Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема детектирования солнечных нейтрино
1.1. Стандартная Солнечная Модель и поток нейтрино на Земле
1.2. Необходимость измерения потока солнечных нейтрино
1.3. Виды нейтринных детекторов, их особенности
1.4. Эксперименты по детектированию солнечных нейтрино
1.5. Модель нейтринных осцилляции
Глава 2. Детектор Борексино
2.1. Общее описание
2.2. Устройство детектора
2.3. Особенности и преимущества детектора
2.4. Устройство аппаратной части детектора
2.5. Описание программного обеспечения детектора
2.6. Алгоритм обработки данных
Глава 3. Контроль темповых шумов ФЭУ в детекторе Борексино
3.1. Физическая природа темновых шумов ФЭУ
3.2. Особенности работы ФЭУ в однофотоэлектронном режиме
3.3. Необходимость контроля темновых шумов
3.4. Требования к системе контроля темновых шумов
3.5. Использование шины CAN
3.6. Устройство системы контроля темновых шумов
3.7. Возможность использования системы в других физических установках
Глава 4. Анализ темновых шумов ФЭУ
4.1. Необходимость анализа темновых шумов ФЭУ
4.2. Обзор существующих работ по анализу темновых шумов
4.3. Особенности системы анализа темновых шумов детектора Борексино
4.4. Направления исследования и полученные результаты
4.4.1. Общие характеристики темновых шумов ФЭУ
4.4.2. Влияние темновых шумов на частоту срабатывания триггеров событий
4.4.3. Определение ФЭУ с высоким уровнем темнового шума
4.4.4. Форма спектра сигнала с ФЭУ (оценка периодических вариаций с использованием Фурье-анализа)
4.4.5. Корреляции между отдельными ФЭУ и группами ФЭУ детектора
4.4.6. Зависимость от внешних макроскопических параметров
4.4.7. Изучение характера изменения сигнала с течением времени
4.4.8. Изучение влияния переходных процессов в детекторе на работу ФЭУ
4.4.9. Результаты, полученные в эксперименте Борексино
Заключение
Список литературы
- Необходимость измерения потока солнечных нейтрино
- Особенности и преимущества детектора
- Особенности работы ФЭУ в однофотоэлектронном режиме
- Обзор существующих работ по анализу темновых шумов
Введение к работе
Актуальность работы
Исследование характеристик темновых шумов ФЭУ детектора Борексино играет большую роль в обеспечении работоспособности установки и корректной регистрации солнечных нейтрино.
Детектор Борексино (Италия) предназначен для прямого измерения потока солнечных нейтрино с энергией 0,86 МэВ в режиме реального времени. 7Ве-нейтрино образуются в реакции рр цикла на Солнце:
7Ве + е" -» 7Li + ve. 90% нейтрино, образующийся в этой реакции, имеют энергию 0,86 МэВ, а 10% - 0,38 МэВ. Детектирование происходит в реакции упругого рассеяния нейтрино на электронах в сцинтилляторе:
е~ +vc — е" + ve\ Электрон отдачи е" вызывает сцинтилляцию, а образовавшиеся в этом процессе фотоны регистрируются ФЭУ. Теоретический спектр электронов отдачи имеет вид непрерывного плато, область спада которого приходится на энергию 0,66 МэВ, но из-за ограниченного энергетического разрешения детектора происходит его расширение до 0,8 МэВ. В эксперименте регистрируются электроны, взаимодействовавшие с Ве-нейтрино, в диапазоне энергий 0,25 - 0,80 МэВ. Измерение потока нейтрино позволит подтвердить существование нейтринных осцилляции для Ве-нейтрино, уточнить параметры и конкретную модель осцилляции, подтвердить механизмы реакций, обеспечивающих светимость Солнца.
Рабочим веществом детектора является органический сцинтиллятор, который контролируется 2212 фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Кроме того в качестве мюонного вето используется еще 208 ФЭУ. Таким образом, фиксирование реакции рассеяния нейтрино на электронах происходит путем обработки сигналов с ФЭУ. В связи с этим состояние ФЭУ необходимо контролировать. Темновой шум является неотъемлемой характеристикой ФЭУ. Поэтому одним из основных контролируемых параметров в детекторе является интенсивность темнового шума ФЭУ. Слишком высокий или слишком низкий уровень интенсивности темнового шума свидетельствует о
неисправности ФЭУ. Своевременное обнаружение подобных событий является основной задачей системы контроля темновых шумов ФЭУ, которая входит как независимый модуль в единую систему контроля состояния детектора Борексино. Следует отметить, что данная система развернута параллельно основной системе сбора физических данных.
