Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Детекторы фотонов эксперимента по поиску двойного бета распада GERDA . 8
1.1. Двойной безнейтринный распад ядер 8
1.2. Эксперимент GERDA 14
1.3. Черенковский детектор мюонного вето эксперимента GERDA
1.3.1. Фотоумножители ЕТ9350КВ и ЕТ9354КВ 25
1.3.2. Измерительный стенд и результаты тестирования фотоэлектронных умножителей 27
1.4. Оптический модуль черенковского детектора мюонного вето 38
Глава 2. Калибровочная система эксперимента GERDA 46
2.1. Источники световых импульсов наносекундной длительности калибровочной системы эксперимента GERDA 46
2.2. Система оптоволоконных кабелей 58
2.3. Диффузные рассеиватели света 67
Глава 3. Детекторы фотонов эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА 71
3.1. Эксперимент ТУНКА 71
3.2. ТУНКА-25: гибридный детектор фотонов KBA3AP-370G и фотоумножитель EMI D669. Измерение длительности черенковского излучения широких атмосферных ливней в эксперименте ТУНКА 74
3.3. ТУНКА-133: фотоумножители EMI9350KB и R1408-06. Оптические пункты и первые результаты эксперимента ТУНКА-133 95
Глава 4. Калибровочные системы эксперимента ТУНКА . 119
4.1. Калибровочная система эксперимента ТУНКА-25 119
4.2. Калибровочная система эксперимента ТУНКА-133 125
Заключение 142
Список литературы
- Черенковский детектор мюонного вето эксперимента GERDA
- Система оптоволоконных кабелей
- ТУНКА-25: гибридный детектор фотонов KBA3AP-370G и фотоумножитель EMI D669. Измерение длительности черенковского излучения широких атмосферных ливней в эксперименте ТУНКА
- Калибровочная система эксперимента ТУНКА-133
Введение к работе
Актуальность проблемы. Фотоника (наука, связанная с излучением,
детектированием и распространением фотонов) все больше и больше
расширяет свое влияние в экспериментальной физике. Фотонные методы
сегодня - это наиболее широко распространенные методы в ядерно-
физических экспериментах [Ю.К.Акимов 2006]. Эти методы занимают особое
место в космомикрофизических экспериментах. Присутствие фотонных
методов или практически всех элементов фотоники в ядерно-физических
экспериментах настолько велико, что предлагается по аналогии с ядерной
электроникой объединить все эти методы в новую область
экспериментальной физики - ядерную фотонику {Б.К.Лубсандоржиев. 2009].
Детекторы фотонов (вакуумные, газовые и твердотельные) являются
основным инструментом подавляющего большинства
космомикрофизических экспериментов. В свою очередь, везде, где применяются детекторы фотонов, необходимо внедрение в состав экспериментов специальных калибровочных систем для контроля и мониторирования параметров фотодетекторов для получения точных и надежных экспериментальных данных. В состав калибровочных систем обязательно входят элементы фотоники - источники фотонов (лазеры, светодиоды, разрядные источники, черенковские источники и т.д.) и фотонные среды (световоды, оптоволоконные кабели, сцинтилляторы, радиаторы черенковского излучение и т.п.).
Даже в экспериментах, где основными детектирующими элементами служат не детекторы фотонов, а другие типы детекторов, например, полупроводниковые детекторы, не удается полностью обойтись без детекторов фотонов, которые используются в каких-то вспомогательных системах экспериментов. Ярким примером такого использования детекторов фотонов является эксперимент GERDA по поиску двойного безнейтринного бета-распада ядер 76Ge, который проводится в подземной лаборатории Gran
Sasso в Италии. Одно из основных требований эксперимента - чрезвычайно низкий уровень фона. Выполнение этого требования оказывается невозможным без создания детектора мюонного вето, позволяющего освободиться от фона космогенного происхождения. В этом детекторе мюонного вето используются детекторы фотонов, ультрачистая вода, сцинтилляторы и спектросмещающие оптоволоконные кабели. Кроме того, в детектор инкорпорирована калибровочная система, включающая в себя источники фотонов, оптоволоконные кабели и диффузные рассеиватели фотонов. Как видим, в эксперименте GERDA применяются практически все основные элементы фотоники.
