Новый широкоапертурный годоскоп для мюонной диагностики процессов в атмосфере и околоземном пространстве

Н. В. АМПИЛОГОВ, И. И. АСТАПОВ, Н. С. БАРБАШИНА, В. В. БОРОГ, А. Н. ДМИТРИЕВА,
К. Г. КОМПАНИЕЦ, А. А. ПЕТРУХИН, А. И. ТЕРЕГУЛОВ, Д. В. ЧЕРНОВ, В. В. ШУТЕНКО, И. И. ЯШИН

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

НОВЫЙ ШИРОКОАПЕРТУРНЫЙ ГОДОСКОП ДЛЯ МЮОННОЙ ДИАГНОСТИКИ

ПРОЦЕССОВ В АТМОСФЕРЕ И ОКОЛОЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Обсуждаются особенности широкоапертурного сцинтилляционного мюонного годоскопа (СцМГ) с оптоволоконным светосбором, предназначенного для мюонной диагностики атмосферы Земли и околоземного пространства. Подробно рассмотрены структура СцМГ и конструкция его основного элемента – базового модуля, а также детектирующая и регистрирующая системы. Приведены результаты изучения характеристик созданного прототипа базового модуля СцМГ.

Одним из новых и перспективных методов исследований в солнечно-земной физике является мюонная диагностика, предназначенная для обеспечения непрерывного мониторинга и раннего обнаружения активных процессов в атмосфере Земли и гелиосфере. Метод мюонной диагностики основан на регистрации и анализе пространственно-временных вариаций проникающей компоненты вторичных космических лучей – мюонов. Их поток генерируется в верхней атмосфере в результате взаимодействий первичных космических лучей (ПКЛ) с ядрами атомов воздуха и, с одной стороны, несет информацию об активных процессах в гелиосфере, которые модулируют поток ПКЛ, а с другой – о процессах геофизического проис­хождения, влияющих на интенсивность вторичных космических лучей.

Для реализации данного метода необходимы координатно-трековые детекторы большой площади – мюонные годоскопы, способные в режиме реального времени регистрировать и определять параметры трека каждого мюона, пересекающего установку.

Первым в мире мюонным годоскопом является установка ТЕМП (МИФИ) созданная в 1995 г. [1]. Детектор ТЕМП состоит из двух двухкоординатных плоскостей (КП), разнесенных на расстояние 1 м. Одна КП содержит 256 каналов регистрации. Основным детектирующим элементом является длинная узкая полоска-стрип пластического сцинтиллятора (10 мм ´ 25 мм ´ 3000 мм). Сигнал с каждого стрипа снимается отдельным ФЭУ.

Для обеспечения лучшей точности и эффективности регистрации вариаций потока мюонов был создан мюонный годоскоп УРАГАН (МИФИ) [2]. УРАГАН имеет высокое пространственное (1 см) и угловое (~ 1°) разрешение и обладает большей по сравнению с ТЕМП, площадью (~ 45 м2). Детектор состоит из 4-х восьмислойных сборок – супермодулей (СМ). Каждый слой СМ представляет собой детектирующую плоскость на основе газоразрядных трубок, работающих в режиме ограниченного стримера, с внешней двухкоординатной системой считывания с помощью полосок-стрипов из алюминиевой фольги. На годоскопах УРАГАН и ТЕМП впервые были продемонстрированы возможности мюонной диагностики для изучения и заблаговременного обнаружения активных процессов, происходящих в атмосфере и околоземном пространстве [3–5]. Годоскопы ТЕМП и УРАГАН являются уникальными детекторами, которые первоначально создавались для решения задач физики высоких энергий, поэтому их детектирующие системы не оптимизированы для мюонной диагностики. Полученный опыт эксплуатации этих установок позволил выработать требования, которым должны удовлетворять координатно-трековые широкоапертурные годоскопы: площадь регистрации > 40 м2; угловое разрешение < 2°; эффективность регистрации трека мюона детектирующим элементом > 99 %; модульный принцип построения, технологичность, удобство монтажа и транспортировки, простота и дешевизна эксплуатации.