Наряду с оперативным контролем уровня темновых шумов, актуальной задачей является вычисление их статистических параметров. Для этого была создана система анализа темновых шумов. Основные направления анализа: вычисление спектра интенсивности темновых шумов отдельных ФЭУ или групп ФЭУ, поиск периодической зависимости сигналов с ФЭУ, поиск долговременных тенденций изменения сигнала. Также можно исследовать корреляции между интенсивностями отдельных ФЭУ или групп ФЭУ, корреляции с параметрами внешней среды: температурой, давлением, уровнем радиационного фона. Для операторов, контролирующих и обслуживающих установку, является полезной информация о характере изменения сигнала ФЭУ при включении и выключении высокого напряжения, подаваемого на ФЭУ. Только фиксация и объяснение всех перечисленных процессов либо доказательство их отсутствия может гарантировать достоверность получаемых на физической установке данных.
После запуска детектора в эксплуатацию производится сохранение значений интенсивности темновых шумов со всех 2420 ФЭУ установки с периодичностью, достаточной для контроля состояния ФЭУ в течение всего времени работы установки. Эти данные планируется хранить до тех пор, пока в них будет необходимость. В дальнейшем возможно проведение других видов исследований на основе этих данных.
Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы является анализ темновых шумов ФЭУ в детекторе Борексино, в частности, исследование спектра и интенсивности темновых шумов ФЭУ. Данные исследования позволяют быть уверенными в целостности данных, используемых для выявления нейтринных событий в детекторе. Также анализ темновых шумов помогает выявлять неисправные ФЭУ, подтверждает стабильность работы детектора и отсутствие нестандартных характеристик в получаемых с ФЭУ сигналах в период рабочих запусков установки.
Для достижения этой цели была создана система контроля и анализа темновьгх шумов ФЭУ. С помощью разработанной системы было проведено накопление информации о темновых шумах и анализ собранных данных.
Основные положения, выносимые на защиту
Создана система контроля темновых шумов ФЭУ нейтринного детектора Борексино, позволяющая отслеживать состояние ФЭУ в течение всего времени эксплуатации детектора и обеспечивающая своевременную реакцию на возникновение неисправностей оборудования.
Разработана методика анализа данных о темновых шумах ФЭУ для детектора Борексино, необходимая для подтверждения достоверности получаемых с ФЭУ данных о величине потока 7Ве-солнечных нейтрино на Земле и о наблюдении нейтринных осцилляции, на основании исследования накопленной информации о физических параметрах детектора.
Разработана архитектура, позволяющая создавать системы контроля и анализа данных для средних и больших ядернофизических установок на основе проверенных в практической эксплуатации модулей, соединенных стандартизированными интерфейсами и использующих для обмена данными распространенные протоколы.
Научная новизна
Впервые создана система контроля и анализа данных о темновых шумах ФЭУ, имеющая распределенную архитектуру, допускающая масштабирование, позволяющая интерактивный доступ через сеть Интернет и использующая стандартизированную шину CAN (Controller Area Network) для обмена данными. Кроме того, на основе методов и технологий, использованных в системе контроля темновьгх шумов ФЭУ, впервые разработана законченная аппаратно-программная платформа для создания систем контроля, накопления и анализа физических данных.
Уникальность разработанной системы состоит в том, что она удостоверяет полученные на детекторе Борексино физические данные о потоке нейтрино и, следовательно, обеспечивает возможность детектирования низкоэнергетических нейтрино на Земле.
Практическая значимость
Разработанная система является необходимой для нормального функционирования детектора Борексино. Система будет использоваться для контроля работы детектора в течение всего времени его эксплуатации, т.е. примерно 10 лет. Благодаря своей архитектуре система может быть легко адаптирована для осуществления планируемых в будущем на детекторе задач: поиск гео-нейтрино, наблюдение взрывов сверхновых.