Если обратиться к экспериментам, действующим на другом конце энергетической шкалы - например, эксперименты по исследованию первичного космического излучения в области энергий выше 1014 эВ, то мы снова увидим, что практически во всех экспериментах используются детекторы фотонов и другие элементы фотоники. Во многих экспериментах сама атмосфера используется в качестве фотонной среды, как в черенковском эксперименте ТУНКА. В калибровочных системах этого эксперимента применяются источники фотонов и оптоволоконные кабели.
Таким образом, в двух очень разных экспериментах, работающих в различных энергетических диапазонах, очень сильно различающихся по условиям проведения: в первую очередь по фоновым условиям, по условиям окружающей среды и т.д., элементы фотоники или фотонные методы играют ключевую роль. Исследованию детекторов фотонов экспериментов GERDA и ТУНКА и разработке и созданию калибровочных систем этих экспериментов и посвящена данная диссертационная работа.
Цель работы. Целью настоящей работы являлось разработка и создание измерительных стендов для исследования, тестирования и отбора фотодетекторов эксперимента по поиску двойного безнейтринного бета-распада ядер Ge76 GERDA и эксперимента по исследованию первичного
космического излучения ТУНКА, разработка оптического модуля черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA, разработка и создание калибровочных систем данных экспериментов, а также исследование параметров основных элементов этих систем. Научная новизна и практическая ценность работы. В ходе выполнения настоящей работы были разработаны и созданы оптический модуль и калибровочная система черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA, а также калибровочная система эксперимента ТУНКА. Результаты данной работы активно используются в космомикрофизических экспериментах.
Основные результаты, представленные к защите.
Основными результатами, представленными к защите, являются разработка и создание калибровочных систем черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA и эксперимента ТУНКА. Разработка методов исследования, тестирования и отбора основных элементов калибровочных систем и фото детекторов этих экспериментов. Апробация работы. Результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на межрегиональных конференциях по физике космических лучей в г.Москве в 2008 г., на международной конференции по физике космических лучей в 2007 (Мерида, Мексика), на международных конференциях по фотодетектированию в 2006г. (Бон, Франция) и 2008г. (Акс-ле-Бан, Франция), на совещаниях коллаборации GERDA. Публикации. Сущность и новизна исследований, выполненных по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах Приборы и Техника Эксперимента, Nuclear Instruments and Methods А, в трудах Российских и международных конференций по физике космических лучей. Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ из них 7 в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и
заключения. Общее количество страниц составляет 153, рисунков - 119 и таблиц - 1. Список литературы включает 103 наименования. Вклад автора. Автором непосредственно разработаны и созданы измерительные стенды для отбора и тестирования фотодетекторов эксперимента по поиску двойного безнейтринного бета-распада GERDA и эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА. Лично автором проведены исследование, отбор и тестирование фотодетекторов этих экспериментов. При непосредственном активном участии автора разработан оптический модуль черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA. Автором также разработаны и созданы калибровочные системы экспериментов GERDA и ТУНКА, основанные на разработанных автором источниках наносекундных световых импульсов на базе светодиодов высокой мощности. Вклад автора был определяющим в разработке и создании всех элементов калибровочных систем экспериментов GERDA и ТУНКА.
Черенковский детектор мюонного вето эксперимента GERDA
Для изучения параметров фотоумножителей был разработан измерительный стенд, функциональная схема которого показана на рис. 16. Исследуемый ФЭУ помещается в полностью затемненную комнату ("dark room"). Перед фотокатодом ФЭУ закрепляется конец пластикового оптоволоконного кабеля, по которому осуществляется засветка фотокатода исследуемого ФЭУ от источника наносекундных световых импульсов ИС. Анодный сигнал выводится из затемненной комнаты в лабораторию. По тому же кабелю заводится и напряжение питания ФЭУ. Анодные сигналы подаются на вход усилителя импульсов У (LeCroy 612А). Выходные сигнала усилителя поступают на входы дискриминатора с фиксированным порогом Ді (LeCroy621AL) и формирователя со следящим порогом Д2 (CANBERRA CFD 1326D). Выходные импульсы дискриминатора Д{ подаются на один из входов схемы совпадений СС (LeCroy 466) и на вход частотомера 43-63. На второй вход схемы совпадений поступает синхронизирующий сигнал от генератора импульсов Г (Stanford DG535), предварительно синхронизированный с помощью дискриминатора Д3 (LeCroy 621AL) и пропущенный через кабельную линию задержки ЛЗ,. Время задержки в ЛЗ/ подбирается таким образом, чтобы фронт выходного сигнала дискриминатора Д; на входе схемы совпадений запаздывал от фронта выходного сигнала дискриминатора Д?. Выходной сигнал схемы совпадений поступает на вход GATE десятиразрядного зарядо-цифрового преобразователя ЗЦП (LeCroy 2249А), на вход INPUT которого подается сигнал с усилителя У после прохождения кабельной линии задержки ЛЗ2. Временная задержка в Л32 подбирается таким образом, что исследуемый анодный сигнал ФЭУ полностью укладывался во временной интервал, образуемый фронтом и спадом выходного сигнала схемы совпадений, т.е. сигнала, поступающего на вход GATE преобразователя. При этом фронт сигнала GATE должен опережать фронт измеряемого сигнала не менее чем на 10 не. Длительность выходного импульса схемы совпадений устанавливается равной 150 не. Синхронизирующий сигнал генератора импульсов используется также и для измерений временного разрешения фотоумножителей. Для этого этот импульс стандартизируется дискриминатором Д3 таким же образом, как и в случае зарядовых измерений. Выходной сигнал дискриминатором Д3 служит сигналом СТАРТ время-цифрового преобразователя ВЦП с шагом 75 пс и максимальным диапазоном измеряемых интервалов времени 5 мкс. Сигналами СТОП преобразователя являются выходные сигналы дискриминатора со следящим порогом Д2. Оцифрованные данные о заряде сигнала и времени появления сигнала через крейт-контроллер КАМАК КК009 поступают в ПК персональный компьютер ІВМ-АТ/486І. Счетчики импульсов С/ и С2 используются для контроля однофотоэлектронного режима ФЭУ.
Функциональная схема измерительного стенда для исследований фотодетекторов черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA. Для измерений амплитудных и временных параметров фотоумножителей используется один и тот же источник наносекундных импульсов света, разработанный для исследования временных и амплитудных характеристик фотодетекторов. Подробное описание такого источника света дается в работах [37, 38]. Длительность световых импульсов источника составляет Atfivhm 1 не. Спектр излучения имеет максимум на длине волны А,тах=370 нм или Хтах= 400 нм, в зависимости от используемого светодиода.
В измерительном стенде также предусмотрена возможность проведения измерений как относительной, так и абсолютной чувствительностей ФЭУ с использованием реперного хорошо прокалиброванного фотодетектора, интерференционных фильтров и источников света, излучающих на длинах волн от 300 нм до 700 нм. Таким образом, на разработанном и созданном стенде возможно проведение измерений следующих параметров ФЭУ детектора:
Перед началом исследований и отбора ФЭУ для детектора нами была проведена оптимизация делителя напряжения ФЭУ. На рис. 17 показан оптимизированный делитель напряжения питания ФЭУ. Измерения коэффициента сбора фотоэлектронов на динодную систему в этом типе ФЭУ показывают, что полный сбор фотоэлектронов происходит при напряжении на камере этого ФЭУ большем 500В. Для обеспечения максимально возможного сбора фотоэлектронов на первый динод ФЭУ и минимизации влияния магнитного поля Земли разность потенциалов между фотокатодом и первым динодом устанавливается равным 600В. Распределение разности потенциалов между соседними динодами равномерное. Для достижения лучшего временного разрешения один из фокусирующих электродов соединен с 3-им динодом. Коэффициент усиления ФЭУ G=107 с таким делителем достигается в среднем по всем измеренным фотоумножителям при напряжении питания Uop 1600В. При этом скорость счета импульсов темнового тока не превышает 5 кГц выше порога, соответствующем 0,25 среднего однофотоэлектронного сигнала (Qi i,3) для всех ФЭУ. Изменение коэффициента усиления при различных ориентациях ФЭУ относительно магнитного поля Земли не превышает 10%.
