Точность временных измерений в экспериментах с вакуумными фотодетекторами в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правахрукописи

ВАСИЛЬЕВ Роман Валерьевич

ТОЧНОСТЬ ВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С ВАКУУМНЫМИ ФОТОДЕТЕКТОРАМИ В НЕЙТРИННОЙ АСТРОФИЗИКЕ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ И ФИЗИКЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005

На правахрукописи

ВАСИЛЬЕВ Роман Валерьевич

ТОЧНОСТЬ ВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С ВАКУУМНЫМИ ФОТОДЕТЕКТОРАМИ В НЕЙТРИННОЙ АСТРОФИЗИКЕ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ И ФИЗИКЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

01.04.01 -приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН

Научный руководитель:

Кандидат физико-математических наук

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук

Кандидат физико-математических наук

Лубсандоржиев Баярто Константинович

Антонов Рэм Александрович (НИИЯФ МГУ);

Стенькин Юрий Васильевич (ИЯИ РАН)

Ведущая организация:

ФГУП "ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики"

/Г

Защита состоится «

3 0.0 6.2005о5 г в

на заседании

диссертационного совета Д 002.119.01 Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312 Москва, проспект 60-летия Октября 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН

Автореферат

2 6.0 5.2005

:ж »

2005 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

Тулупов Б. А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время вакуумные фотодетекторы, классические фотоэлектронные умножители и гибридные фотодетекторы, активно используются практически во всех экспериментах в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей и играют в них ключевую роль. В большинстве случаев огромное значение для экспериментов имеет временная информация, получаемая с индивидуальных фотодетекторов. Эта информация определяет угловое разрешение детекторов, позволяет эффективно подавлять фоновые события и т.д. Особую важность временная информация с фотодетекторов приобретает в черенковских детекторах, где приходится иметь дело со слабыми световыми потоками и большим уровнем фоновых событий. Это можно проиллюстрировать на примере крупномасштабных глубоководных нейтринных телескопов, получивших большое развитие за последние тридцать лет, и черенковских детекторов широких атмосферных ливней, как широкоугольных, так и узкоугольных. Изучение природных потоков нейтрино и гамма-квантов высоких энергий и первичного космического излучения в области "колена" являются одними из важнейших задач современной экспериментальной физики высоких энергий, физики космических лучей и астрофизики. Поэтому особую актуальность приобретают исследования временных и амплитудных параметров вакуумных фотодетекторов как базовых элементов большинства экспериментов в этих областях физики.

Приведем примеры наиболее известных, экспериментов в нейтринной астрофизике высоких энергий, физике космических лучей, гамма-астрономии высоких энергий, в которых временная информация с вакуумных фотодетекторов играет ключевую роль. Более пяти лет успешно работает первый и пока единственный в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ-200 на озере Байкал (I.A.Belolaptikov et al. Astroparticle Physics 7 (1997) 263). Работы над аналогичными проектами ведутся в Средиземном море -ANTARES (Amram P. et al. Ргос. ofthe 27th ICRC. 2001. V.3. P. 1233), NESTOR (Anasontsis E. et al. Proc. ofthe 25th ICRC. 1997. V.7. P.49.) и NEMO (De Marzo С The Proc. of the 6th Intern. Workshop on TAUP.1999. P.433). В Антарктиде, на Южном Полюсе, на глубине км во льду несколько лет функционирует нейтринный телескоп AMANDA (Andres E. et al. Astroparticle Physics. 2000. V.13. P.I). Там же начаты работы по созданию гигантского детектора ICECUBE (Goldsemidt A. Proc. ofthe 27th ICRC. 2001. V.3. P. 1237.) с рабочим объемом ~1 км3. Начаты также обсуждения проекта детектора GVD с таким же объемом на базе нейтринного телескопа НТ-200 на оз.Байкал (Balkanov V.A. et al Proc. of the Intern. Conf. Neutrino-2002). Если же обратиться к

з

области несколько меньших энергий, то в первую очередь следует упомянуть подземные черенковские нейтринные детекторы SUPER-KAMIOKANDE (S.Fukuda et al. Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V.A501. P.418) и SNO (J.Boger et al. Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V.449. P. 172). Во всех этих экспериментах число используемых вакуумных фотодетекторов составляет от нескольких сотен до более десяти тысяч.

Регистрация черенковского излучения от ШАЛ является одним из самых эффективных средств для изучения первичного космического излучения в области так называемого "колена" (Е ~3-1015 эВ). На сегодняшний день в этой области спектра работают широкоугольные черенковские детекторы ТУНКА (N.Budnev et al. Ргос. of the 27th ICRC. 2001. V.2. P.581) в России, BLANCA (M.Cassidy et al. Proc. of the 25th ICRC. 1997. V.5. P. 189-192.) в США и VULCAN (J.E.Dickinson et al. Proc. of the 25th ICRC. 1997. V.5. P.229-232.) на Южном Полюсе. На протяжении 10 лет успешно функционировал черенковский детектор AIROBICC (Karle A. et al. Astroparticle Physics. 1995. V.3. P.321.) на Канарском острове Ла-Пальма в Испании. В области ультра высоких энергий (Е >1017 эВ) много лет работает Якутская комплексная установка ШАЛ (V.I.Pravdin et al. Proc. of the 28th ICRC. 2003. V.5. P.229-232.) Активные работы ведутся по созданию гигантского детектора ШАЛ (Self~3000 км2) Pierre Auger Observatory (J.Abraham et al. Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V.523. P.50), в котором будут задействованы в общей сложности ~15000 вакуумных фотодетекторов разного класса. Подготавливаются и спутниковые эксперименты с использованием большого числа вакуумных фотодетекторов, например, эксперимент EUSO (M.Teshima et al. Proc. of 28th ICRC. 2003. P.1069).

Бурное развитие получила за последние 20 лет наземная гамма-астрономия высоких энергий. Первое поколение атмосферных черенковских телескопов изображения (IACT) WHIPPLE (Cawley M.F. et al. Exp. Ast. 1990. V.I. P.185), HEGRA(Daum A. Et al. Astroparticle Physics. 1997. V.8. P.I), CANGAROO (Hara T. Et al. Nucl. Instrum. and Methods. 1993. V.A332. P.300), TACTIC (Bhat C.L. et al. Proc. of Workshop on VHE Gamma Ray Astronomy. 1997. P. 196) завершает свою деятельность триумфальным детектированием гамма-квантов высоких энергий от остатков сверхновых звезд, двойных звездных систем, активных галактических ядер (AGN) и т.д. Второе поколение наземных гамма-телескопов: MAGIC (M.Martinez et al. Proc. of 28th ICRC. 2003. P.2815), H.E.S.S. (W.Hofmann et al. Proc. of 28th ICRC. 2003. P.2811), VERITAS (S.P.Wakely et al. Proc. of 28th ICRC. 2003. P.2803), CANGAROO-III (A.Asahara et al. Proc. of 28th ICRC. 2003. P.2807), имеют или будут иметь чувствительность на порядок или более большую по сравнению со своими

предшественниками и полностью перекроют энергетическую область, ранее неисследованную спутниковыми и наземными экспериментами.

Во всех этих экспериментах вакуумные фотодетекторы играют исключительно важную роль, определяя энергетические пороги и угловое разрешение телескопов. Для успешного выполнения задач, стоящих перед экспериментами, использующими вакуумные фотодетекторы, и адекватной интерпретации результатов экспериментов необходимо в полной мере знать временное разрешение фотодетекторов и учитывать все факторы, влияющие на временное разрешение.