Опыт использования системы контроля темновых шумов детектора Борексино позволяет использовать в будущем данную систему как основу для построения распределенных систем контроля в режиме реального времени для других физических установок.
Личный вклад автора
Автор разработал ряд программных модулей, входящими в состав системы контроля темновых шумов ФЭУ детектора Борексино: модуль обработки и хранения данных, модуль визуализации данных. Кроме того автор участвовал в развертывании системы контроля темновых шумов в Италии и является ответственным за работу ее программной части. Автор создал тестовый стенд, эмулирующий работу системы, в НИИЯФ МГУ в лаборатории группы "систем управления ускорителями и диагностики пучка". Автор разработал методику исследования интенсивности и спектра темновых шумов. Также автор организовал сбор, обработку данных о темновых шумах ФЭУ после запуска детектора и провел их анализ.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на международных конференциях и совещаниях:
На конференциях Ломоносов - 2005 и Ломоносов - 2006, Москва, Россия, март 2005 г. и март 2006 г.
На 19-ой Международной конференции IWCPA-2005 (International Workshop on Charged Particle Accelerators), Алушта, Крым, Украина, сентябрь 2005 г.
На 6-ой Международной конференции «Промышленная сеть CAN-bus и связанные с ней информационные технологии», Мытищи, Россия, март 2007 г.
4. На 57-ой Международной конференции ЯДРО-2007 «Фундаментальные проблемы ядерной физики, атомной энергетики и ядерных технологий», Воронеж, Россия, июнь 2007 г.
Публикации
Д.И. Орехов, Д.И. Маймистов, А.С. Чепурнов. Система контроля темновых шумов фотоэлектронных умножителей детектора Борексино. // Тез. докл. конференции «Ломоносов-2005». Москва, Россия, Апрель 2005. Том 1, с. 34.
Д.И. Маймистов, Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов. Комплекс интерактивного программного обеспечения для контроля данных, поступающих с детектирующих устройств. // Тез. докл. конференции «Ломоносов-2006». Москва, Россия, Апрель 2006. Том 1, с. 97.
Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, А.А. Сабельников, А.В. Этенко, Д.А. Маймистов. Система контроля темновых шумов ФЭУ для нейтринного детектора Borexino с применением протокола DeviceNet и доступом через web. // Препринт НИИЯФ МГУ. 2006-10/809.
A.S. Chepumov, D.I. Orekhov, D.A. Maimistov, A.A. Sabelnikov, A.V. Etenko. PMT dark noise monitoring system for neutrino detector Borexino based on the DeviceNet protocol and web—access. II Problems of Atomic Science and Technology. Series «Nuclear Physics Investigations». 2006. №3. p. 131-133.
Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, A.A. Сабельников, Д.И. Маймистов. Распределенная система сбора и анализа данных на основе CAN-bus. // Приборы и техника эксперимента. 2007. №4. с. 65-72.
D.I. Orekhov, A.S. Chepumov, A.A. Sabelnikov. Photomultipliers dark noise monitoring system for neutrino detector. II Proceedings of 57-th international conference «Nucleus-2007» «Fundamental problems of nuclear physics, atomic power engineering and nuclear technologies». Voronezh, Russia, June 2007. p. 301.
Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, A.A. Сабельников, А.В. Этенко. Система контроля
темновых шумов фотоэлектронных умножителей для нейтринного детектора
Borexino. // Вестник МГУ. 2008. Серия 3. Физика и астрономия. №3. с. 54-58.
8. Д.И. Орехов, А.С. Чепурнов, А.А. Сабельников. Промышленная система контроля и анализа данных на основе распределенных контроллеров, объединенных сетью CAN-bus. // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2008. №2(59). с. 126-131.
Необходимость измерения потока солнечных нейтрино
Наблюдение солнечных нейтрино позволяет осуществить непосредственную проверку модели термоядерных реакций на Солнце. Поскольку в центре Солнца при плотности вещества порядка 102 г/см3 средняя длина свободного пробега фотонов составляет менее 1 см ( L 1/р), из внутренних областей электромагнитное излучение выходит сильно трансформированным в результате множественных актов рассеяния. Время выхода тепловой энергии из недр Солнца за счет лучистой теплопроводности и конвекции составляет порядка 10 лет. Поэтому использование обычных оптических и радиоастрономических методов может дать информацию об излучении с поверхности звезд. Единственным источником, дающим информацию о событиях, происходящих в центре Солнца, является нейтрино. Таким образом, измерение потока солнечных нейтрино необходимо для доказательства справедливости ССМ и уточнения параметров данной модели [7].
Перед тем, как рассмотреть виды нейтринных детекторов, выделим характерные особенности и проблемы, возникающие при детектировании нейтрино. Исходя из вышесказанного, у большинства детекторов нейтрино (как солнечных, так и нейтрино от других источников) можно выделить следующие общие характеристики: 1) детектор приспособлен для детектирования одного типа нейтрино от определенного источника; иногда в эксперименте дополнительно ставится задача регистрации других типов нейтрино, попадающих в наблюдаемый детектором энергетический диапазон. 2) детектор находится глубоко под землей или под водой для защиты от космического излучения: пи-мезонов и мюонов, образующихся в атмосфере при взаимодействии с космическими лучами; для детекторов, расположенных на суше, глубина, как правило, составляет 1-2 км, для ее измерения вводят специальную единицу -метр водного эквивалента (м.в.э.), 2,7- -2,9 м.в.э. 1 м. в зависимости от характера горной породы; 3) детектор имеет большой размер для набора достаточной статистики в виду малого сечения взаимодействия нейтрино и, соответственно, сравнительно малое число регистрируемых событий; 4) скорость захвата нейтрино в земных условиях зависит от вещества детектора и размеров детектора, а также от энергии нейтрино. Типичное значение скорости захвата -от нескольких сотен или до нескольких тысяч событий в год; 5) одной из важнейших задач в процессе проектирования, установки и настройки детектора является борьба с фоном; для этого, как правило, необходимо выполнение следующих условий: a. многослойное экранирование детектора от внешних излучений, в частности космические мюонов, b. обеспечение и постоянный контроль радиационной частоты используемых материалов, детектирующего вещества, детектирующего оборудования, в частности ФЭУ.
В этой реакции образуется нестабильное ядро Y(Z+1, А). Радиоактивный распад ядра Y(Z+1, А) используется для детектирования солнечных нейтрино. Также любой радиохимический метод характеризуется невозможностью прямого подсчета регистрируемых нейтрино. Т.е. сначала происходит накопление данных, - часть пролетающих сквозь детектор нейтрино реагирует с веществом детектора, в детекторе происходит накопление продуктов реакции. После окончания набора данных с помощью химических методов продукты реакции с нейтрино извлекаются из вещества детектора и подсчитываются. Кроме того радиохимические методы не могут дать никакой информации о направлении прилета нейтрино.
Нейтринные детекторы, основным процессом в которых является рассеяние на электронах, можно разделить в зависимости от основного вещества детектора, а также способа детектирования электронов рассеяния, на следующие типы: - черенковские, - сцинтилляционные, - на основе время-проекционной камеры. В некоторых из проведенных экспериментов наряду с реакциями рассеяния для детектирования нейтрино также применялись реакции поглощения на ядрах активного вещества детектора. Несмотря на то, что детектор в таких экспериментах также является черенковским, данный способ детектирования имеет одно принципиальное отличие. Реакции поглощения происходят за счет слабого взаимодействия и, в зависимости от того, через какие токи идет реакция — заряженные или нейтральные, реакция может быть чувствительна либо только к электронным нейтрино, либо ко всем ароматам нейтрино.
Детекторы двух последних типов (использующие рассеяние на электронах и поглощение) являются детекторами прямого счета, и поэтому лишены основного недостатка, присущего радиохимическим детекторам: работают в реальном времени и, следовательно, позволяют определить точное время прилета нейтрино.
Регистрация образовавшихся фотонов и позволяет получить информацию о нейтринном событии. Данный способ детектирования является прямым, т.к. фиксируется непосредственно выбивание электрона. Этим он отличается от, например, радиохимических методов, в которых факт взаимодействия определяется путем сложных химических методов, требующих большого времени. Поэтому черенковский детектор, как и все эксперименты с рассеянием нейтрино, позволяет точно определить время прилета частицы.
Такая методика позволяет регистрировать все ароматы нейтрино, но в смешанном потоке разных ароматов нейтрино она более чувствительна к электронным нейтрино. Ее достоинство заключается в том, что можно определить достаточно точно, откуда прилетело нейтрино, так как вылетевший электрон сохраняет направление движения нейтрино. Еще одним преимуществом данного метода является дешевизна основного вещества детектора - воды.
Особенности и преимущества детектора
Борексино является первым детектором, созданным специально для детектирования солнечных 7Ве-нейтрино. А так как 7Ве-нейтрино имеют низкую энергию, то ключевой особенностью детектора является необходимость сильного уменьшения уровня фонового излучения, вызванного естественной радиацией, причем как проникающего из внешней среды, так и продуцируемого самим детектором.
Особенностью детектирования нейтрино низких энергий является малочисленность исследуемых событий. Ожидаемая частота регистрации нейтрино в Борексино равна 0,5 событий в день на тонну вещества детектора. Это дополнительная причина, из-за которой критически важно поддерживать низкий уровень фона в детекторе.
Для уменьшения фона от радиоактивных изотопов используется химическая отчистка сцинтилляционной жидкости. Для защиты от радона и криптона применяется внешняя нейлоновая сфера. Единственный способ добиться необходимой чистоты сцинтиллятора от изотопа 14С — это использование органической жидкости нефтехимического производства, такой как псевдокумол.
Данные процедуры позволяют уменьшить содержание тяжелых изотопов, но не избавится от них полностью. В таблице 4 указаны рассчитанное число событий и массовые доли примесей в активной области детектора для тяжелых изотопов, а также для сравнения теоретическая приведена скорость счета Ве-нейтрино.
Экспериментально полученные значения концентрации U и Th очень малы и не могут внести в скорость счета детектора вклад, сравнимый с Ве-нейтрино. Кроме того измеренные концентрации показывают, что данные радиоактивные ряды в детекторе находятся в состоянии векового равновесия. По этим причинам на экспериментальных спектрах событий они не отображаются. Концентрация 222Rn, полученного в результате распада изначально содержащегося 238U, пренебрежимо мала. Но учитывая, что лаборатория Гран Сассо находится под землей в горном массиве, при любой плановой разгерметизации детектора: при проведении калибровки радиоактивным изотопом, при замене сцинтиллятора в детекторе, 999 содержащийся в лаборатории естественный Rn попадает в детектор. Поэтому его приходится учитывать при подгонке экспериментального спектра, получаемого в детекторе. За 192 дня наблюдений было выявлено 8 совпадений в цепочке (42), которые позволили рассчитать указанное в таблице 4 число распадов по основному каналу для 85Кг. Учитывая, что основной канал распада примерно в 99,56/0,44 220 раз более вероятен, чем канал с двойным распадом, то это приводит к большим погрешностям при расчете концентрации Кг в детекторе (относительная погрешность 8 = 14/25 = 0,56 (56%)). Поэтому при подгонке экспериментального спектра число распадов Кг является свободным параметром. 210Ро и 210Bi является элементами из цепочки с 238U: «=7,7 МэВ Р плп , /?11n„ ОГ=5,4 МэВ ол, 2,4ВІ 214Ро -» 2І0РЬ- 210ВІ - 210РО - 206РЬ(44). (7;/2(210Bi) =5,013 дней, Г1/2(210Ро) = 138,376 дней) 910 9ЧХ Но если концентрация Ві согласована с полученными значениями концентрации U, то 210Ро - значительно выше. В виду того, что концентрация 2І0Ві (также как и концентрация U) должна быть незначительна, но при этом события бета-распада Ві невозможно разделить с событиями, вызванными CNO нейтрино в области 0,2 - 0,8 МэВ (их спектры сильно коррелируют между собой), то на результирующем спектре 210Bi и CNO изображены вместе.
Предполагается, что причиной повышенной концентрации 210Ро в детекторе является загрязнение сцинтиллирующей добавки РРО данным изотопом. Данный вывод основан на том, что основное вещество сцинтиллятора - псевдокумол - был очищен от ото "УХ") U и Th в лаборатории Гран Сассо, а значительное количество РРО ( 0,5 тонны) в сцинтиллятор было добавлено на завершающем этапе подготовки детектора к работе. Отметим, что число распадов 210Ро с начала работы детектора (Тнабл-192 дня 7 /2(20Ро) 138 дней) уменьшилось с примерно 6000 до 1500 распадов/(день х 100 тонн), что говорит об уменьшении содержания данного вещества в детекторе (рис. 10). Данный изотоп исключается из результатов анализа благодаря технике альфа-бета дискриминации по длительности событий (рис. 11) Это возможно благодаря тому, что 10Ро события - единственные в детекторе альфа распады с высокой интенсивностью в рассматриваемом энергетическом диапазоне, остальные события вызваны бета или гамма частицами.
Кроме непосредственного взаимодействия со сцинтиллятором, пролетающие сквозь детектор мюоны также приводят к возникновению радиоактивного изотопа ПС. При распаде ПС образуется позитрон, который после своей остановки аннигилирует с образованием 2 гамма квантов с энергией 511 кэВ каждый. Таким образом, суммарная энергия такого события равняется 1,022 МэВ, и поэтому спектр "С не пересекается со спектром Ве-нейтрино (с учетом ограниченного энергетического разрешения детектора нижняя граница спектра ИС составляет 800 кэВ). Тем не менее, именно фон от изотопа С препятствует измерению потока CNO и pep нейтрино.
Защита детектора от фонового гамма-излучения сделана так, чтобы уменьшить этот фон до величины меньшей, чем поток фотонов, возникающий при сцинтилляции. Поэтому защита детектора является многоступенчатой, причем, чем ближе к сцинтиллятору, тем более радиоактивно-чистые материалы используются. Несмотря на то, что внешнее гамма-излучение поглощается внешним водяным детектором и стальной сферой, высокий уровень фонового гамма-излучения возникает в детекторе в основном из-за излучения стекол ФЭУ. Это излучение ослабляется 3,25 м буферной зоной, а также нейлоновой сферой, содержащей сцинтиллятор. Кроме того, фоновое гамма-излучение можно выделить по амплитуде сигнала и его радиальной зависимости.
Особенности работы ФЭУ в однофотоэлектронном режиме
В детекторе Борексино ФЭУ внутреннего и внешнего детекторов работают в однофотоэлектонном режиме. Особенностями однофотоэлектронного режима работы ФЭУ является вид сигнала с ФЭУ и, соответственно, способ его обработки. В данном режиме работы на выходе регистрируется каждый импульс, возникающий в ФЭУ либо в результате попадания электрона на фотокатод, либо имеющий природу темнового шума. И схема сопряжения с ФЭУ измеряет не силу тока, а интенсивность сигнала, т.е. суммирует число импульсов на выходе ФЭУ. Однофотоэлектронный режим используется в Борексино потому, что только в этом режиме возможна работа триггера нейтринных событий и, соответственно, измерение потока низкоэнергетичных 7Ве-нейтрино [38].
Темновые шумы в однофотоэлектронном режиме - это сумма импульсов на выходе ФЭУ, возникающих при отсутствии попадания фотона на фотокатод. Нейтринные, мюонные и радиационные события в детекторе в виду своей редкости не оказывают существенного влияния на измеряемое значение интенсивности темновых шумов, хотя, очевидно, они приводят к существенно большей интенсивности сигнала с ФЭУ в короткие промежутки времени — порядка нескольких микросекунд. Произведем расчет. В основном регистрируемые события в детекторе имеют радиационное происхождение. Согласно экспериментальным измерениями предельную частоту радиационных событий в обычных условиях в детекторе Борексино можно оценить как 30 Гц. Эффективная светимость детектора составляет порядка 500 фотонов/МэВ, и если считать, что в каждом событии выделяется порядка 0,8 МэВ (верхний предел наблюдаемого спектра электронов), то получаем: 500x0,8x30=12000 импульсов/с. Т.е. в среднем интенсивность радиационных событий в одном ФЭУ составляет 12000/2200-10 импульсов/с. Как уже было сказано ранее паспортная частота темнового шума ФЭУ - 103 импульсов/с
Темновые шумы ФЭУ определяют порог их чувствительности к наблюдаемым событиям. При определенных условиях шумы ФЭУ способны исказить физическую картину и даже сделать работу детектора невозможной. Для детектора Борексино это особенно важно в силу редкости наблюдаемых событий - детектирования нейтрино. Поэтому система контроля темновых шумов ФЭУ детектора Борексино необходима для мониторинга состояния детектора и его готовности для выполнения целевой функции по сбору физических данных. Кроме того, накопленные данные о темновых шумах ФЭУ являются самостоятельным источником физических данных.