Линейность отклика ФЭУ с таким делителем напряжения питания проводилась на специальном стенде, функциональная схема которого показана на рис. 18. Измерения проводятся с двумя наносекундными источниками света. Чередуя засветку ФЭУ одним и двумя источниками света и постепенно увеличивая амплитуду световых импульсов, можно покрыть большой динамический диапазон отклика ФЭУ. Предел импульсной световой характеристики составляет -200 Qi, , рис. 19, на уровне 5%-го отклонения от линейности. Этого вполне достаточно для эксперимента GERDA, потому что перед черенковским детектором мюонного вето стоит задача не измерения амплитуд сигналов от мюонов, а необходимо достичь высокой эффективности регистрации мюонов.
Система оптоволоконных кабелей
Надежная и стабильная работа черенковского детектора, что крайне необходимо для низкофоновых долговременных экспериментов как GERDA, требует регулярного проведения калибровочных измерений для контроля стабильности фотоумножителей и мониторинга прозрачности водной среды детектора. Для этих целей разработана и создана калибровочная система черенковского детектора.
Калибровочная система детектора состоит из двух частей. В первой части оптические модули детектора засвечиваются через пластиковые оптоволоконные кабели COMAR 01 FS 20 - один кабель для каждого оптического модуля. Концы оптоволоконных кабелей собираются в единую план-шайбу и тщательно полируются. Эта план-шайба засвечивается одним источником наносекундных импульсов света на базе одного ультра яркого синего светодиода и формирователя импульса запуска светодиода на базе комплементарной пары быстродействующих транзисторов, принципиальная электрическая схема которого показана на рис. 34. Источник световых импульсов наносекунднои длительности состоит из ультра яркого светодиода на одиночных квантовых ямах на основе гетероструктур InGaN/GaN и формирователя импульсов запуска светодиода. Этот формирователь [37, 38] и основан на быстром разряде конденсатора малой емкости С2 через комплементарную пару быстрых транзисторов ТІ и Т2, BRF92 и BFT92A соответственно. Этот разряд осуществляется при поступлении на вход формирователя положительного перепада напряжения с амплитудой превышающей 2,5 В, открывающем оба транзистора. Для подавления хвоста импульса тока, протекающего через светодиод, параллельно светодиоду включена высокочастотная индуктивность номиналом 100 нГн. R1
Принципиальная схема наносекундного источника света калибровочной системы черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA. ТІ - BFT92A; Т2 - BFR92P; С1 - 47 пФ; С2 - 100 пФ; R1 - 100 кОм; R2 - 2,2 кОм; R3 - 10 кОм; L - 100 нГн; LED - YM-BV5S15N.
Амплитуда светового импульса источника света управляется изменением заряда разрядной емкости С2 (100 пФ) путем простого изменения напряжения питания. Диапазон изменения напряжения питания 0 -24В. Превышение этого диапазона приводит к выходу из строя транзисторов. Для этого источника подобран светодиод с максимально высоким световыходом и в тоже время с быстрой кинетикой свечения без медленной компоненты. Таковым выбран светодиод фирмы YolDal марки YM-BV5S15N диаметром 5 мм. Максимум излучения светодиода приходится на длину волны 470 нм. На рис. 35 показана кинетика свечения светодиодов YM-BV5S15N при прохождении наносекундных импульсов тока амплитудой 2А. Регулировка амплитуды светового сигнала осуществляется изменением напряжения питания программно из центрального электронного пункта при помощи цифроаналогового преобразователя. Диапазон изменения амплитуды светового сигнала составляет 0-И0 фотонов в импульсе. При этом длительность светового импульса изменятся от 2,0 не при минимальном напряжении питания, при котором световой сигнал от источника регистрируется ФЭУ, и до 3,0 не при максимальном напряжении питания -24 В. 40 50 60
Источник света выполнен на плате размером 20x15 мм2 и помещен в металлическую коробку. Оптоволоконные кабели системы вводятся в коробку с помощью упомянутой план-шайбы. Для равномерной засветки оптоволоконных кабелей между светодиодом и план-шайбой устанавливаются плосковогнутая линза для обеспечения параллельного светового пучка, падающего на план-шайбу. Дополнительно для улучшения равномерности засветки оптоволоконных кабелей возможно установить диффузный рассеиватель. Неравномерность засветки кабелей в план-шайбе, измеренная с одним и тем же фотодетектором (ФЭУ R1463), не превышает 20%. На рис. 36 показаны фотографии этого источника света.
Рис. 36. Источник наносекундных импульсов света, разработанный для калибровочной системы черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA.
