Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Вариации космического излучения. Аппаратура для исследования вариаций 9
1.1. Короткопериодические вариации космического излучения, наблюдаемые на наземных станциях 9
1.2. Состав излучения в верхних слоях атмосферы 12
1.3. Короткойериодические вариации космического излучения, наблюдаемые в верхних слоях атмосферы 16
1.4. Аппаратура для исследования КПВ вторичного космического излучения 23
1.5. Выводы к главе I 25
Рисунки к главе I 26
Глава II. Разработка и оптимизация структуры и параметров времяпролетной системы отбора событий для гамма-телескопа "Наталия-1" 27
2.1. Характеристики гамма-телескопа "Наталия-1" и требования к ВПС 27
2.2. Выбор конструктивной и функциональной схемы ВПС. Исследование характеристик макета ВПС 34
2.3. Разработка и исследование характеристик системы электронных узлов для ВПС 39
2.4. Исследование характеристик фотоумножителей ФЭУ-85 и ФЭУ-87 46
2.5. Измерение амплитудных и временных характеристик сцинтилляционных детекторов 51
2.6. Исследование эффективной скорости распространения светового сигнала в сцинтилляторе и влияние ее на работу ВПС 56
2.7. Разработка методики настройки ВПС 63
2.8. Система контроля параметров ВПС 67
2.9. Выводы к главе 2 70
Рисунки к главе 2 , 73
Глава III. Измерение характеристик ВПС гамма-телескопов "Наталия-ГМм и "Наталия-1П" 98
3.1. Гамма-телескопы иНаталия-ГМ" и "Наталия-ПГ. Задачи и возможности 98
3.2. Калибровка ВПС на пучке электронов 103
3.3. Исследование влияния разлета электрон-позитронных пар на работу ВПС 109
3.4. Испытания ВПС 113
3.5. Основные физические характеристики ВПС 116
3.6. Выводы к главе 3 120
Рисунки к главе 3 122
Глава IV. Результаты измерения КТО вторичного космического излучения с помощью гамма-телескопа "Наталия- ГМ " 133
4.1. Описание экспериментов, проведенных на гамма-телескопе "Наталия-ГМ, ПГ 133
4.2. Исследование работы гамма-телескопа во время экспериментов 136
4.3. Методика выявления и исследования вариаций потоков космического излучения 140
4.4. Результаты выявления пульсаций потоков вторичного космического излучения. Анализ на дежности полученных результатов 148
4.5. Сравнение параглетров КЕШ потоков вторичного излучения и пульсаций магнитного поля Земли 155
4.6. Обсуждение полученных результатов. Внутренние гравитационные волны 157
4.7. Цульсирущее высыпание заряженных частиц высокой энергии из радиационного пояса Земли 162
4.8. Выводы к главе 4 170
Рисунки к главе 4 172
Заключение 194
Список литературы 197
- Короткойериодические вариации космического излучения, наблюдаемые в верхних слоях атмосферы
- Измерение амплитудных и временных характеристик сцинтилляционных детекторов
- Основные физические характеристики ВПС
- Сравнение параглетров КЕШ потоков вторичного излучения и пульсаций магнитного поля Земли
Введение к работе
При исследовании астрофизических объектов и процессов, происходящих на Солнце и в ближнем космическом пространстве Земли, все большее внимание уделяется вариационным характеристикам, изучение которых осуществляется наблюдением периодических изменений плотности потоков первичного и вторичного компонентов космического излучения, пульсаций межпланетного магнитного поля и магнитного поля Земли, пульсаций диаметра Солнца. Интерес к вариациям обусловлен возможностью изучения с их помощью динамики частиц, захваченных магнитным полем Земли, а также изучения и понимания Солнечно-Земных связей, выявлению которых в последнее время уделяется большое внимание.
В диапазоне периодов ~100-1000 с измерения пульсаций интенсивности космического излучения проводятся с помощью наземных установок, на высотных аэростатах и спутниках. Полученные результаты единой картины не составляют.
Более подробно исследованы вариации первичного компонента космического излучения, наблюдаемые с помощью наземных установок большой площади. В настоящее время, по-видимому, можно полагать, что вариации интенсивности излучения, наблюдаемые на земле, связаны с рассеянием первичного космического излучения на неоднород-ностях межпланетного магнитного поля, образующихся в результате прохождения ударной волны солнечного ветра.
Вариации вторичного компонента космического излучения, наблюдаемые в верхних слоях атмосферы и в ближнем космическом пространстве, имеют амплитуду на 2-3 порядка больше, чем наблюдаемые на уровне земли, и вызываются, по-видимому, другими процессами. С помощью спутников наблюдаются в основном пульсации низко энергичного (^10 кэВ) излучения. Предполагается, что пульсации по- - б - тока связаны с высыпанием электронов из радиационного пояса Земли, предлагается несколько механизмов изменения питч-углового распределения электронов, в результате действия которых может происходить пульсирувдее высыпание электронов в авроральной зоне.