Цель работы. Целью настоящей работы являлось изучение временного разрешения вакуумных фотодетекторов и факторов, влияющих на временное разрешение, исследование точности временных измерений в экспериментах с вакуумными фотодетекторами, точности калибровочных измерений. Работа выполнена в рамках работ по созданию нейтринного телескопа НТ-200 и широкоугольного черенковского детектора ШАЛ ТУНКА. Научная новизна и практическая ценность работы. В ходе выполнения настоящей работы были выявлены и исследованы основные факторы, влияющие на временное разрешение вакуумных фотодетекторов -классических фотоэлектронных умножителей и гибридных фотодетекторов. Изучена природа предымпульсов, задержанных импульсов и послеимпульсов. Исследованы факторы, оказывающие влияние на точность временных измерений в экспериментах с вакуумными фотодетекторами в экспериментах в нейтринной астрофизике высоких энергий, физике космических лучей и наземной гамма-астрономии высоких энергий. Изучены точности калибровочных измерений в глубоководном нейтринном телескопе НТ-200 на озере Байкал, в наледном черенковском детекторе ШАЛ и широкоугольном черепковском детекторе ШАЛ ТУНКА. Основные результаты, представленные к защите.

Основными результатами, представленными к защите, являются результаты работ по исследованию точности временных измерений с вакуумными фотодетекторами в экспериментах в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей, изучению факторов, влияющих на временное разрешение вакуумных фотодетекторов, влиянию среды на точность временных измерений в глубоководных нейтринных телескопах. Апробация работы. Результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на межрегиональных конференциях по физике космических лучей в г.Москве в 2000 г. и в г.Дубне в 2002 г, международных конференциях по физике космических лучей в 2001г. (Гамбург, Германия), фотодетектированию в 1999г. (г.Бон, Франция) и черенковским детекторам в

2002г. (г. Пил ос, Греция). Результаты работ докладывались на научных семинарах в ИЯИ РАН, НИИЯФ МГУ и ОИЯИ, на рабочих совещаниях коллаборации "Байкал".

Публикации. Сущность и новизна исследований, выполненных по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах Приборы и Техника Эксперимента, Nuclear Instruments and Methods A, Astroparticle Physics, Ядерная физика, Progress in Particle and Nuclear Physics, Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра (ЭЧАЯ), ШЕЕ Transactions on Nuclear Science, в трудах межрегиональных и международных конференций по физике космических лучей и физике нейтрино. Всего по теме диссертации опубликовано 27 работ, из них 19 в реферируемых журналах. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общее количество страниц составляет 189, рисунков - 83 и таблиц - 7.

Вклад автора: Автором непосредственно были разработаны все электронные измерительные стенды, использовавшиеся в данной работе. При самом активном участии автора были проведены исследования факторов, влияющих на временное разрешение вакуумных фотодетекторов. Вклад автора был решающим в разработке наносекундных световых источников для калибровочных измерений в черенковских детекторах, в планировании и проведении специального эксперимента по измерению дисперсии света в глубинных водах оз. Байкал, в разработке мобильного измерительного стенда для проведения ремонтных и профилактических работ с оптоволоконной калибровочной системой нейтринного телескопа НТ-200. Благодаря усилиям автора проведены исследования временного разрешения вакуумных фотодетекторов наледного черенковского детектора Байкальского нейтринного эксперимента и черенковского детектора ШАЛ ТУНКА в условиях светового фона ночного неба. Вклад автора был определяющим и при проведении исследований вакуумных фотодетекторов атмосферного черенковского телескопа гамма-квантов высоких энергий MAGIC.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описываются временные параметры вакуумных

фотодетекторов, такие как время нарастания, спада и длительность анодного импульса, распределение времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода, разность времен пролета фотоэлектронов, рожденных в разных точках фотокатода. Рассматриваются основные методы измерения временных параметров вакуумных

б

фотодетекторов. Подробно описываются разработанные и созданные электронные измерительные стенды для исследования временных параметров вакуумных фотодетекторов.

Основными факторами, влияющими на точность временных измерений с вакуумными фотодетекторами, являются предымпульсы, задержанные импульсы, послеимпульсы и анодное свечение. Предымпульсы являются характерной чертой всех классических ФЭУ, а в вакуумных гибридных фотодетекторах они либо полностью отсутствуют, либо существенно подавлены по сравнению с классическими ФЭУ. Показано, что причиной появления предымпульсов в ФЭУ является прямой фотоэффект на первом диноде или на фокусирующих электродах. Вероятность появления предымпульсов зависит от материала первого динода. Наибольшая вероятность появления предымпульсов наблюдается в ФЭУ с мультищелочным (Na2KCsSb) первым динодом (4-5% на фотоэлектрон). Наименьшая вероятность наблюдается в ФЭУ с первым динодом из сплавов Al-Mg-Ti-Sr(<0,l%).

Задержанные импульсы - это, по сути, те же основные импульсы, но задержанные на, приблизительно, двойное время пролета фотоэлектрона в катодной камере. В этом их принципиальное отличие от послеимпульсов. Возникновение задержанных импульсов объясняется обратным, упругим или неупругим, отражением фотоэлектронов от первого динода, фокусирующих электродов или элементов конструкции ФЭУ. На рис. 1а, б, в, г и д показаны распределения времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода ФЭУ серии EMI9350, ХР2982, ФЭУ-143-1, ЕТ9117В, ФЭУ-"БАИКАЛ-Г\ Это классические ФЭУ, различающиеся по конструкции, форме и материалу фотокатодов и первых динодов. Вероятность появления задержанных импульсов не превышает ~3-4%. Прямые исследования кинетики анодного свечения ФЭУ показывают, что данное свечение не может объяснить существование задержанных импульсов, рисЛе и ж. Анодное свечение не вносит заметного вклада во временной отклик современных вакуумных фотодетекторов. Такие же задержанные события наблюдаются в фотоумножителях с микроканальными пластинами (ФЭУ-МКП) и гибридных вакуумных фотодетекторах, как с полупроводниковыми диодами, так и с люминесцентными экранами. Таким образом, можно заключить, что задержанные импульсы являются характерной чертой всех вакуумных фотодетекторов.

Послеимпульсы - это импульсы, строго коррелированные с основным импульсом и отстающие от него на время от десятков наносекунд до десятков микросекунд. Основным источником послеимпульсов является ионизация

атомов остаточного газа в вакуумном объеме фотодетекторов. На рис.2а, бив показаны временные распределения послеимпульсов крупногабаритных вакуумных фотодетекторов Я5912, ЕМ19350 и КВАЗАР-370. Первые два фотодетектора являются классическими ФЭУ, а третий - гибридным фотодетектором, использующим люминесцентный экран в качестве первого каскада усиления. Из представленных спектров ясно, что в гибридных вакуумных фотодетекторах вероятность появления послеимпульсов существенно подавлена по сравнению с классическими ФЭУ. Одним из объяснений может служить тот факт, что в отличие от классических ФЭУ в гибридных фотодетекторах катодная камера вакуумно полностью отделена от области размножения электронов. Использование люминесцентного экрана приводит к высокому значению коэффициента усиления первого каскада, поэтому послеимпульсы, образованные в области последних каскадов умножения электронов, оказываются по амплитудам под порогами их регистрации.

Для проведения прецизионных временных калибровочных измерений в черенковских и сцинтилляционных детекторах разработаны источники световых импульсов наносекундной длительности повышенной интенсивности. Эти источники основаны на ультра ярких светоизлучающих диодах из соединений 1пОа^Оа№ В формирователях запуска светодиодов используются как специальные лавинные транзисторы (/ТХ415, /ТХ417, БММТ415 и БММТ417), так и тщательно отобранные для работы в лавинном режиме обычные кремниевые эпитаксиально-планарные транзисторы (КТ312Б, КТ646А). Длительность световых импульсов составляет 1-2 не (FWHM) при этом число фотонов в импульсе составляет 108-109. Возможно использование ультрафиолетовых, синих, голубых и зеленых светодиодов с максимумами излучения на длинах волн 370, 400, 470, 520 нм соответственно.

Во второй главе дается описание Байкальского глубоководного нейтринного телескопа НТ-200 и его калибровочной системы. Телескоп состоит из 192 оптических модулей, установленных на 8 вертикальных гирляндах, рис.3. Оптические модули на гирляндах объединяются в пары, включаются в совпадения с временным окном 15 нс и образуют первую функциональную единицу телескопа - оптический канал. Оптический модуль основан на гибридном вакуумном фотодетекторе КВАЗАР-370 (Р.И.Багдуев и др. Изв. АН. Сер. физ. 1993. Т.57. N.4. С. 135). Для проведения временных калибровочных измерений в телескопе установлена лазерная калибровочная система, состоящая из двух идентичных лазерных модулей и системы оптоволоконных кабелей. Один из лазерных модулей установлен на центральной гирлянде над телескопом, а другой на этой же гирлянде под

телескопом. Световые импульсы от нижнего лазерного модуля засвечивают все оптические модули телескопа прямо через воду, в то время как световые импульсы верхнего модуля направляются по оптоволоконным кабелям к каждому оптическому каналу телескопа. Основным элеменгом лазерных модулей является азотные лазеры. Длительность световых импульсов этих лазеров не превышает 1 нс. Смещение спектра излучения азотного лазера осуществляется с помощью лазера на красителе. В качестве красителя используется Coumarin 102 с максимумом излучения на длине волны 475 нм, что хорошо согласуется с "окном прозрачности" глубинных вод озера Байкал. В лазерном модуле автоматически изменяется интенсивность световых импульсов с помощью оптического аттенюатора переменной плотности.

Исследование влияния амплитуды регистрируемых сигналов на точность измерения времени оптическим каналом и электронной системой телескопа с помощью описанных выше наносекундных источников света показывает, что наблюдаемая в эксперименте зависимость временной отметки от амплитуды сигналов обусловлена полностью использованием дискриминаторов с фиксированным порогом во временном тракте электронной системы телескопа. На рис.4 показаны экспериментальные (точки) и расчетные данные (кривые а и б). Только при учете особенностей срабатывания дискриминаторов с фиксированным порогом наблюдается хорошее согласие экспериментальных и расчетных данных.

Оптоволоконная система состоит из 96 пластиковых оптоволоконных кабелей SERCOS-CUPOFLEX-LWLCL11 Y-l V2Y1Р980/1 ООО 200А производства фирмы SIEMENS длиной 120 м каждый. Все оптоволоконные кабели объединены на одном конце в план-шайбу, которая закрепляется на внешнем торце лазерного модуля на выходе светового пучка. Торцы оптоволоконных кабелей на выходе план-шайбы отполированы. Группы кабелей ответвляются от лазерного модуля к гирляндам телескопа и фиксируются вдоль каждой гирлянды, одна группа вдоль одной гирлянды. К каждому оптическому каналу гирлянды подводится один оптоволоконный кабель из группы. На конце кабеля устанавливается диффузный рассеиватель свега из полиметил-метакрилата, который закрепляется на металлическом кронштейне, на расстоянии см от оптического канала на равном удалении от каждого оптического модуля канала. Такая конструкция выбрана для равномерной засветки оптических модулей, составляющих канал. Так как все кабели подбираются равной длины, то излишки кабелей закрепляются в бухтах на кабель-троссах гирлянд. Таким образом, оптоволоконные кабели находятся под значительным гидростатическим давлением Кроме того,

кабели, прикрепленные к оптическим каналам, находящимся на разных

горизонтах по глубине, оказываются еще и под разными перепадами гидростатического давления. Поэтому было изучено влияние гидростатического давления на оптические параметры оптоволоконных кабелей. Абсолютное гидростатическое давление в диапазоне 0-И50 атм не оказывает какого-либо заметного влияния на параметры этих кабелей, тогда как обнаружено влияние величины перепада гидростатического давления на время прохождения и амплитуду светового сигнала в оптоволоконном кабеле. На рис.5а и б показаны измеренные зависимости этих величин от перепада гидростатического давления и его абсолютного значения соответственно. Было также проведено тщательное исследование влияния механических деформаций на оптические параметры кабелей. Задержка светового сигнала в оптоволоконном кабеле составляет ~5,2 нс/м. Оптические параметры кабеля практически остаются неизменными при механических изгибах кабеля с радиусом больше 2-ъЗ см.

Для оперативного тестирования и ремонта оптоволоконной системы во время проведения профилактических работ с нейтринным телескопом НТ-200 был разработан и создан мобильный измерительный стенд. Стенд состоит из наносекундного источника света, модуля быстрого ФЭУ ХР2020, импульсного генератора и источников напряжения питания. Точность измерения времени в этом стенде ~0,5 не. Весь стенд размещается в ящике размером который устанавливается в автомобиле. Данный

стенд успешно эксплуатируется более 7 лет.

Для натурных испытаний образцов новых разработок фотодетекторов, детекторной электроники и для отработки новых методов детектирования разработана и создана многоцелевая глубоководная экспериментальная гирлянда. Л.А.Кузьмичевым (Nucl. Instrum. and Methods. 2002. V.A482. P.304) впервые было указано на необходимость учета различия между фазовой и групповой скоростями распространения света в воде. Поэтому в рамках работ с экспериментальной гирляндой подготовлен и выполнен эксперимент по измерению дисперсии света в глубинных водах оз. Байкал в месте расположения нейтринного телескопа НТ-200. Использовались светодиодные источники света на трех длинах волн 370 нм, 470 нм и 520 нм. Длительность импульсов составляла —1 не. Число фотонов в одном импульсе —108-И09 не. Измеренные значения групповой скорости света составляют: Vjp^, 148±0,010)-108 м/с для А,=370±6 нм, Vrp=(2,193±0,009)-108 м/с для А,=470±11 нм и V^=(2,206±0,009)-108 м/с для Х=520±17 нм.

На рис.6а представлены расчетные кривые зависимостей группового и фазового показателей преломления воды и экспериментальные значения группового показателя преломления, полученные из измеренных значений

ю

групповой скорости света. Как видно из рисунка, наблюдается достаточно хорошее согласие экспериментальных и расчетных данных. На показаны зависимости временной задержки, обусловленной различием групповой и фазовой скорости света, от расстояния до точечного источника фотонов для разных длин волн. На расстоянии м задержка фотонов с от фотонов с нм составляет

В третьей главе описываются результаты исследований точности временных измерений с вакуумными фотодетекторами в черепковских детекторах широких атмосферных ливней: в наледном детекторе, работающем совместно с нейтринным телескопом и комплексной установке

ТУНКА.

Для изучения углового разрешения нейтринного телескопа НТ-200 в рамках Байкальского эксперимента разработан и создан наледный широкоугольный черепковский детектор ШАЛ (Р.В.Васильев и др. ПТЭ, 2001, N5, С.51), рис.7. Детектор состоит из 4-х оптических пунктов регистрации черенковского света ШАЛ, распределенных на ледовом покрове озера в форме звезды. Три оптических пункта располагаются в вершинах правильного треугольника, а четвертый - в его геометрическом центре. Расстояние от центрального оптического пункта до периферийного составляет м.

Расстояния между пунктами фиксируются с точностью ~10 см. Центральный оптический пункт установки смещен на 20 м относительно проекции центральной гирлянды нейтринного телескопа на плоскость ледового покрова озера. Центральная электронная система детектора размещается в одном из пунктов ледового лагеря, разбиваемого ежегодно в марте-апреле для профилактических и ремонтных работ с Основным элеменгом

оптического пункта является фотодетектор размещенный в

специальном контейнере. Фотодетектор был разработан именно

для использования в черенковских детекторах ШАЛ (Б.К.Лубсандоржиев и др. ПТЭ. 2001. N.3. С. 155.). Как отмечалось выше, установка работает в условиях светового фона ночного неба. Поэтому используется активный делитель напряжения питания ФЭУ, обеспечивающий стабильность коэффициента усиления ФЭУ в широком диапазоне внешнего светового фона. Полный коэффициент усиления фотодетектора составляет

На рис. 8 показана зависимость средней временной отметки и ее среднеквадратичного отклонения а/ от среднего анодного тока /а фотодетектора определяемого уровнем светового фона

ночного неба. На фотокатод фотодетектора подаются световые импульсы, соответствующие в среднем Как видно из рис.8 значения величин

и

( и а /практически не зависят от уровня светового фона при одной и той же импульсной засветке.

Зависимости средней временной отметки Г и ее среднеквадратичного отклонения Ст/ от средней амплитуды А фэ выходных сигналов фотодетектора КВАЗАР-370С 7(А фЭ) и ст/(Л фЭ) при световом фоне, соответствующем /а~30мкА, представлены на рис.9. Зависимость <У/(А фЭ) хорошо аппроксимируется следующей формулой:

где - средняя амплитуда сигнала в числе

фотоэлектронов. При изменении средней амплитуды сигнала в 60 раз смещение средней временной отметки составляет 2нс, а

среднеквадратичное отклонение временной отметки ст/ уменьшается в более чем 20 раз.

Во второй части третьей главы дается описание широкоугольного черенковского детектора ШАЛ ТУНКА, базовым элементом которого является также фотодетектор КБЛ3ЛР-3700. Детектор ТУНКА расположен в Тункинской долине Республики Бурятия в 3 км от пос. Торы и в 50 км от южной оконечности оз. Байкал. Детектор состоит из 25 основных и 4 дополнительных оптических пунктов, рис.10. Основной оптический пункт и электронная система детектора построены аналогично оптическому пункту и электронной системе наледного черенковского детектора. Основные оптические пункты в детекторе ТУНКА равномерно распределены в квадрате 340 х 340 м2, расстояние между ближайшими пунктами составляет 85 м. Условием выработки триггерного сигнала установки является срабатывание любых четырех основных оптических пунктов во временном окне 1 мкс. Четыре дополнительных оптических пункта (Р.В.Васильев и др. Изв. АН. Сер. физ. Т.65. №8. С. 1640.) созданы для регистрации формы черенковского излучения ШАЛ. Они основаны на быстрых фотоэлектронных умножителях ТЬогп-ЕМ1 Б668 с полусферическим фотокатодом диаметром ~ 20 см.

Для временной калибровки детектора каждый оптический пункт детектора последовательно засвечивается от одного и того же источника световыми импульсами длительностью через один и тот же оптоволоконный

кабель длиной 200 м. Измеряются времена срабатывания отдельных оптических пунктов, при этом триггерным сигналом является синхронизирующий импульс наносекундного источника света (Васильев Р. В., Лубсандоржиев Б.К., Похил П.Г. ПТЭ, 2000, N5, С. 12). Максимальная разность времен срабатывания оптических пунктов относительно

центрального пункта в этих калибровочных измерениях не превышает 5 нс. Аналогичные калибровочные измерения производились и с наледным черенковским детектором ШАЛ.

В четвертой главе дается описание атмосферного черенковского телескопа гамма-квантов высоких энергий MAGIC (рис. 11 а). Этот телескоп расположен на острове Ла-Пальма на высоте ~2,2 км над уровнем моря. Телескоп состоит из составного (934 зеркала размером 49,5x49,5 см2) параболического зеркала диаметром 17 м (Serf~234 м2), в фокальной плоскости которого установлена камера изображения. Камера изображения телескопа представляет собой мозаику из 574 ФЭУ, рис.116. Центральная часть камеры состоит из 394 ФЭУ размером 3 см, а периферийная часть - из 180 ФЭУ диаметром 5 см. Специально для этого эксперимента в фирме Electron Tubes Ltd были разработаны с полусферическими

фотокатодами диаметром 3 см и 5 см соответственно. Эти ФЭУ имеют абсолютно идентичные динодные системы с 6 каскадами умножения. Полное усиление ФЭУ с о с т а в л яе&4М алое усиление ФЭУ компенсируется применением быстрых трансимпедансных усилителей с коэффициентом усиления ~30 дБ. Такой подход позволяет реализовать наилучшие временное и амплитудное разрешения и высокий динамический диапазон при работе с данными показаны распределения времен

пролета при однофотоэлектронной засветке фотокатода и зарядовые распределения однофотоэлектронных импульсов соответственно.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:

1. Разработаны и созданы специализированные измерительные стенды для исследования временного разрешения вакуумных фотодетекторов, использующихся в ряде экспериментов в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей.

2. Исследованы основные факторы, влияющие на временное разрешение вакуумных фотодетекторов - предымпульсы, задержанные импульсы, послеимпульсы и импульсы, обусловленные свечением анодной области фотодетекторов. Результаты проведенных исследований показывают, что задержанные импульсы являются характерной чертой всех вакуумных фотодетекторов. Предымпульсы же характерны для классических фотоэлектронных умножителей. Причиной их появления является прямой фотоэффект на первом диноде или фокусирующих электродах. Задержанные импульсы обусловлены обратным, упругим и неупругим, отражением фотоэлектронов от первого динода или фокусирующих

электродов для фотоэлектронных умножителей и анодных узлов для гибридных фотодетекторов. Вероятность появления послеимпульсов в вакуумных гибридных фотодетекторах также существенно подавлена по сравнению с классическими фотоэлектронными умножителями и не превышает 1% на фотоэлектрон.

3. Исследованы основные факторы, влияющие на точность временных калибровочных измерений Байкальского нейтринного телескопа НТ-200. Изучено влияние внешних факторов (гидростатического давления, температуры, влажности и т.д.) на параметры отдельных элементов калибровочной системы телескопа. Разработан, создан и успешно эксплуатируется на протяжении ряда лет мобильный измерительный стенд для тестирования элементов оптоволоконной калибровочной системы нейтринного телескопа НТ-200 на льду оз.Байкал.

4. Подготовлен и выполнен эксперимент по измерению дисперсии света в глубинных водах оз. Байкал в месте расположения нейтринного телескопа НТ-200. Получены следующие основные результаты: измеренные значения групповой скорости света составляют:

для А.=370±6 нм, Vrp=(2,193+0,009)-10s м/с для а=470± 11 нм и V,p=(2,206+0,009)-108 м/с для Я.=520±17 нм. Результаты эксперимента

хорошо согласуются с расчетными данными. Проведена оценка влияния дисперсии среды на точность временных измерений в телескопе. Задержка во времени фотонов с длиной волны от фотонов с длиной волны

при прохождении 100 м в глубинной байкальской воде составляет ~ 8 не.

5. Исследовано влияние амплитуды зарегистрированных сигналов' на точность временных измерений в Байкальском нейтринном телескопе НТ-200 и черенковском детекторе широких атмосферных ливней ТУНКА. Результаты исследования показывают, что наблюдаемые смещения временных отметок, вырабатываемых фотодетекторами и электронными системами этих установок, обусловлены зависимостью времени срабатывания дискриминаторных систем установок от амплитуды регистрируемых сигналов.

6. Исследованы временные и амплитудные параметры вакуумных фотодетекторов атмосферного черепковского телескопа гамма-квантов высоких энергий MAGIC. Результаты исследований подтверждают в целом правильность основных конструкционных идей, заложенных в вакуумных фотодетекторах ЕТ9116В и ЕТ9117В (малое число каскадов умножения электронов наряду с фотокатодом полусферической формы и круговой динодной системой) для достижения высоких параметров фотодетектора.

Использование быстрых трансимпедансных предусилителей анодных импульсов позволяет успешно компенсировать малое собственное усиление фотодетекторов и достичь высоких временных и амплитудных разрешений.