Во второй части калибровочной системы предусматривается засветка одновременно всех ФЭУ детектора через воду от одного источника с помощью пяти оптоволоконных кабелей и сферических диффузных рассеивателей света. Четыре рассеивателя подвешиваются на половине высоты бака и на равном расстоянии от вертикальных стенок бака и криостата под 90 градусов друг другу. Пятый рассеиватель установлен в "pill-box", непосредственно под криостатом. Пять оптоволоконных кабелей от диффузных шаров выводятся из бака через специальные выходы, изготовленные в крыше бака, к источнику световых импульсов.
Принципиальная схема наносекундного источника света на основе лавинных транзситоров и ультра яркого светоизлучающего диода. С1, СЗ = 100 нФ; С2 = 27 пФ; Rl, R2 = 51 Ом; R3 = 68 кОм; R4 = 5,1 кОм; R5 = 10-=-30 Ом; L1 = 30-100 нГн; ТІ, Т2 - FMMT415; D1 - светодиод высокой мощности LUMILED LXHL-NB98. Этот источник представляет собой синий светодиод высокой мощности LXHL-NB98 с формирователем импульсов запуска на базе лавинных транзисторов [47-49], схема которого показана на рис. 37. Используются два лавинных транзистора в планарном исполнении FMMT415 фирмы ZETEX, напряжение лавинного пробоя которых составляет -300-340V. Эти лавинные транзисторы включены последовательно для получения максимальной амплитуды импульса тока, протекающего через светодиод. Разрядная емкость С2 заряжена практически до напряжения питания формирователя Ucc, величина которого (—600-680В) устанавливается чуть ниже точки лавинного пробоя транзисторов. Появление триперного сигнала вызывает лавинный пробой первого транзистора, который вызывает пробой второго транзистора, включенного последовательно с первым транзистором. Светодиод высокой мощности включен в эмиттерную цепь первого транзистора. Включение параллельно светодиоду укорачивающей RL-цепочки позволяет подавить экспоненциальный хвост импульса тока через светодиод.
Длительность светового импульса источника измерялась методом счета коррелированных во времени фотонов [50, 51]. Кинетика световых импульсов источника описывается одной экспоненциальной функцией с постоянной времени т 10нс, рис. 38. Ширина светового импульса на
Спектр излучения такого наносекундного источника световых импульсов - так называемый, "Royal Blue", с максимумом излучения на длине волны 450 нм, рис. 39а. Мощность данного светового источника измерялась с помощью интегрирующей сферы и калиброванного фотодиода S1226. Число фотонов в импульсе для данного источника составляет (2-3)х1012 фотонов. Одиночный импульс данного источника виден невооруженным глазом при дневном свете в лаборатории. w, оім.ед.
ТУНКА-25: гибридный детектор фотонов KBA3AP-370G и фотоумножитель EMI D669. Измерение длительности черенковского излучения широких атмосферных ливней в эксперименте ТУНКА
Как со всей очевидности видно из спектров, приведенных на рис. 72 предыдущего параграфа, существует явный недостаток экспериментальных данных в диапазоне энергий 1017-Н018 эВ. Между тем, эта область энергий представляет огромный интерес в силу того, что возможно здесь происходит переход от галактических космических лучей к внегалактическим. Именно в силу этого, в 2006 году были начаты работы по созданию черенковского детектора широких атмосферных ливней площадью 1 км2 ТУНКА-133, основной физической задачей которого является изучение энергетического спектра и массового состава первичного космического излучения в области энергий 1015-й018эВ.
Как уже отмечалось, информация о массе первичной частицы может быть получена из анализа продольного развития ШАЛ, главным образом из глубины максимума его развития Хтах. Однозначно определить массу первичной частицы в данном ливне не представляется возможным, так как флуктуации величины Хтах для ядер с фиксированной массой сравнимы с разницей в глубине максимума, обусловленной ядрами различной массы. Тем не менее, оказывается возможным связать среднее значение Хтах со средней массой или, что на сегодняшний день более популярно, со средним логарифмом массы первичных космических частиц с заданной энергией Е:
Величина Хтах определяется по экспериментальным данным безмодельным способом, но коэффициенты в выражении (14) зависят от выбранной модели адронного взаимодействия.