С помощью аэростатов в верхних слоях атмосферы измеряется излучение более высокой энергии (~1-100 МэВ). Для объяснения вариаций интенсивности вторичного излучения высокой энергии, наблюдаемых как в высоких, так и в средних широтах, предполагаются различные причины: внутренние гравитационные волны в верхних слоях атмосферы, изменение порога геомагнитного обрезания, высыпание частиц из радиационного пояса Земли под действием пульсаций магнитного поля. Количественно разработан только механизм, связанный с внутренними гравитационными волнами, который неплохо объясняет пульсации у-излучения высокой энергии. Однако из-за недостаточной изученности параметров волн в верхних слоях атмосферы сделать окончательный вывод о влиянии внутренних гравитационных волн на пульсации потоков вторичного излучения не представляется возможным. Этот механизм, по-видимому, не является единственным, поскольку не объясняет пульсации потоков заряженных частиц, которые наблюдались неоднократно при отсутствии пульсаций потока у -излучения. В ряде случаев это явление наблюдалось во время магнитного возмущения. Изменения величины магнитного поля во время магнитной бури недостаточно для образования высыпающихся потоков частиц из радиационного пояса, теоретического объяснения возможного высыпания частиц высокой энергии в средних широтах в настоящее время не существует. Во многом отсутствие теоретических работ связано с недостаточным количеством экспериментальных данных.
Для исследования короткопериодических вариаций вторичного компонента космического излучения заряженных частиц и у-квантов в ШФИ разработаны гамма-телескопы "Наталия-Ш, ІП", в состав которых входит система регистрации направленного излучения. С помощью гамма-телескопа "Наталия-Ш" в верхних слоях атмосферы проведены измерения вариаций плотности потока ^-излучения и заряженных частиц, идущих сверху-вниз и снизу-вверх. Сравнение параметров пульсаций интенсивности излучения и магнитного поля Земли показывает возможную связь этих явлений. На основе полученных результатов показана возможность высыпания частиц высокой энергии (протонов и электронов) из радиационного пояса Земли в средних широтах во время магнитного возмущения в результате резонансного взаимодействия частиц радиационного пояса с волнами ОНЧ- и КНЧ-диапазона.
Автор выносит на защиту.
Результаты измерения и выявления в диапазоне периодов 60-1800 с короткопериодических вариаций потоков вторичного компонента космического излучения, идущего сверху-вниз и снизу-вверх, полученные в полетах на разных высотах.
Вывод о том, что наиболее вероятным источником короткопериодических вариаций, наблюдаемых во время магнитного возмущения, является пульсирующее высыпание заряженных частиц высокой энергии из радиационного пояса Земли.
Методику и результаты измерений физических характеристик ВПС гамма-телескопа "Наталия-Ш" в потоке мгоонов вторичного космического излучения, в пучке однозарядных релятивистских частиц и в пучке "меченых" ^ -квантов.
Вывод о том, что эффективная скорость распространения светового сигнала в сцинтилляционном детекторе зависит от типа используемого формирователя временной отметки, формы анодного сигнала ф.э.у. и коэффициента затухания света в сцинтилляторе.
5. Систему электронных узлов для сцинтилляционной время-пролетной системы, состоящей из формирователей со следящим порогом и сдвоенного время-амплитудного преобразователя.
Основные результаты диссертационной работы содержатся в /86,89,94,96,102-105,107,110,114,131/.
Короткойериодические вариации космического излучения, наблюдаемые в верхних слоях атмосферы
Дальнейшее развитие механизма влияния волн плотности, или, как принято называть, внутренних гравитационных волн (ВГВ), на появление КПВ v -излучения, получило в работах /49,50/. Результаты, представленные в этих работах, были получены с помощью узкоапертурных гамма-телескопов с энергетическим порогом в десятки МэВ, запускаемых в верхние слои атмосферы с помощью высотных аэростатов. В ряде полетов, проведенных при геомагнитном пороге обрезания 3,5 и 16,9 IB, были выявлены КПВ жесткого у-излучения, наблюдавшиеся в течение нескольких часов с периодами 300-420 с и амплитудой до 20$, причем модуляция потока -излучения носила направленный характер. Пульсации заряженного компонента КИ при этом не наблюдались. Авторы этих работ считают, что модуляция потока у -излучения связана с ВГВ: при прохождении над прибором волн плотности периодически меняется количество воздуха, и, соответственно, изменяются условия каскадного размножения частиц первичного излучения. Эффекты, вызываемые ВГВ в заряженном компоненте, значительно меньше из-за более слабой зависимости плотности потока заряженных частиц от толщины атмосферы, а также из-за разравнивающего влияния магнитного поля Земли.
В ряде работ указывается на некоторые закономерности КПВ. В работах /51-53/, выполненных с помощью гамма-телескопов, в верхних слоях атмосферы наблюдались КПВ у-излучения, синхронные с пульсациями электронного компонента вторичного космического излучения. Авторы считают, что первичными здесь являются КПВ потоков электронов. При этом выделяются следующие периоды КПВ: 720-900, 1380-1440 и 1800-1980 с при амплитуде 10-20$. