Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Черенковский водный детектор невод 21
1.1. Цель создания детектора 21
1.2. Квазисферический модуль (КСМ)
1.2.1. Конструкция КСМ 24
1.2.2. Характеристики ксм
1.3. Экспериментальная установка 26
1.4. Измерительная система 1994 – 2007 гг.
1.4.1. Внутримодульная электроника 28
1.4.2. Внешняя система формирования триггерных сигналов
1.5. Система калибровочных телескопов (скт) 33
1.6. Координатно-трековый детектор декор 35
1.7. Недостатки регистрирующей системы 1994 – 2007 гг 37
1.8. Концепция преобразования чвд в черенковский водный калориметр 42
ГЛАВА 2. Разработка и создание новых систем черенковского водного детектора невод 45
2.1. Детектирующая система 46
2.1.1. Новый фотоумножитель ФЭУ-200 46
2.1.2. Исследования основных характеристик ФЭУ-200 47
2.1.3. Долговременные исследования характеристик ФЭУ-200 49
2.1.4. Обеспечение широкого динамического диапазона измерений сигналов с фотоумножителя 51
2.1.5. Методика отбора фотоумножителей для КСМ 54
2.2. Новая регистрирующая система ЧВК 56
2.2.1. Внутримодульная электроника 58
2.2.2. Блок электроники кластера 64
2.2.3. Измерение характеристик БЭК
2.3. Система сбора данных 72
2.4. Триггерная система 74
2.5. Тестовая измерительная серия 76
2.6. Система водоподготовки 79
Глава 3. Черенковский водный калориметр 82
3.1. Выделение одиночных мюонов в чвд невод 82
3.2. Точность определения направления одним ксм 89
3.3. Коэффициент сшивки диапазонов спектрометрического тракта 91
3.4. Измерение энергии каскадных ливней 95
3.5. Измерение энерговыделения групп мюонов 103
Заключение 109
Список литературы 111
- Конструкция КСМ
- Внешняя система формирования триггерных сигналов
- Обеспечение широкого динамического диапазона измерений сигналов с фотоумножителя
- Коэффициент сшивки диапазонов спектрометрического тракта
Введение к работе
Актуальность
Основным преимуществом черенковских водных детекторов (ЧВД) является большой угол черенковского излучения в воде (~ 40) и большая длина поглощения (десятки метров), что позволяет размещать детектирующие элементы (фотоумножители) на значительных расстояниях друг от друга и регистрировать заряженные частицы по черенковскому излучению в больших объемах воды, которая является мишенью для взаимодействия излучающих частиц. Естественно, наибольший интерес к таким детекторам был проявлен со стороны исследователей космических лучей, в том числе гамма - квантов и нейтрино, поток которых сильно уменьшается с ростом энергии. Поэтому для их регистрации требуются детекторы очень больших объемов. Черенковские водные детекторы также представляют интерес и для исследований других редких процессов, так как позволяют получить необходимую статистику за приемлемое время.
По своей структуре ЧВД делятся на периферические (фотоумножители расположены на стенах водного объема) и решетчатые (ФЭУ компонуются в оптические модули, из которых формируется пространственная решетка). Только решетчатая структура позволяет создавать ЧВД практически любого объема. Однако в созданных крупномасштабных детекторах (Байкал, ANTARES, IceCube) расстояния между модулями составляют десятки метров, в то время как радиационная единица длины в воде составляет ~ 36 см и, соответственно, продольный размер электромагнитных и ядерных каскадов не превышает 10 м. Поэтому для этих детекторов оценки энергии каскадных ливней можно проводить только в точечном приближении. Поэтому создание полноценного черенковского водного калориметра решетчатого типа является актуальной задачей.
Черенковский водный детектор НЕВОД с самого начала задумывался как калориметр, способный детально исследовать каскадные ливни в воде по черенковскому излучению. К сожалению, время его создания пришлось на начало 90-х годов прошлого столетия и по понятным причинам полностью проект, в том числе калориметрический режим работы, не мог быть реализован.
Цель работы
Разработка концепции и новых систем, обеспечивающих преобразование черенковского водного детектора НЕВОД на базе квазисферических модулей в черенковский водный калориметр (ЧВК) для измерения энерговыделений от единиц ГэВ до десятков ТэВ.
Научная новизна
-
Создан первый в мире черенковский водный калориметр с 4тг-геометрией на базе квазисферических модулей (КСМ) на поверхности Земли.
-
Впервые обеспечено измерение полной каскадной кривой и энерговыделения групп мюонов в черенковском водном детекторе решетчатого типа в широком диапазоне энергий до десятков ТэВ.
Достоверность
Основана на том, что блоки новых систем детектирования и регистрации были протестированы на специализированных стендах для калибровки фотоумножителей, измерения характеристик КСМ, узлов внутримодульной электроники и блоков электроники кластера, которые настраивались и тестировались с использованием сертифицированного измерительного оборудования. Точность восстановления треков мюонов была проверена путем сопоставления с данными других установок (СКТ и ДЕКОР), имеющих более высокую угловую точность. Оценка энергетических характеристик регистрируемых событий основана на мюонной калибровке и линейности измерительных каналов.
Практическая значимость
Создание черенковского водного калориметра открыло возможности проведения широкого спектра научных исследований, связанных с измерением энергетических характеристик регистрируемых событий, в том числе направленных на решение "мюонной загадки".
Разработанная кластерная организация ЧВК позволяет проводить расширение детектирующей пространственной решетки путем простого добавления новых кластеров.
Квазисферические измерительные модули начали использоваться и в других черенковских водных детекторах, например, в установке ANTARES.
Личный вклад
Автор участвовал в развертывании, запуске и эксплуатации первого в мире черенковского водного детектора на базе квазисферических модулей. Внес определяющий вклад в разработку концепции преобразования черенковского водного детектора в черенковский калориметр, в разработку детектирующей, регистрирующей и других систем; принимал непосредственное участие в создании стендов и методик для тестирования всех узлов и блоков новой регистрирующей системы, непосредственно участвовал в развертывании, запуске и настройке систем ЧВК. Обеспечивал проведение длительных
экспериментальных серий для получения методических и физических результатов, а также занимался обработкой и анализом экспериментальных данных.
Автор защищает
-
Концепцию преобразования ЧВД НЕВОД в первый в мире ЧВК на базе квазисферических модулей.
-
Новые системы (детектирующую, регистрирующую, триггерную и другие), обеспечивающие калориметрический режим работы ЧВД НЕВОД в широком динамическом диапазоне от 1 до 105 фотоэлектронов.
-
Кластерную организацию черенковского водного калориметра.
-
Зависимость калибровочных характеристик от прозрачности воды.
-
Использование ЧВК для исследования каскадных ливней от одиночных мюонов и энерговыделения групп мюонов.
Апробация
Результаты работы были доложены на российских и международных конференциях: БМШ ЭТФ 2006, Научных сессиях НИЯУ МИФИ (2009, 2014, 2015), Всероссийских конференциях по космическим лучам (2010, 2012, 2014), Европейских симпозиумах по космическим лучам (ECRS 2010, 2012, 2014), Международных конференциях по космическим лучам (ICRC 2009, 2011, 2015). По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них в научных изданиях, входящих в перечни Web of Science или Scopus, – 9.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации: 116 стр., 87 рис., 4 табл., 66 наименований цитируемой литературы.
Конструкция ксм
Основным фоточувствительным элементом в оптических модулях ЧВД являются фотоумножители с большой площадью фотокатода. На момент разработки, отечественной промышленностью выпускался только один тип фотоумножителя, подходящий по своим характеристикам – ФЭУ-49Б, который имеет плоский фотокатод диаметром 15 см, двенадцатидинодную умножительную систему. Спектральная область чувствительности ФЭУ-49Б от 0.30 до 0.82 мкм, максимальное напряжение питания 1800 В. Результаты исследования характеристик этого типа ФЭУ даны в работах [34, 35]. Впоследствии был выпущен ФЭУ-125, аналогичный по характеристикам, который также использовался в квазисферическом модуле. При регистрации черенковского излучения от заряженной частицы высокой энергии фотоумножителем с плоским фотокатодом его амплитудный отклик Л описывается следующей формулой: где R - расстояние между ФЭУ и треком частицы; S - площадь фотокатода; п -число фотонов, испущенных с единицы длины трека (в частотном диапазоне спектральной чувствительности фотокатода); г/ - эффективная квантовая чувствительность; вс - угол черенковского излучения; оц - угол падения света на фотокатод; / - эффективная длина поглощения света в воде, усредненная по частотному спектру черенковского излучения в области чувствительности фотокатода. Зависимость отклика ФЭУ от угла падения черенковского излучения (cosai) не позволяет определить расстояние до источника и направление на него с помощью одного ФЭУ. Однако если использовать симметричную систему из шести фотоумножителей с плоскими фотокатодами, ориентированными вдоль ортогональных осей координат, то такая система будет обладать свойствами ФЭУ со сферическим фотокатодом [36], поскольку сумма квадратов амплитуд трех засвеченных фотоумножителей не зависит от направления излучения (рис. 1.1). Действительно, так как cos2 ах + cos2 ау + cos2 az = 1, то сумма квадратов откликов и зависит только от расстояния между модулем и треком частицы. Величина B = J A? является откликом модуля и дает возможность определить расстояние R до трека частицы. В то же время, зная отклик модуля и значения амплитуд сигналов на каждом ФЭУ, можно оценить и направление прихода черенковского излучения, поскольку AJ/B = coscc1 . Эти косинусы определяют направление
падающего излучения. Таким образом, даже один квазисферический модуль позволяет найти "точку" излучения на треке частицы. Размеры этой "точки" будут определяться точностью измерений амплитуд Л, влиянием шумов ФЭУ и другими факторами, которые необходимо учитывать при реконструкции событий. При наличии хотя бы двух сработавших модулей можно восстановить, в первом приближении, положение трека частицы. Это обстоятельство определило важное преимущество квазисферического модуля по сравнению с фотоумножителями с полусферическим катодом.
Для более надежного восстановления треков заряженных частиц требуется пространственная решетка из квазисферических модулей с шагом, обеспечивающим перекрытие эффективных зон регистрации индивидуальных модулей. Такая решетка образует регистрирующую систему со свойствами 4тг-детектора. 1.2.1. Конструкция КСМ
Для работы при гидростатическом давлении P 1 атм. в водном объеме установки НЕВОД был разработан квазисферический модуль с шестью фотоумножителями типа ФЭУ-49Б (рис. 1.2). Внешние размеры корпуса модуля в основном определились размерами используемых ФЭУ. Корпус был изготовлен из алюминиевого сплава и покрыт антикоррозионным составом. Фотоумножители в специальных обоймах были герметично закреплены в трубах корпуса посредством уплотнительных резиновых колец. Каждый ФЭУ окружен пермаллоевым экраном для уменьшения влияния магнитного поля Земли на отклик ФЭУ и его зависимости от ориентации модуля в пространстве [37].
В конструкции модуля была предусмотрена возможность установки иллюминаторов для защиты фотокатода от гидростатического давления. Иллюминаторы из оргстекла с плоским входным окном, имеющим больший диаметр, чем у фотокатода ФЭУ, рассчитаны на гидростатическое давление до 5 атм. Оптический контакт между стеклом фотокатода и иллюминатором в этом случае обеспечивается с помощью очищенного технического вазелина либо силикона. На первом этапе развертывания установки НЕВОД-91 иллюминаторы не устанавливались.
Квазисферический измерительный модуль установки НЕВОД. Внутри КСМ располагалась внутримодульная электроника и система мониторинга, которая состояла из светодиода (СД) и шести гибких световолоконных кабелей (один на каждый ФЭУ). Внешние информационные и силовые коммуникации обеспечивались гидроизолированными кабелями, подсоединяемыми к корпусу посредством герметичных кабельных разъемов с многоштырьковыми разъемами. 1.2.2. Характеристики КСМ
В качестве амплитудной характеристики использовалась величина B, которая на больших расстояниях R не должна зависеть от углов прихода черенковского излучения от релятивистской заряженной частицы. Это свойство квазисферичности измерительных модулей было проверено экспериментально [38]. На рисунке 1.3 приведена зависимость В от ориентации КСМ в пространстве относительно излучающего трека мюона.
Условие квазисферичности при регистрации тремя ФЭУ наступает на расстояниях R 1 м. При расчете учитывалось, что на каждый фотоумножитель излучение попадает с различных участков трека частицы, поэтому при расчете отклика детектора для каждой точки ближней зоны (R = а, где а - размер детектора) проводилось усреднение по всем трекам, лежащим на поверхности конуса с вершиной в исследуемой точке и углом полураствора, равном углу черенковского света в воде.
Важной характеристикой спектрометрического тракта КСМ является зависимость средней амплитуды от числа фотонов Nr, попавших на поверхность фотокатода. На рисунке 1.4. приведена калибровочная зависимость для одного из ФЭУ, полученная на основе анализа треков одиночных мюонов, выделяемых системой калибровочных телескопов ЧВД НЕВОД (см. раздел 1.5 диссертации). Пунктирная линия указывает полученную среднюю величину одноэлектронной амплитуды (в отсчетах АЦП, А1Е) для данного ФЭУ, которая была измерена независимым методом. В некотором смысле величина А1Е является аналогом порога чувствительности всего спектрометрического тракта, так как определяет минимальную среднюю амплитуду сработавшего фотоумножителя.
Внешняя система формирования триггерных сигналов
Во время длительной экспериментальной серии в 2003 году был подготовлен к испытаниям первый КСМ, в который были установлены фотоумножители ФЭУ-189. Модуль был установлен на второе место гирлянды 10.3. Результаты измерения темпа счета двойных совпадений в КСМ по данным мониторинга экспериментальной серии 2002-2004 гг. показаны на рисунке 2.3.
Из рисунка 2.3 видно, что темп счета двойных совпадений (в основном шумовых) КСМ с ФЭУ-189 снизился на порядок. Соответственно увеличилась эффективность регистрации релятивистских частиц, черенковское излучение от которых попадало на этот КСМ.
Эффективность регистрации модуля оценивалась по вертикальным калибровочным телескопам СКТ, окружающих этот КСМ. Телескопы, расположенные на фиксированных расстояниях от фотоумножителей КСМ обеспечивали выделение одиночных мюонов с точностью 2. Изменения в эффективности регистрации во времени для КСМ, оснащенных разными фотоумножителями, показаны на рисунке 2.4.
По данным экспериментальной серии, темп счета двойных совпадений в модуле с ФЭУ-189 составил 2.31 ±0.14 кГц, а эффективность более 70% при регистрации вертикальных мюонов при хорошей временной стабильности этих характеристик. В качестве продолжения долговременных исследований нового типа фотоумножителей еще два КСМ были заменены на модули, укомплектованные ФЭУ-200. Это позволило полностью смонтировать гирлянду, состоящую из КСМ с новыми фотоумножителями. Результаты исследования темпа счета и эффективности регистрации КСМ в десятой гирлянде в экспериментальных сериях 2004 – 2006 годов представлены на рисунках 2.5 и 2.6, соответственно.
Длительные исследования характеристик КСМ с ФЭУ-200, начатые в 2004 году, показали стабильность и высокую эффективность регистрации одиночных мюонов, при этом КСМ все это время находились внутри бассейна и поднимались только для необходимого ремонта электроники и устранения затекания разъемов кабелей. Темп счета двойных совпадений модулей не возрастал, а отдельные скачки характеристик связаны с проблемами в работе блоков электроники и кабельных коммуникаций, а не ФЭУ.
Для корректного измерения энергии каскадных ливней, стволов ШАЛ и энерговыделений групп мюонов необходимо обеспечить широкий динамический диапазон сигналов, снимаемых со всех фотоумножителей КСМ ( 105 ф.э.). Для этого можно использовать съем сигналов с различных динодов. Такой подход был реализован при фронтальной замене всех фотоумножителей в детектирующей системе ЧВД НЕВОД. При этом была изменена полярность высокого напряжения, подаваемого на ФЭУ. Первоначально в ЧВД отрицательное напряжение подавалось на фотокатод, а анод заземлялся. Однако, многолетний опыт эксплуатации установки показал, что схема включения ФЭУ, когда отрицательное высокое напряжение подается на фотокатод, может приводить к микропробоям высокого потенциала между стеклом ФЭУ, оптическим контактом (глицерином) и иллюминатором, в результате чего происходит замутнение иллюминатора в виде появления мелкой сетки и потемнения глицерина. Поэтому необходимо было изменить способ включения ФЭУ. Для этой цели был разработан резистивный делитель, в котором фотокатод заземляется, а высокое напряжение (положительный потенциал) подается на анод, рисунок 2.7. где a - коэффициент нелинейности, Qi+2 - среднее значение заряда при засветке фотокатода вспышками от двух светодиодов (примерно равной интенсивности), Qi и Q2- средние значения заряда, полученные при засветке сначала первым, затем вторым светодиодами.
Количество измерений определяется шагом изменения интенсивности свечения светодиодов. Результаты измерения диапазона линейности 12-го динода десяти ФЭУ-200 представлены на рисунке 2.8. Диапазон считался линейным, если коэффициент нелинейности а не превышает 5% (отмечено на рисунке красной линией), среднее граничное значение диапазона линейности составляет 400 пКл.
Полученное верхнее значение соответствует 2.5 х 103 фотоэлектронов при коэффициенте усиления динодной системы фотоумножителя М = 106 Для получения более широкого диапазона используются сигналы с девятого динода. Результаты измерения диапазона линейности 9-го динода показаны на рис. 2.9. - -10
Для получения максимальной эффективности регистрации событий в ЧВК необходимо обеспечить наиболее близкие характеристики для шести фотоумножителей, отбираемых в КСМ. Отбор фотоумножителей проводится по данным стенда КАЛИФ [46], позволяющего в автоматическом режиме измерять следующие характеристики: S напряжение питания фотоумножителя, обеспечивающее коэффициент усиления динодной системы (1 ± 0.1)106; S темп счёта темновых шумовых импульсов ФЭУ; S амплитуду отклика на стандартную (многоэлектронную) подсветку от светодиода с длиной волны излучения 470 нм; S наиболее вероятную относительную задержку отклика ФЭУ при одноэлектронной подсветке от светодиода (соответствующей 10% эффективности регистрации).
При определении критерия отбора ФЭУ по темпу счета шумовых импульсов учитывались условия регистрации физических событий в детекторе. Если ограничиться потерей на каждом спектрометрическом канале не более 1% событий при использовании АЦП с временем преобразования 2 мкс, то нужно отбирать ФЭУ с частотой появления шумовых сигналов, не превышающей 5 кГц. Если ограничиться потерей 2% событий, то допустимой частотой является 10 кГц. Из рисунка 2.2 (левый) видно, что значительная часть фотоумножителей имеет темп счета более 10 кГц. Учитывая, что одной из физических задач является регистрация редких нейтринных событий из нижней полусферы, при формировании комплекта фотоумножителей в КСМ ФЭУ, который смотрит вниз, отбирался с у 4 кГц. Остальные пять фотоумножителей подбирались таким образом, чтобы суммарный темп счета всех фотоумножителей КСМ при пороге 0.25 ф.э. не превышал 60 кГц.