7. Разработаны и созданы наносекундные источники света на основе ультра ярких светоизлучающих диодов из соединений InGaN/GaN для временных и амплитудных калибровочных измерений в экспериментах в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей. Число фотонов в импульсе составляет ~109 при длительности импульса 1-2 нс. В настоящее время эти источники активно используются в Байкальском нейтринном эксперименте и черенковском детекторе ШАЛ ТУНКА

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. V.A.Balkanov,........., R.V.Vasiliev et al. Registration of Atmospheric Neutrino with the

Baikal Neutrino Telescope NT-96 ¡1 Astroparticle Physics. 1999. V. 12. P.75.

2. В.А.Балканов,.......... Р.В.Васильев и др. Поиск околовертикалытых мюонов из

нижней полусферы в глубоководном эксперименте на оз.Байкал // Ядерная физика.

1999. Т.61. N.6. С.978.

3. B.K.Lubsandorzhiev,.........., R.V.Vasiliev et al. Photodetectors of the lake Baikal Neutrino

Experiment and TUNKA Air Cherenkov Array H Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V.A442. P.368.

4. B.K.Lubsandorzhiev, P.G.Pokhil, R.V.Vasiliev, A.G.Wright, Studies of Prepulses and Late Pulses in the 8" Electron Tubes Series of Photomultipliers. // Nucl. Instrum. And Methods.

2000. V.A442. P.452.

5. V.A.Balkanov........... R.V.Vasiliev et al. An upper limit on the diffuse flux of high energy

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

6. Р.В.Васильев, О.А.Грэсс, Т.И.Грэсс и др. Измерение формы импульса черенковского света ШАЛ на установке Тунка // Известия АН. Серия физическая. 2001. Т.65. N.8. С. 1640.

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

8. Р.В.Васильев, О.А.Грэсс, Е.Е.Корестелева и др. Угловое разрешение черенковского детектора широких атмосферных ливней, созданного для совместной работы с нейтринным телескопом НТ-200 // ПТЭ. 2002. N.5. С.51.

9. В.А.Балканов, С.А.Белянченко, Р.В.Васильев и др. Двухканальный фотоэлектронный умножитель "Байкал-2'7/ ПТЭ. 2002. N.1. С.100.

10. V. A.Balkanov,..........., R.V.Vasiliev et al. The lake Baikal Neutrino Experiment // Proc. of

the 27th ICRC. Hamburg Germany. 2001. V.3. P. 1096. Baikal status Hamburg 2001

11. V.A.Balkanov............. R.V. Vasiliev et al. A search for high energy neutrinos with Baikal

neutrino telescope NT-200 // Proc. of the 27й1 ICRC. Hamburg Germany. 2001. V.3. P.l 100.

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

13. B.Lubsandorzhiev, P.Pokhil, R.Vasiliev Light Beacon for calibration of the lake Baikal Neutrino telescope NT-200 // Proc. of the 21 ICRC. Hamburg Germany. 2001. V.3. P. 1294.

14. N.Budnev........... R.V.Vasiliev et al. Tunka FAS Cherenkov Array - Status 2001. // Proc.

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

15. V.A.Balkanov........... R.V.Vasiliev et al. The lake Baikal Neutrino Experiment: Selected

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

16. V.A.Balkanov,.......... R.V.Vasiliev et al. The lake Baikal Neutrino Experiment: present and

future. // Письма в ЭЧАЯ. 2001. N.3[106], C.21.

17. Буднев H.M.,.......... Васильев Р.В. и др. Энергетический спектр первичных

космических лучей вокруг "колена" // Изв. АН. Серия физическая Т. 66. N.11. 2002. С.1563. .

18. D.Paneque, ............, R.Vasiliev et al. Studies of the optical properties of new

hemispherical photomultiplier tubes // IEEE Trans, on Nucl. Sci. Vol.48. No.4. August 2001. P.1215-1219.

19. B.K.Lubsandorzhiev,......... R.V.Vasiliev et al. Measurements of group velocity of light in

the lake Baikal water // Nucl. Instrum. and Methods, 2003. VA502. P. 168.

20. V.A.Balkanov, ........... R.V.Vasiliev et al. Simultaneous measurements of water optical

properties by AC9 transmissometer and ASP-19 inherent optical properties meter in Lake Baikal//Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V.A498. P.231.

21. V.A.Aynutdinov,........... R.V.Vasiliev et al. Results from the Baikal Neutrino Telescope //

Proc. of the 28Л ICRC, Tsukuba Japan 2003. V.3. P. 1353.

22. B.K.Lubsandorzhiev, .........., R.V.Vasiliev et al. The lake Baikal neutrino experiment:

present status and future prospects//Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V.A502. P. 145.

23. Р.В.Васильев, БХЛубсандоржиев, П.Г.Похил, O.Streicher Влияние гидростатического давления на оптические параметры оптоволоконных кабелей калибровочной системы нейтринного телескопа НТ-200//ПТЭ. 2003. N.l. С.77.

24. Б.К.Лубсандоржиев, Л.А.Кузьмичев, Р.В.Васильев Влияние амплитуды регистрируемых сигналов на точность временных измерений в нейтринном телескопе НТ-200 // ПТЭ. 2003. N.2. С.42.

25. Р.В.Васильев, БХЛубсандоржиев, П.Г.Похил Наносекундный источник света для калибровочных измерений в сцинтилляционных и черенковских детекторах И ПТЭ. 2000. N.4. С. 148.

26. В.А.Балканов, Р.В.Васильев, Б.К.Лубсандоржиев и др. Однофотоэлемронные характеристики ФЭУ-184и //ПТЭ. 2001. N.5. С.98.

27. V.A.Balkanov............ R.V.Vasliev et al. The lake Baikal neutrino experiment // Ядерная

физика. 2003. T.66. N.3. C.530.

20 40 «0

во 100 120 140 1оО 180 200 Время не

г б

1411111111111 \ \

О 10 20 ЭО 40 50 60 70 Я) 6р*мя не

2 4 б 8 Ю »2 14 «»« 20 22 24 26 28 30 Время не

О Эк 40 вО в 100 12Е 140 1в> 180 200 220 240

Время не

Рис. 1. Распределение времен пролета фотоэлектронов при однофото-

электронной засветке фотокагода классических ФЭУ:

а) - серия ЕМ19350; б) - ХР2982; в) - ФЭУ-143-1; г) -ЕТ9117В;

д) - ФЭУ-"БАЙКАЛ-1"; е) и ж)- временные распределения времен пролета

фотоэлектронов и "анодного" свечения ФЭУ ЕМ19350 соответственно.

\У, отн. ед.

10 "

1

ю

а.

5000 ЮООО 15000 20000 25000 ЗОООО

б

г в

!Г ПН.Г' ,«Л|Т-! "Г У ^ГГ':5П * 5 * 'А ' ч 1

5 ООО 10000 15000 20000 23 ООО ЗОООО

Рис.2. Временные распределения послеимпульсов в вакуумных фотодетекгорах: а) и б) - классические ФЭУ 115912 и ЕМ19350 соответственно; в) - гибридный фотодетектор КВАЗАР-Э70

к береговому центру

Рис.3. Глубоководный нейтринный телескоп НТ-200

Рис.4. Зависимость временной отметки вырабатываемой оптическим каналом и электронной системой нейтринного телескопа НТ-200, от амплитуды А регистрируемых сигналов. а) и б) - расчетные кривые, полученные соответственно без учета и с учетом влияния зависимости положения временной отметки дискриминаторной системы от амплитуды регистрируемых сигналов; точки - экспериментальные результаты

Рис.5. а) Зависимость времени задержки и амплитуды светового сигнала в оптоволоконном кабеле калибровочной системы нейтринного телескопа НТ-200 от перепада гидростатического давления; б) - Зависимость времени задержки и амплитуды светового сигнала в оптоволоконном кабеле от гидростатического давления

1.42 r-1,40 -

И1-36"

| 1.36 -

I '

О 134 -

1,32 I---

300 400 500 600

Длина волны, им.

Рис.6. а) - Зависимость группового (кривая 1) и фазового (кривая 2) показателей преломления воды, точки - экспериментально измеренные значения группового показателя преломления глубинных вод озера Байкал в месте расположения нейтринного телескопа б) - Зависимость

временной задержки, обусловленной различием групповой и фазовой скорости света, для фотонов разных длин волн от расстояния до точечного источника фотонов; 1 - для X = 520 нм; 2-к = 470 нм; Ъ-Х- 370 им

Рис.7. Наледный черенковский детектор широких атмосферных ливней для совместной работы с глубоководным нейтринным телескопом НТ-200

Рис.8. Зависимость временной отметки / и ее среднеквадратичного отклонения ац от среднего анодного тока 7а фотодетектора КВАЗАР-37(Ю, обусловленного световым фоном ночного неба

Рис.9. Зависимость временной отметки г и ее среднеквадратичного отклонения Ст/от средней амплитуды выходных сигналов фотодетектора КВАЗАР-37(Ю при световом фоне, соответствующем среднему анодному току 30 мкА. • и А — экспериментально измеренные значения временной отметки и ее среднестатистического отклонения соответственно; - измеренные значения положения временной отметки после поправки на время-амплитудную зависимость срабатывания дискриминатора, использующегося в этих измерениях

Рис.10. План широкоугольного черенковского детектора широких атмосферных ливней

а б

Рис 11 Атмосферный черенковский детектор гамма-квантов высоких энергий MAGIC,

а) - общий вид детектора, б) - схема камеры изображения

Каналы ЗЦП BP>U" *с

Рис.12. Зарядовые распределения однофотоэлектронных импульсов (а и в) и распределения времени пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода (б и г) для фотодетекторов ЕТ9117В (а и б) и ЕТ9116В (в и г), входящих в состав камеры изображения телескопа MAGIC

Ф-т 60x84/8. Уч.-изд.л. 1,5 Зак. №21462 Тираж 100 экз. Бесплатно

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

¿г hu.

ьдодовг^ьдо." )

11 ИЮЛ 2005 ISMqk

Введение

Глава 1. Временные измерения с вакуумными фотодетекторами

1.1. Временные параметры вакуумных фотодетекторов

1.2. Методы измерения временных параметров вакуумных фотодетекторов

1.3. Наносекундные источники света

1.4. Основные факторы, влияющие на временное разрешение вакуумных фотодетекторов

1.4.1. Предыимпульсы в вакуумных фотодетекторах

1.4.2. Задержанные импульсы в вакуумных фотодетекторах

1.4.3. Кинетика анодного свечения в вакуумных фотодетекторах

1.4.4. Послеимпульсы в вакуумных фотодетекторах

Глава 2. Глубоководные нейтринные телескопы

2.1. Нейтринный телескоп НТ

2.2. Калибровочная система НТ

2.3. Влияние амплитуды зарегистрированных сигналов на точность временных измерений в нейтринном телескопе НТ

2.4. Влияние гидростатического давления на точность временных Измерений в нейтринном телескопе НТ

2.5. Оптические параметры оптоволоконных кабелей калибровочной системы НТ

2.6. Многофункциональная глубоководная экспериментальная гирлянда

2.7. Эксперимент по измерению дисперсии света в глубинных водах озера Байкал

Глава 3. Широкоугольные черенковские детекторы широких атмосферных ливней.

3.1. Гибридный вакуумный фотодетектор KBA3AP-370G 120 3.1.1. Фотоэлектронный умножитель для использования в составе фото детектора KB A3 AP-370G

3.2. Налёдный черенковский детектор широких атмосферных ливней

3.3. Черенковский детектор широких атмосферных ливней ТУНКА-

Глава 4. Атмосферные черенковские телескопы изображения

4.1. Атмосферный черенковский детектор гамма-квантов высоких энергий MAGIC

4.2. Временные и амплитудные характеристики фотодетекторов камеры изображения телескопа MAGIC

В настоящее время вакуумные фотодетекторы, классические фотоэлектронные умножители и гибридные фотодетекторы, активно используются практически во всех экспериментах в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей и играют в них ключевую роль. В большинстве случаев огромное значение для экспериментов имеет временная информация, получаемая с индивидуальных фотодетекторов. Эта информация определяет угловое разрешение детекторов, позволяет эффективно подавлять фоновые события и т.д. Особую важность временная информация с фотодетекторов приобретает в черенковских детекторах, где приходится иметь дело со слабыми световыми потоками и большим уровнем фоновых событий. Это можно проиллюстрировать на примере крупномасштабных глубоководных нейтринных телескопов, получивших большое развитие за последние тридцать лет, и черенковских детекторов широких атмосферных ливней, как широкоугольных, так и узкоугольных. Изучение природных потоков нейтрино и гамма-квантов высоких энергий и первичного космического излучения в области "колена" являются одними из важнейших задач современной экспериментальной физики высоких энергий, физики космических лучей и астрофизики. Поэтому особую актуальность приобретают исследования временных и амплитудных параметров вакуумных фотодетекторов как базовых элементов большинства экспериментов в этих областях физики.

Приведем примеры наиболее известных экспериментов в нейтринной астрофизике высоких энергий, физике космических лучей, гамма-астрономии высоких энергий, в которых временная информация с вакуумных фото детекторов играет ключевую роль. Более пяти лет успешно работает первый и пока единственный в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ-200 на озере Байкал [1,2]. Работы над аналогичными проектами ведутся в Средиземном море - ANTARES [3], NESTOR [4] и NEMO [5]. В Антарктиде, на Южном Полюсе, на глубине 1-4-2 км во льду несколько лет функционирует нейтринный телескоп AMANDA [6]. Там же начаты работы по созданию гигантского детектора ICECUBE [7] с рабочим объемом ~1 км\ Начаты также обсуждения проекта детектора GVD с таким же объемом на базе нейтринного телескопа НТ-200 на оз.Байкал [8]. Если же обратиться к области несколько меньших энергий, то в первую очередь следует упомянуть подземные черенковские нейтринные детекторы SUPER-KAMIOKANDE [9] и SNO [10]. Во всех этих экспериментах число используемых вакуумных фотодетекторов составляет от нескольких сотен до более десяти тысяч.

Регистрация черенковского излучения от ШАЛ является одним из самых эффективных средств для изучения первичного космического излучения в области так называемого "колена" (Е -З-Ю15 эВ). На сегодняшний день в этой области спектра работают широкоугольные черенковские детекторы ТУНКА [11] в России, BLANCA [12] в США и VULCAN [13] на Южном Полюсе. На протяжении 10 лет успешно функционировал черенковский детектор AIROBICC [14] на Канарском острове Ла-Пальма в Испании. В

17 области ультра высоких энергий (Е >10 эВ) много лет работает Якутская комплексная установка [15]. Активные работы ведутся по созданию гигантского детектора ШАЛ (Scn~3000 км2) Pierre Auger Observatory [16], в котором будут задействованы в общей сложности -15000 вакуумных фотодетекторов разного класса. Подготавливаются и спутниковые эксперименты с использованием большого числа вакуумных фотодетекторов, например, эксперимент EUSO [17].

Бурное развитие получила за последние 20 лет наземная гамма-астрономия высоких энергий. Первое поколение атмосферных черенковских телескопов изображения (IACT) WHIPPLE [18], HEGRA [19], CANGAROO [20], TACTIC [21] завершает свою деятельность триумфальным детектированием гамма-квантов высоких энергий от остатков сверхновых звезд, двойных звездных систем, активных галактических ядер (AGN) и т.д. Второе поколение наземных гамма-телескопов: MAGIC [22], H.E.S.S. [23], VERITAS [24], CANGAROO-III [25], имеют или будут иметь чувствительность на порядок или более большую по сравнению со своими предшественниками и полностью перекроют энергетическую область, ранее неисследованную спутниковыми и наземными экспериментами.