Исходя из этих требований был разработан новый сцинтилляционный мюонный годоскоп (СцМГ). Он состоит из четырех СМ, каждый из которых представляет собой самостоятельный детектор площадью ~ 11.4 м2. Каждый СМ имеет несколько двухслойных КП, закрепленных на общей раме, обеспечивающей возможность вращения вокруг горизонтальной (±45°) и вертикальной (360°) осей. Конструкция СцМГ с двумя координатными плоскостями представлена на рис. 1. Расстояние между центрами крайних плоскостей 1 м. Функционально все СМ являются одинаковыми, что дает возможность объединения их статистики. Основным детектирую­щим элементом СцМГ является длинная полоска-стрип пластического сцинтиллятора (10.6 мм ´ 26.3 мм ´ 3500 мм, AMCRYS-H, Украина [6]) на основе полистирола с добавлением 2 % p-терфенила и 0.02% POPOP. Для улучшения светосбора стрипы покрыты диффузно отражающим покрытием из смеси полистирола и TiO2. По центру одной из больших граней стрипа выполнена канавка (глубиной 2 мм, шириной 1.6 мм) для вклейки оптическим клеем (BC-600, Saint-Gobain, США) многослойного спектросмещающего оптического волокна (файбера, Kuraray Y11-175 1 mm, Япония). Один конец файбера каждого стрипа заведен на соответствующий пиксел 64-анодного ФЭУ H7546 (Hamamatsu, Япония). При прохождении заряженных релятивистских частиц через стрип образуется сцинтилляционная вспышка, фотоны которой частично попадают в спектросмещающее оптоволокно и, переизлучаясь в зеленую часть спектра, доходят до ФЭУ. Обладая большой длиной ослабления, файбер позволяет использовать относительно недорогой сцинтиллятор, что существенно снижает стоимость годоскопа.

Координатная плоскость детектора состоит из двух слоев со взаимно-ортогональным расположением стрипов. Каждый слой отвечает за одну координату КП и формируется из двух базовых модулей (БМ).

БМ представляет собой сборку из 64 стрипов, объединенных светоизолированным корпусом с одним ФЭУ. Схема БМ приведена на рис. 2, слева. Для сборки БМ и придания ему необходимой жесткости использована технология крепления элементов с помощью двухстороннего скотча. На поверхность листа алюминия с размерами 0.8´1689´3500 мм3 наклеивается двухсторонний скотч Oramount 1811 (ORAFOL, Германия). На вторую клейкую поверхность последовательно укладываются стрипы. Сверху вся сборка накрывается вторым листом алюминия с двухсторонним скотчем. В результате образуется плотный "сэндвич", позволяющий эффективно светоизолировать и защитить стрипы от повреждений.

Рис. 2. Схема базового модуля СцМГ: слева – схема компоновки БМ; справа – оптический разъем

Для улучшения светосбора противоположный фотоумножителю конец заклеенного в стрип оптоволокна полируется и вместе со всей канавкой заклеивается посеребренным зеркальным скотчем на полиэфирной основе (850, 3M, США). Это увеличивает световыход со стрипа более чем на 30%. Незаклеенные концы оптоволокна от каждого стрипа, располагающиеся в блоке оптической разводки (БОР), сведены в оптический разъем, с помощью которого центры концов файберов позиционируются напротив центрами соответствующих ячеек фотокатода ФЭУ (рис. 2, справа). Конструкция БОР обеспечивает светоизоляцию и предохраняет хрупкое оптоволокно, а также обеспечивает поперечную жесткость всей сборки. Рядом с БОР находится отсек размещения ФЭУ и front-end электроники. Конструктивно все БМ годоскопа одинаковы и взаимозаменяемы.

Блок-схема регистрирующей системы СМ представлена на рис. 3. Основу всей считывающей электроники БМ составляет 64-канальная специализированная интегральная микросхема, на которую приходят сигналы со всех каналов ФЭУ H7546. Каждый канал включает в себя предусилитель с регулируемым коэффициентом усиления для компенсации разброса коэффициентов усиления каналов ФЭУ (могут отличаться в 3 раза), зарядочувствительный усилитель и компаратор с регулируемым порогом. Данная микросхема имеет мультиплексированный аналоговый выход.