Два экспериментально восстанавливаемых в результате регистрации черенковского света параметра ШАЛ особенно чувствительны к положению глубины максимума: крутизна функции пространственного распределения (ФПР) и длительность черенковского импульса ливня на достаточно большом ( 200 м) расстоянии от оси.
Анализ теоретических зависимостей плотности потока черенковского света от расстояния до оси ливня, моделированных по программе CORSIKA, позволил подобрать вид функции вполне адекватно описывающей пространственное распределения черенковского излучения ливня в диапазоне расстояний от 0 до 250 м от оси ливня [84]. Функция пространственного распределения, изображенная на рис. 73 состоит из двух ветвей: а) экспоненциальной ветви с небольшой поправкой типа полюса в нуле (от оси ШАЛ до некоторого переменного расстояния Rkn) и степенной (на больших расстояниях от оси). Форма ФПР задается всего одним переменным параметром Р, который определяется как крутизна ФПР, и равен отношению плотности потока черенковского излучения на расстоянии 100 м к плотности потока на расстоянии 200 м от оси. Все остальные параметры (Qkn, Rio» Ro,) входящие в выражение для Q(R), вычисляются через этот параметр Р. При изменении параметра Р меняется расстояние точки перехода от одной ветви ФПР на другую (R ) и наклон первой экспоненциальной ветви. При этом вторая степенная ветвь ФПР практически не меняется, и любая плотность потока черенковского света, соответствующая этой ветви, может служить мерой энергии ливня. Для определенности за меру энергии была выбрана плотность на расстоянии 175 м от оси - Q(175). Расчетная связь между энергией ливня и плотностью потока фотонов на расстоянии 175 м от оси ливня описывается следующем выражением: Е0 (PeV) = 0.4-Q(175)-9S, (15) где величина Q(175) измерена в единицах (фотон-см"2-эВ" ). На рис. 74 показано, как экспериментальные значения плотности потока черенковского света (данные установки Тунка-25) фитируются с помощью этой ФПР. Для фитирования экспериментальных значений плотности потока черенковского света ливня на расстояниях до 1 км, что необходимо для анализа данных установки Тунка-133, выражение для Q(R) было дополнено третьей ветвью, которая определяет поведение ФПР на расстояниях больше 200 м [83].
Результаты анализа расчетов показывают, что величина Р однозначно связана с расстоянием Нтах (км) до положения максимума развития ливня, вне зависимости от остальных параметров разыгранных событий: зенитного угла, энергии и вида первичных частиц [85]: Нтах= 13.61-2.18Р (16) Core distance, m
Оптирование экспериментальных значений плотности потока черенковского света (данные установки Тунка-25) функцией пространственного распределения черенковских фотонов ФПР, использующейся в эксперименте ТУНКА.
Вторым методом определения глубины максимума является измерение длительности импульса черенковского света (тт - ширина на половине высоты импульса), на достаточно большом расстоянии от оси ШАЛ. Длительность Ті/2 для фиксированного расстояния от оси ливня, как уже указывалось в предыдущем пункте данной главы, лучше всего связана с толщиной вещества между уровнем наблюдения (Х0) и максимумом развития ШАЛ АХ (АХ= Хо /cos9 - Хтах). На рис. 75 приведена зависимость АХ от длительности черенковского импульса на расстоянии 400 м от оси ливня [86].
Калибровочная система эксперимента ТУНКА-133
Калибровка времени срабатывания сильно разнесенных оптических пунктов широкоугольных черенковских детекторов ШАЛ большой площади представляет довольно значительную сложность. Если в случае детектора ТУНКА-25, как было описано в предыдущем параграфе, еще удается обойтись достаточно простой системой с источником света и одним куском оптоволоконного кабеля, то в детекторе ТУНКА-133 площадью 1 км2 этого сделать уже невозможно из-за сильного ослабления световых сигналов в кабеле и уже значительного числа оптических пунктов, делающую такую процедуру калибровки недоступно время- и трудоемкой. В силу этих причин в эксперименте ТУНКА-133 предусмотрено две системы калибровки оптических пунктов.