Распределение напряжений питания фотоумножителей, как показано на левом рисунке 2.1, имеет по основанию ширину около 600 В. Выставление необходимого питания для ФЭУ происходит подборкой Rбал в резистивном делителе, рисунок 2.7. Максимальное рабочее напряжение Rбал, состоящего из двух последовательных ЧИП резисторов типоразмером 1206, составляет 400 В. Если учесть, что резисторы подбираются не совсем одинаковых номиналов, то разброс по рабочему напряжению для шести ФЭУ не должен превышать 300 В. При выработке критерия по задержке сигнала следует учитывать особенности конструкции фотоумножителя данного типа, вследствие которых момент регистрации отклика зависит от амплитуды. Наиболее позднее появление сигнала соответствует слабой засветке, при которой на фотокатоде рождается в основном один электрон. В этом случае задержка отклика определяется временем пролета электрона от фотокатода до первого динода и зависит от напряжения питания на камере, точки рождения на фотокатоде, траектории движения и физических характеристик первого динода. Распределение фотоумножителей по задержкам показано рисунке 2.10.
Из рисунка 2.10 видно, что существует несколько групп ФЭУ, имеющих характерные задержки, поэтому при формировании комплектов нужно подбирать ФЭУ с разбросом по задержкам не более 20 нс.
Амплитуда отклика на стандартную подсветку (рисунок 2.11) используется для сравнения фотоумножителей по чувствительности, которая напрямую связана с эффективностью регистрации при слабых засветках фотокатода. Если в модуль ставить фотоумножители с одинаковой чувствительностью, то он будет обладать независимостью отклика от угла падения черенковского излучения. При больших различиях могут возникать проблемы при определении направления на трек частицы.
Обеспечение широкого динамического диапазона измерений сигналов с фотоумножителя
Запуск новой системы водоподготовки позволил довести состояние воды в ЧВК до уровня дистиллята с электропроводностью 4 мкСм/см. Это привело к увеличению среднего значения амплитудного отклика на одиночные мюоны с 400 до 900 ф.э.; также возросло среднее число срабатывающих фотоумножителей с 125 до 230, что в дальнейшем позволило увеличить порог регистрации сигналов с ФЭУ без потери эффективности.
Калориметрические свойства черенковского водного детектора НЕВОД определяются, в основном, его пространственной детектирующей системой: регулярная решетка с плотной структурой расположения квазисферических модулей, способных регистрировать черенковское излучение от релятивистских заряженных частиц с любого направления с практически одинаковой эффективностью, а спектрометрические каналы КСМ обеспечивают широкий динамический диапазон регистрируемых сигналов от 1 до 105 ф.э. В отличие от обычных слоистых калориметров, в которых количество измеряемых точек на каскадной кривой определяется числом детектирующих плоскостей, в ЧВК этот параметр зависит от соотношения расстояния между измерительными модулями и длиной ослабления черенковского излучения и может в несколько раз превышать число детектирующих плоскостей. К тому же черенковский водный калориметр, созданный на базе квазисферических измерительных модулей, является 4тг-калориметром, позволяющим практически с одинаковой эффективностью измерять распределение энерговыделения в каскадных ливнях с любого направления. Важной калибровочной характеристикой ЧВК является амплитудный отклик фотоумножителей КСМ на одиночные мюоны, знание которого является нормировочной точкой для количественных оценок энерговыделения каскадных ливней и групп мюонов.