Во всех этих экспериментах вакуумные фотодетекторы играют исключительно важную роль, определяя энергетические пороги и угловое разрешение телескопов. Для успешного выполнения задач, стоящих перед экспериментами, использующими вакуумные фотодетекторы, и адекватной интерпретации результатов экспериментов необходимо в полной мере знать временное разрешение фотодетекторов и учитывать все факторы, влияющие на временное разрешение.

Цель работы. Целью настоящей работы являлось изучение временного разрешения вакуумных фотодетекторов и факторов, влияющих на временное разрешение, исследование точности временных измерений в экспериментах с вакуумными фотодетекторами, точности калибровочных измерений. Работа выполнена в рамках работ по созданию нейтринного телескопа НТ-200 и широкоугольного черенковского детектора ШАЛ ТУНКА. Научная новизна и практическая ценность работы. В ходе выполнения настоящей работы были выявлены и исследованы основные факторы, влияющие на временное разрешение вакуумных фотодетекторов -классических фотоэлектронных умножителей и гибридных фотодетекторов. Изучена природа предымпульсов, задержанных импульсов и послеимпульсов. Исследованы факторы, оказывающие влияние на точность временных измерений в экспериментах с вакуумными фотодетекторами в экспериментах в нейтринной астрофизике высоких энергий, физике космических лучей и наземной гамма-астрономии высоких энергий. Изучены точности калибровочных измерений в глубоководном нейтринном телескопе НТ-200 на озере Байкал, в наледном черенковском детекторе ШАЛ и широкоугольном черенковском детекторе ШАЛ ТУНКА. Основные результаты, представленные к защите.

Основными результатами, представленными к защите, являются результаты работ по исследованию точности временных измерений с вакуумными фотодетекторами в экспериментах в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей, изучению факторов, влияющих на временное разрешение вакуумных фотодетекторов, влиянию среды на точность временных измерений в глубоководных нейтринных телескопах. Апробация работы. Результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на межрегиональных конференциях по физике космических лучей в г.Москве в 2000 гг. и в г.Дубне в 2002 г, Международных конференциях по физике космических лучей в 2001г. (Гамбург, Германия), фотодетектированию в 1999г. (г.Бон, Франция) и черенковским детекторам в 2002г. (г.Пилос, Греция). Результаты работ докладывались на научных семинарах в ИЯИ РАН, НИИЯФ МГУ и ОИЯИ, на рабочих совещаниях коллаборации "Байкал".

Публикации. Сущность и новизна исследований, выполненных по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах Приборы и Техника Эксперимента, Nuclear Instruments and Methods A, Astroparticle Physics, Ядерная физика, Progress in Paricle and Nuclear Physics, Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра (ЭЧАЯ), IEEE Transactions on Nuclear Science, в трудах межрегиональных и международных конференций по физике космических лучей и физике нейтрино. Всего по теме диссертации опубликовано 27 работ, из них 19 в реферируемых журналах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общее количество страниц составляет 189, рисунков - 83 и таблиц - 7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны и созданы специализированные измерительные стенды для исследования временного разрешения вакуумных фотодетекторов, использующихся в ряде экспериментов в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей.

Исследованы основные факторы, влияющие на временное разрешение вакуумных фотодетекторов - предымпульсы, задержанные импульсы, послеимпульсы и импульсы, обусловленные свечением анодной области фото детекторов. Результаты проведенных исследований показывают, что задержанные импульсы являются характерной чертой всех вакуумных фотодетекторов. Предымпульсы же характерны для классических фотоэлектронных умножителей. Причиной их появления является прямой фотоэффект на первом диноде или фокусирующих электродах. Задержанные импульсы обусловлены обратным, упругим и неупругим, отражением фотоэлектронов от первого динода или фокусирующих электродов для фотоэлектронных умножителей и анодных узлов для гибридных фотодетекторов. Вероятность появления послеимпульсов в вакуумных гибридных фотодетекторах также существенно подавлена по сравнению с классическими фотоэлектронными умножителями и не превышает 1% на фотоэлектрон.

Исследованы основные факторы, влияющие на точность временных калибровочных измерений Байкальского нейтринного телескопа НТ-200. Изучено влияние внешних факторов (гидростатического давления, температуры, влажности и т.д.) на параметры отдельных элементов калибровочной системы телескопа. Разработан, создан и успешно эксплуатируется на протяжении ряда лет мобильный измерительный стенд для тестирования элементов оптоволоконной калибровочной системы нейтринного телескопа НТ-200 на льду оз.Байкал.

Подготовлен и выполнен эксперимент по измерению дисперсии света в глубинных водах оз. Байкал в месте расположения нейтринного телескопа НТ-200. Получены следующие основные результаты: измеренные значения групповой скорости света составляют: Vrp=(2,148±0,010)-108 м/с для А.=370±6 нм, Vip=(2,193±0,009)-10's м/с для А.=470±11 нм и Vrp=(2,206±0,009)-108 м/с для Х=520±17 нм. Результаты эксперимента хорошо согласуются с расчетными данными. Проведена оценка влияния дисперсии среды на точность временных измерений в телескопе. Задержка во времени фотонов с длиной волны л.=370 нм от фотонов с длиной волны /^=520 нм при прохождении 100 м в глубинной байкальской воде составляет ~ 8 нс.

Исследовано влияние амплитуды зарегистрированных сигналов на точность временных измерений в Байкальском нейтринном телескопе НТ-200 и черенковском детекторе широких атмосферных ливней ТУНКА. Результаты исследования показывают, что наблюдаемые смещения временных отметок, вырабатываемых фотодетекторами и электронными системами этих установок, обусловлены зависимостью времени срабатывания дискриминаторных систем установок от амплитуды регистрируемых сигналов.

Исследованы временные и амплитудные параметры вакуумных фотодетекторов атмосферного черенковского телескопа гамма-квантов высоких энергий MAGIC. Результаты исследований подтверждают в целом правильность основных конструкционных идей, заложенных в вакуумных фотодетекторах ЕТ9116В и ЕТ9117В (малое число каскадов умножения электронов наряду с фотокатодом полусферической формы и круговой динодной системой) для достижения высоких параметров фотодетектора. Использование быстрых трансимпедансных предусилителей анодных импульсов позволяет успешно компенсировать малое собственное усиление фотодетекторов и достичь высоких временных и амплитудных разрешений.

Разработаны и созданы наносекундные источники света на основе ультра ярких светоизлучающих диодов из соединений InGaN/GaN для временных и амплитудных калибровочных измерений в экспериментах в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей. Число фотонов в импульсе составляет ~109 при длительности импульса 12 не. В настоящее время эти источники активно используются в Байкальском нейтринном эксперименте и черенковском детекторе ШАЛ ТУНКА.

Благодарности

Выражаю глубочайшую благодарность и признательность моему Учителю Лубсандоржиеву Б.К. за постановку задачи, внимательное отношение, неоценимо полезные советы и помощь на всех этапах работы.

Огромное спасибо моим коллегам и товарищам, поддерживавшим меня и помогавшим мне на всех этапах диссертационной работы - Похилу П. Г., Вятчину Е.Э., Полещуку Р.В. и Шайбонову Б.А.

Также я очень признателен коллективу лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий, ИЯИ РАН, г. Москва, коллективу НИНЯФ МГУ и коллективу научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии, ОИЯИ, г. Дубна за чуткое отношение и понимание.