В первом случае каждый оптический пункт, как уже описывалось в предыдущей главе, снабжен наносекундным источником света, который управляется из электронного пункта кластера. Перед этим вариантом ставилась основная задача амплитудной калибровки фотодетекторов оптических пунктов. Для этой цели разработан источник света на основе ультра яркого голубого светодиода GNL-3014BC с корпусом диаметром 3 мм. Этот светодиод отличается тем, что существуют образцы с самой быстрой кинетикой свечения среди всех измеренных светодиодов различных типов, рис. 102. Кинетика свечения измерялась при прохождении через светодиод коротких наносекундных импульсов тока большой амплитуды (2,2А). Для использования в калибровочной системе эксперимента ТУНКА-133 нами были отобраны образцы светодиодов GNL-3014BC с быстрой кинетикой. Принципиальная электрическая схема и фотография источника представлены нарис. 103 и 104 соответственно.
Источник изготовлен на печатной плате размером 40x40 мм2. Электрическая схема источника основана на том же принципе разряда конденсатора с помощью быстродействующей комплементарной пары транзисторов и выбранный ультра яркий светодиод, как описывалось в предыдущих разделах. Отличительной особенностью данного источника является использование положительного напряжения питания. Источник выделяется также и большим диапазоном изменения амплитуды светового сигнала источника — 0-1010 фотонов в импульсе. При этом длительность светового импульса увеличивается от 3 не (3,3 В) при минимальном напряжении питания до 7 не при максимальном напряжении питания (+12 В). Запускающий сигнал из электронного пункта кластера подается по коаксиальному кабелю. Для того чтобы избежать эффекта "плавающих" потенциалов, запускающий сигнал поступает на вход формирователя импульсов запуска светодиода через трансформатор. Управление световыходом источника осуществляется изменением напряжения питания, которое также подается к источнику по коаксиальному кабелю.
В принципе, при таком подходе, когда несколько наносекундных источников света запускаются от одного импульса генератора с помощью длинных коаксиальных кабелей, возможно достижение точности временной синхронизации срабатывания источников сета лучше 1 не даже при длине кабелей 1000 м. На рис. 105 изображена схема измерений разброса времён прихода импульсов запуска относительно сигналов генератора после прохождения кабеля длиной 1200 м. Сигнал с генератора TDG535 {Stanford Research System, INC) разветвляется и, пройдя через дискриминатор Д1 LeCroy 621А1 и блок цифровой задержки ЦЗ, подаётся на вход «СТАРТ» время-цифрового преобразователя ВЦП Ш1Т-12А1 (1 канал = 75 пс). Этот же сигнал с разветвителя пройдя через коаксиальный кабель длиной 1200 м поступает на дискриминатор Д2 с выхода которого подаётся на вход «СТОП» ВЦП. На рис. 106 показано измеренное распределение времён прихода импульсов относительно запускающего сигнала. Ширина на половине высоты этого распределения не превышает 0,5 не. Основной вклад в эту величину вносит электронный джиттер сигналов цифровой задержки.
Измерение временного разброса между выходными импульсами каналов формирователя после прохождения коаксиальных кабелей длиной 1200 м проводилось на стенде, блок-схема которого показана на рис. 107. Разветвлённый сигнал от генератора через коаксиальные кабели длиной 1200 м поступает на дискриминаторы Д1 и Д2, на которых формируются сигналы «СТАРТ» и «СТОП» ВЦП. Сигнал с дискриминатора Д2 предварительно задерживается с помощью цифровой линии задержки ЛЗ. Результаты измерений приведены на рис. 108. Разброс времени прихода импульсов друг относительно друга не превышает 150 пс. Таким образом, оказывается возможным осуществить синхронизацию времени срабатывания наносекундных источников света разнесенных на расстояния —1000 м и более с точностью лучше 1 не.
Схема калибровочной системы эксперимента ТУНКА-133 с использованием источника световых импульсов, поднятого над установкой на воздушном шаре. ОП - оптические пункты; ЦЭП - центральный электронный пункт. Дня калибровки всей установки ТУНКА-133 в целом разработана система, основанная на мощном светодиодном источнике наносекундных световых импульсов. Такой источник будет подниматься на воздушном шаре, наполненном гелием, в отдельном эксперименте, схема которого показана на рис. 109. Предусматривается и второй вариант, когда источник света закрепляется на шесте на высоте нескольких метров. В обоих случаях будут использоваться источники наносекундных световых импульсов разных конструкций.