Сформированные сигналы поступают на программируемую логическую микросхему (FPGA), обеспечивающую формирование триггера первого уровня. При срабатывании хотя бы одного из каналов FPGA передает в центральный блок триггирования и считывания данных (DAQ&Trig. Controller FPGA) триггерный сигнал OR(64). При наличии сигнала OR с двух КП

Рис. 3. Блок-схема электроники годоскопа

внешняя триггерная система формирует сигнал хранения (Hold) и возвращает его во все FPGA базовых модулей. В этом случае информация о всех сработавших каналах считывается DAQ. Данные о зарегистрированном событии в режиме on-line проходят анализ в триггерной системе верхнего уровня. С помощью FPGA осуществляется управление настройками микросхемы усилителя–формирователя–компаратора и блоком питания высокого напряжения ФЭУ (HV). На плате ФЭУ также расположена двухканальная система светодиодной (СИД) подсветки, состоящей из контроллера и двух плат управления светодиодами, которые обеспечивают необходимую длительность и регулируемую мощность световых импульсов [7]. Система СИД подсветки позволяет измерять диапазон линейности спектрометрического тракта и проводить калибровку ФЭУ. Управление режимом работы контроллера также осуществляет FPGA по командам с компьютера.

Для изучения характеристик регистрирующих каналов, а также для отработки конструктивных решений и процедур сбора информации был создан прототип базового модуля (ПБМ), состоящий из 16 стрипов. В качестве фотоприемника использовался 16-анодный ФЭУ H8711, Hamamatsu. Структура ПБМ аналогична конструкции БМ. Фронтальная часть прототипа совмещает в себе отсеки оптической разводки и электроники, разделенные стальной несущей панелью и оптическим разъемом.

Сигналы с ФЭУ анализировались 4-канальным цифровым осциллографом CAEN VME V1729. С помощью встроенной в ПБМ системы СИД были измерены коэффициенты усиления всех каналов ФЭУ H8711 (при UHV = –850 В) и диапазон линейности. У канала с максимальным коэффициентом усиления (канал №16, Kус = 2.9´106) диапазон линейности ограничен 64 ф. эл. Для изучения зависимости световыхода от расстояния до места пересечения стрипа мюонами использовался калибровочный телескоп (КТ). Для подавления мягкой компоненты над нижним счетчиком КТ был установлен свинцовый блок толщиной 5 см. Измеренная зависимость для трех стрипов показана на рис. 4. Из приведенных графиков видно, что минимальный световыход с дальнего конца соответствует величине ~ 5 ф. эл, что при пороге компаратора 0.3 ф. эл. соответствует эффективности регистрации мюона > 99 %, которая удовлетворяет предъявленному выше требованию.

Рис. 4. Световыход стрипов от расстояния от начала файберов до оси КТ

Результаты изучения характеристик созданного прототипа базового модуля показали эффективность найденных конструктивных и технологических решений и продемонстрировали возможность обеспечения надежной регистрации мюонных треков в СцМГ. Прототип может использоваться как основа для создания полномасштабного годоскопа.

Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД при поддержке Роснауки, Рособразования, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на годы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. , , // Изв. РАН. Сер. физ. 1995. Т. 59. № 4. С. 191.

2. , , и др. // ПТЭ. 2008. № 2. С. 26.

3. , , // Изв. РАН. Сер. физ. 1999. Т. 63. № 1. С. 24.

4. , , // Изв. РАН. Сер. физ. 2003. Т. 67. № 4. С. 515.

5. , , и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71. № 7. С. 1072.

6. Amcrys-H Scintillation materials and detectors [Электронный ресурс] : коммерческий отдел научно-производственного комплекса / Институт монокристаллов. Харьков, Украина: 1998. Режим доступа к ресурсу: http://www.

7. Aynutdinov V.M., Bonifazi C.B., Creusot A. et al. // Proc. 28th ICRC. Tsukuba. Japan. 2003. V. 2. P. 825.