Отработка методики выделения в ЧВК событий, соответствующих прохождению одиночных мюонов через рабочий объем детектора, проводилась с помощью установки ДЕКОР (ее части Short&Short). В составе координатно-трекового детектора ДЕКОР были задействованы супермодули конфигурации Short&Short: СМ 00 и 01, 06 и 07. СМ00 и СМ01 находятся в одной короткой галерее с внешней стороны водного бассейна, а СМ06 и СМ07 - в противоположной галерее. Триггерным условием являлось совпадение сигналов двух СМ в пределах временных ворот 250 нс (триггер Tr3 ДЕКОР). При этом анализировались события типа OneTrack. В таких событиях срабатывают только по одному супермодулю в каждой из коротких галерей. Причем оба трека, восстановленные по данным супермодулей, должны совпадать в конусе с раствором не более чем 5. В этом случае отрезки треков в отдельных СМ считаются треками одной частицы. Для корректного определения геометрических характеристик трека мюона в событии не должно быть других треков. На рисунке 3.1 приведен результат реконструкции события OneTrack.
Одним из параметров отклика ЧВК на событие является количество сработавших ФЭУ в квазисферических модулях. На рисунке 3.2 приведены распределения всех событий, зарегистрированных по триггеру Tr3, и событий типа OneTrack по количеству сработавших в ЧВД фотоумножителей.
Для калибровки фотоумножителей координаты треков одиночных мюонов с высокой точностью восстанавливаются по данным СКТ и ДЕКОР, что позволяет получить зависимость амплитудного отклика фотоумножителя от расстояния до трека одиночного мюона. Отбор событий для калибровки ФЭУ [52] проводится по телескопам СКТ и парам супермодулей ДЕКОР. Для этого была проведена обработка трех типов экспериментальных наборов: 1. Экспериментальная серия 10, RUN 529-533 (вода с электропроводностью 120 мкСм/см , порог 0.25 ф.э.). 2. Экспериментальная серия 11, RUN 121-128 (вода близкая к дистилляту, порог 2.5 ф.э.). 3. Экспериментальная серия 11, RUN 907-913 (вода близкая к дистилляту, порог 0.25 ф.э., спецнабор, блокирован триггер ЧВК). Высокая точность определения координат выделяемых событий позволяет получать зависимость амплитудного отклика ФЭУ от расстояния до трека частиц. На рисунке 3.3 показана зависимость усредненного значения амплитудного отклика фотоумножителей от расстояния до трека одиночной частицы, выделенной парами супермодулей ДЕКОР, для разной степени очистки воды и порогов регистрации.
Распределение событий по количеству всех сработавших ФЭУ показано на рисунке 3.4. В таблице 3.1 представлены характеристики распределений: среднее число сработавших ФЭУ, среднеквадратичное отклонение и количество событий N.
Коэффициент сшивки диапазонов спектрометрического тракта
Поиск и исследование каскадных ливней проводится при двух условиях отбора. В первом случае с помощью координатно-трекового детектора ДЕКОР достаточно точно определяется трек мюона. Трек считается совпадающим с осью каскадного ливня. Во втором случае события с каскадными ливнями отбирались по суммарному энерговыделению в ЧВД.
В первом случае задача сводилась к определению двух параметров теоретической каскадной кривой: энергии каскада Е0 и его положения на соответствующем треке мюона. В качестве положения может выбрано начало рождения каскада, его максимум или центр тяжести. При использовании в качестве параметра точки начала рождения каскада to, каскадная кривая может быть аппроксимирована приближенным аналитическим выражением [57]: где уо = In (Ео / є), s = 3(t - to)/(t - to + 2yo) - возраст ливня; Eо - энергия ливня, fo-координата точки генерации ливня.