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

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

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

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

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

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

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

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

9. S.Fukuda et al. // Nucl. Instrum. and Methods. 2003. V.A501. P.418

10. J.Boger et al. //Nucl. Instrum. and Methods. 2000. V.449. P. 172

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

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

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

14. H.Karle A., Merck M., Plaga R. Et al // Astroparticle Physics. 1995. V.3. P.321.

15. V.I.Pravdin et al. // Proc. of the 28lh ICRC. 2003. V.5. P.229-232.

16. J.Abraham et al. //Nucl. Instrum. and Methods. 2004. V.523. P.50

17. M.Teshima et al. // Proc. of28lh ICRC. 2003. P. 1069

18. S.Cawley M.F. et al. // Exp. Ast. 1990. V. 1. P. 185

19. Daum A. Et al. // Astroparticle Physics. 1997. V.8. P. 1

20. Hara T. Et al. //Nucl. Instrum. and Methods. 1993. V.A332. P.300

21. Bhat C.L. et al. // Proc. of Workshop on VHE Gamma Ray Astronomy. 1997. P.196

22. M.Martinez et al. // Proc. of 28lh ICRC. 2003. P.2815

23. W.Hofmann et al. // Proc. of 28th ICRC. 2003. P.2811

24. S.P.Wakely et al. // Proc. of 28th ICRC. 2003. P.2803

25. A.Asahara et al. 11 Proc. of 28th ICRC. 2003. P.2807

26. Burle Photomultiplier Handbook // BURLE INDUSTRIES, INC., Tube Products Division, 1000 New Holland Ave., Lancaster, PA 17601-5688 U.S.A., 1989.

27. PHILIPS Photomultiplier Tubes // Philips Photonics, Brive France, 1994.

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

29. А.Г.Берковский, В.А.Гаванин, И.Н.Зайдель // Ваккумные фотоэлектронные приборы. М.: Радио и связь, 1988.

30. Electron Tubes, Photomultipliers // Electron Tubes Limited, 200131 .Н.А.Соболева, А.Е.Меламид Фотоэлектронные приборы // М.: Высшая школа. 1974.

31. И.И.Анисимова, Б.М.Глуховской. Фотоэлектронные умножители // М.: Советское радио. 1974. 64с.

32. McFarlane W.K. // Rev. Sci. Instrum. 1974. V. 45. № 2. P. 286.

33. Araki Т., Misawa H. // Rev. Sci. Instrum. 1995. V. 66. № 12. P. 5469

34. Araki T, Fujisawa Y., Hashimoto M. // Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68. № 3. P.1365.

35. Васильев P.B., Лубсандоржиев Б.К., Похил П.Г. // ПТЭ. 2000. № 4. С. 148.

36. Kapustinsky J.S., DeVries R.M., DiGiacomo N.J.et al. // Nucl. Instrum. and Methods. 1985. V. A241. P. 612.

37. Е.А.Мелешко, А.А.Митин. Измерительные генераторы в ядерной электронике // М. Атомиздат. 1981. С. 180.

38. NICHIA CHEMICAL Ltd Data Sheet. // TOKUSHIMA JAPAN, 1997.

39. W.Becker, A.Bergmann. Detectors for High-Speed Photon Counting. //htlp:/'vvwu .becker-hickl.com

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

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

42. Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. // Под ред. К.Зигбана. М. Атомиздат. 1969.

43. M.Ishii. M.Kobayashi. // Prog. Cryst. Growth Charact. Mat. 23(1992) 245

44. P.B.Coates. The origin of afterpulses in photomultipliers. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. V.6.P.1159-1166.

45. P.B.Coates. A theory of afterpulses formation in photomultipliers and the prepulse height distribution. //J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. V.6. P. 1862-1869.

46. G.A.Morton, N.M.Smith R.Wasserman. Afterpulses in photomultipliers. // IEEE Trans, in Nucl. Sci. 1967. February. P. 443-448.

47. S.Torre. T.Antony. P.Benetti. Study of afterpulse effects in photomultipliers. // Rev. Sci. Instrum. Vol. 54. No. 12. December 1983. P. 1777-1780.

48. О.Ю.Смирнов. P.Lombardi. G.Ranucci. Точные измерения временных характеристик фотоэлектронных умножителей ETL9351. // ПТЭ. 2004. №1. С 77-88

49. C.D.Ambrosio. H.Leutz. Photoelectron backscattering from silicon anodes of hybrid photodetector tubes. // CERN-EP/2000-076. 29 May 2000.

50. H.R.Krall.Extraneous light emission from photomultipliers. // IEEE Trans, in Nucl. Sci. 1967. February. P. 455-459.

51. С.С.Ветохин. И.Р.Гулаков.А.Н.Перцев и др. Одноэлектронные фотоприёмники. // М. Энергоатомиздат. 1986. с. 101.

52. Belolaptikov I.A., Bezrukov L.B., Borisovets В.A. et al. An sonar triangulation system for position monitoring of the Baikal underwater array // Proc. of the 24lh ICRC. Rome. 1995. V.l. P. 1001-1004.

53. А.Г.Ченский. Гидроакустическая система определения координат регистрирующих модулей Байкальского глубоководного нейтринного телескопа. // Кандидатская диссертация. ИЛИ РАН. 2002. 143 с.

54. П.Г.Похил. Фотодетекторы Байкальского Нейтринного Телескопа НТ-200 и Черенковского Детектора ШАЛ ТУНКА. // Кандидатская диссертация Москва ИЛИ РАН 2004.

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

56. T.Mikolaiski. PhD Thesis. //Humbolt University. Berlin. 1995. 162 p

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

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

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

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

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

62. Б.К.Лубсандоржиев. Детектор фотонов для нейтринных экспериментов на озере Байкал. // Кандидатская диссертация. Москва ИЛИ РАН. 1993. 167 с.

63. П.Г.Похил. Специализированный ФЭУ для фотоприемника KBA3AP-370. Дипломная работа. Москва МГУ им. М.В.Ломоносова. 37 с.

64. Ловцов C.B., Парфенов Ю.В., Растегин А.Э. и др. Труды Байкальской международной школы по фундаментальной физике. // Иркутск 1998. Издательство ИГУ Иркутск. 1998. С.279.

65. B.Lubsandorzhiev, P.Pokhil, R.Vasiliev. Two-channel optical module for the lake Baikal Neutrino Experiment // Proc. of the 27lh ICRC. Hamburg Germany. 2001. V.3.P.1294.71 .L.A.Kuzmichev. //Nuclear Instruments & Methods A482, 304 (2002).

66. Л.Д.Ландау. Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. // 1982. Наука. Москва.

67. А.Н.Матвеев. Оптика. 1985. // Высшая школа, Москва.

68. И.С.Григорьев. Е.С.Мейлихова. Физические величины. // справочник. 1991, Энергоатомиздат, Москва.75.Влияние давления на п

69. Б.А.Таращанский.//Кандидатская диссертация. 1999. ИЛИ РАН. Москва.

70. В.А.Балканов и др. Измерение скорости распространения светового сигнала в водном объеме Байкальского нейтринного телескопа НТ-200 // Препринт ИЛИ-1061 /2001. Июль 2001.

71. Б.К.Лубсандоржиев, П.Г.Похил. Фотокатоды для регистрации черенковского излучения в глубоководных нейтринных телескопах // ПТЭ.2004. N.5. С.20.

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

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

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

75. E.Lorentz. Prospects for photon detectors for high energy astroparticle physics experiment. // Proc. of 1-st Photodet. Workshop. Zeuten. 1998.

76. A.G.Wright.Amplifiers for use with photomultipliers-who need them? // A. 504 2003 p. 245-249.

77. D.Paneque. H.J.Gebauer. E.Lorentz. A method to enhance the sensitivity of photomultipliers for air Cherenkov telescopes. // Nuclear Inst, and Meth. A. 504. 2003. p. 109-115.

78. D.Paneque. A.Ostankov. P. Jason. Studies of the optical properties of new hemispherical photomultiplier tubes. // IEEE Trans. In Nucl. Sci. Vol. 48. NO. 4. August 2001.