Оперативная обработка данных о темновых шумах позволяет определить наступление следующих событий: - низкий уровень шумов ФЭУ, который показывает, что он неисправен или не включен; - высокий уровень шумов, который говорит о том, что сигнал данного ФЭУ будет искажать получаемые результаты, а его чувствительность недостаточна для регистрации нейтрино.
Система контроля темновых шумов детектора Борексино является независимой подсистемой детектора и необходима для мониторинга состояния детектора и его готовности для выполнения основной целевой функции по сбору физических данных [39]. При разработке системы контроля темновых шумов ФЭУ для большого нейтринного детектора Борексино перед нами стоял ряд задач, типичных для любой большой ядернофизической установки: 1. сбор данных (с последующим сохранением); 2. анализ накопленных данных; 3. поддержание установки в рабочем состоянии. В основу созданной для решения этих задач системы положен принцип независимых программных и аппаратных модулей, взаимодействующих посредством стандартных интерфейсов. Детектор Борексино можно отнести к классу больших систем из-за его размеров и количества используемых в нем устройств и подсистем. Поэтому у него, как и у большинства современных физических установок, можно выделить следующие особенности: - используется большое количество разнообразных датчиков (примерно 2500 ФЭУ), состояние которых необходимо контролировать в ходе эксперимента; - несмотря на тщательный отбор электронных компонентов, существует вероятность их выхода из строя, что может привести к потере данных и искажению результатов эксперимента; - в процессе эксперимента происходит получение огромного количества разнородных "сырых" данных, которые позже обрабатываются с целью извлечения физических данных; в системе контроля темновых шумов Борексино основным исследуемым параметром является частота темнового шума с 2500 ФЭУ, измеряемая один раз в секунду; - так как процессы сбора и анализа данных разнесены во времени, то собранную и предварительно обработанную информацию необходимо сохранить для дальнейшего анализа.
Детектор Борексино представляет собой сложное инженерное сооружение, состоящее из нескольких подсистем, отдельные модули которого расположены на большой площади. В частности, в системе контроля темновых шумов можно выделить 2 подсистемы: собственно для детектора и для мюонного вето. Поэтому детектор Борексино, как и другие подобные установки, должен иметь встроенные средства контроля функционирования, а также допускать масштабируемость. В целях уменьшения стоимости системы оптимальным решением является применение одной из стандартных промышленных шин для связи компонентов установки между собой.
В коллаборации Борексино принимают участие ученые из 20 лабораторий в 8 странах мира, в том числе и НИИЯФ МГУ. Чтобы обеспечить оперативный доступ к данным для всех участников коллаборации система должна обеспечивать возможность удаленной работы с данными. Для этого в настоящее время наиболее удобно использовать глобальную сеть Internet, организуя интерактивный доступ к накопленным данным и визуализацию текущего состояния установки при помощи WEB-интерфейса. Благодаря своей архитектуре созданная система может быть адаптирована для осуществления контроля или сбора данных в других больших физических установках, и поэтому ее можно рассматривать как платформу для построения систем контроля. Темновые шумы должны регистрироваться в течение всего эксперимента. Это главная причина того, что система контроля темновых шумов является независимой от остальных систем: данные от ФЭУ отдельно суммируются и далее отдельно обрабатываются.
Обзор существующих работ по анализу темновых шумов
Исследования темновых шумов ФЭУ ведутся довольно давно. Так обзор основных направлений исследования темновых шумов ФЭУ и полученные при этом результаты изложены в работе [46]. В данной работе говорится об источниках темновых шумов и зависимости их характера и интенсивности от внешних параметров. В работе приведена экспериментальная форма зависимости темновых шумов от напряжения на динодах ФЭУ (рис. 22).
Также в работе исследована зависимость шумов ФЭУ от температуры (рис. 23). Как видно из графика, при приближении температуры к 100 градусам Цельсия уровень сигнала темнового шума сравнивается с уровнем выходного сигнала. Охлаждение же ФЭУ до -175 градусов приводит к резкому уменьшению темновых шумов при почти неизменной чувствительности ФЭУ.
В работе приводится утверждение, что основной вклад в темновой шум вносит термоэлектронная составляющая. Также утверждается, что число импульсов темнового шума зависит от температуры (рис. 23), но при этом амплитуда импульсов мало зависит от температуры.
Зависимость величины сигнала шума на выходе ФЭУ от температуры. После сравнения с экспериментальными данными в формулу была введена поправка на потери электронов при фокусировке. Кроме того, утверждается, что если ток с фотокатода представляет собой одиночные электроны, а испускание вторичных электронов носит пуассоновский характер, то и распределение по амплитудам тока на выходе ФЭУ подчиняется распределению Пуассона.
Было исследовано также предположение о том, что темновой ток зависит от давления газа в колбе, но подтверждения этому не было найдено. Кроме того, была в работе [46] рассмотрено исследование, в которой утверждается, что форма распределения амплитуд темнового шума может иметь как пуассоновский, так и экспоненциальный характер. На рис. 24 видно 3 области: 1. Область экспоненциального распределения в случае, когда усиление в ФЭУ недостаточно и не все электроны достигают анода; 2. Область с распределением, близким к распределению Пуассона в случае, когда регистрируется каждый образовавшийся в ФЭУ электрон. 3. «Двугорбая» кривая - область, в которой преобладают газоразрядные явления.
Наиболее интересны результаты измерения характеристик темнового шума ФЭУ. Как показали измерения шум большинства ФЭУ, в целом подчиняясь нормальному распределению, со временем уменьшается. Резкое экспоненциальное уменьшение его интенсивности происходит в первые 3-4 часа после включения ФЭУ, после чего скорость изменения сигнала падает. Характерное время данного процесса - 50-70 часов. При создании системы анализа темновых шумов ФЭУ были определены следующие основные принципы ее работы: 1. Анализ данных о темновых шумах не должен влиять на работу других систем детектора, в том числе и на систему оперативного контроля темновых шумов; 2. Данные для анализа должны находиться в отдельном хранилище; 3. Тип хранилища - реляционная СУБД, из которой данные за требуемый период могут быть легко выгружены; 4. Система анализа разделяется на подсистему первичного анализа и основную подсистему; 5. Подсистема первичного анализа доступна интерактивно через Интернет; 6. Подсистема первичного анализа реализует предварительный просмотр данных за произвольный период в текстовой и графической форме, расчет определенного набора статистических показателей для загруженных данных: среднего, максимального и минимального значений, дисперсии; 7. Основная подсистема представляет собой набор процедур в одном или нескольких профессиональных математических и статистических пакетах; такой подход упрощает написание системы и позволяет использовать существующие математические алгоритмы обработки больших массивов данных; в качестве кандидатов для использования предварительно рассматривались следующие пакеты: Microcal Origin, Microsoft Excel, MathCAD, Maple, Mathematica; 8. Система должна обращаться непосредственно к БД темновых шумов; 9. Данные разбиты на блоки по отдельным запускам (runs) системы сбора данных; 10. Формат хранения данных должен быть оптимизирован по объему из-за большого количества «сырых» данных; 11. Сразу после запуска детектора должен быть запущен процесс сохранения данных о темновых шумах ФЭУ (сбор данных о темновых шумах может происходить даже тогда, когда детектор не регистрирует нейтринные события); 12. Период и объем сохранения данных должен гарантировать полноту данных для последующего анализа: при первоначальном анализе период должен быть минимально возможным - 1 с, размер одной первичной выборки данных должен составлять как минимум несколько дней; 13. После проведения первичного анализа данных и уточнения величины периода качественного изменения сигнала с ФЭУ, период сохранения может быть увеличен для получения более компактного набора данных для последующего хранения и анализа; 14. Анализ данных о темновых шумах должен быть доступен в течение всего времени работы детектора; это позволит оценить долговременные тенденции при работе ФЭУ.
