490 (1987).41 .R.M.Bionta, G.Bliwitt, C.B. Bratton et al., Phys. Rev. Lett. 58, 1494 (1987).

41. Е.Н.Алексеев, Л.Н.Алексеева, В.И.Волченко и др., письма в ЖЭТФ, т. 45, с. 461 (1987).

42. E.N.Alexeyv, L.N. Alexeyeva, I.V.Krivosheina et.al., Phys.Lett. B205,209 (1988).

43. Е.А.Мелешко. «Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике», М.: Атомиздат, 1977,с.78-87.

44. В.И.Волченко, Г.В.Волченко, Препринт ИЯИ 1142/2005,.Москва, 2005.

45. М.Юман, «Молния», изд.Мир, М.,1972 под редакцией Н.В.Красногорской.

46. Э.М.Базелян, Ю.П.Райзер. «Физика молнии и молниезащита», М., Физматлит, 2001.

47. А.А.Репин, В.И.Поддубный, Ю.В.Писаревский, конф. Современные проблемы радиоэлектроники, док.106, сек.74, «Активные системы молниезащиты антенных систем», 2001.

48. Авторское свидетельство СССР №456383, Кл Н 05 F3/00, 1973.

49. Э.М.Базилян, Б.Н.Горин, В.И.Левишов, «Физические и инженерныеосновы молниезащиты», Л., Гидрометеоиздат, 1987.

50. В.И.Волченко,Г.В.Волченко, А.Н.Заиченко и др., Препринт ИЯИ-1085/2002, Москва,2002.

51. В.И.Волченко, Г.В.Волченко, А.Н.Заиченко и др., ПТЭ, 2004, №4, с.44-48.

52. В.И.Волченко, Г.В.Волченко, Преприт ИЯИ 1120/2004, Москва, 2004.

53. В.А.Волгов. «Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры», М., Энергия, 1977, с.541.

54. В.С.Мурзин, «Физика космических лучей», М., издт.МГУ, 1970, с.214.

55. Ю.К.Акимов. «Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий», М., изд.МГУ, 1963, с. 15, с.47.

56. E.N.Alexeyev, V.V.Alexeyenko, V.N.Bakatanov и др. «The EAS about Baksan Underground Scintillation Teleskope». Proc. of 23th ICRC, CALGARY, 1993, v.2, p.474-476.