Для получения каскадных кривых были использованы ливни, генерируемые окологоризонтальными мюонами космических лучей, прошедшими вдоль бассейна ЧВК. За 7945 часов живого времени было обнаружено около 120 тыс. событий с ливнями с восстановленной энергией выше 1 ГэВ. Для восстановления каскадных кривых к экспериментальным событиям применялась методика [58, 59], основанная на пересчете откликов фотоумножителей, регистрирующих черенковское излучение от ливневых частиц (направления движения которых, как уже отмечалось выше, близки к треку частицы-родителя и оси ливня), в число этих частиц.
Участок оси ливня, лежащий внутри бассейна, разделяется на отрезки (бины), и вычисляется количество заряженных частиц, приходящихся на каждый бин, который «виден» фотоумножителями детектора, длина бина - одна радиационная единица. За точку начала отсчета бинов на оси ливня принимается точка пересечения оси с перпендикулярной ей плоскостью, проходящей через центр решетки детектора (точка с координатами: х=4.5 м, у=10.625 м, z=4.5 м). На рис. 3.20 показана схема регистрации черенковского излучения от каскадного ливня. Гистограммой, расположенной на треке, дано количество частиц в каждом бине; примеры событий с каскадами различных энергий представлены на рисунке 3.21.
Примеры восстановленных каскадных кривых для разных энергий E0. При регистрации одиночных мюонов, двигающихся вдоль бассейна, может образовываться несколько каскадов, при этом их каскадные кривые складываются. Если точки генерации этих каскадов разнесены на достаточно большое расстояние, более 10 радиационных единиц, то в зависимости числа заряженных частиц наблюдаются дополнительные максимумы. На рисунке 3.22 представлены примеры событий с несколькими каскадами: в событии RUN 010 № 91363 наблюдалось два каскада с энергиями E1 = 12 ГэВ и Е2 = 16 ГэВ; в событии RUN 035 № 7614 наблюдались каскады с энергиями E1 = 140 ГэВ и Е2 = 42 ГэВ.
Преимущество данного подхода - высокая точность определения оси каскада и, как следствие, высокая точность восстановления каскадной кривой и энергии ливня. Основной недостаток в том, что таким образом исследуются только каскады, рожденные окологоризонтальными мюонами в весьма узком диапазоне зенитных и азимутальных углов.
Во втором случае, отбор событий осуществляется по суммарному энерговыделению (суммарному амплитудному отклику). Поскольку рождение каскадного ливня в бассейне приводит к значительному энерговыделению, то каскадные ливни можно искать среди событий с большим числом сработавших КСМ и соответствующих им ФЭУ. Для этих целей используется триггер ЧВК НЕВОД Тг1 60"с", срабатывание 60 КСМ (темп счета триггера Тг1 в 11-й экспериментальной серии представлен на рисунке 3.24), у которых произошло как минимум двойное совпадение сигналов соседних ФЭУ во временном окне 150 нс.
Для выделения каскадов от одиночных мюонов в таких событиях необходимы дополнительные критерии отбора [61]. Если происходит выработка триггера 60”с” от каскадного ливня, то среди всех сработавших в данном событии КСМ должна выделяться компактная группа модулей, имеющих наибольшие амплитуды откликов ФЭУ. И напротив, если триггер выработался от ШАЛ или группы мюонов, то КСМ, имеющие наибольшие амплитуды, в большинстве случаев должны быть разбросаны по пространственной решетке. Таким образом, в качестве одного из критериев для выделения одиночных каскадов может быть использована компактность расположения небольшого числа модулей с большими амплитудами сигналов.
Другая сложность при восстановлении каскадной кривой таких событий связана с появлением еще четырех неизвестных параметров: две дополнительные координаты и два угла. В то же время количество таких каскадов примерно на два порядка больше, чем каскадов с известной осью [61].
На рисунке 3.26 приведены энергетические спектры каскадных ливней, полученные двумя методами отбора в диапазоне углов начиная от 50 до 90. Кривыми даны результаты расчетов для различных значений показателя интегрального спектра генерации материнских пионов и каонов в атмосфере.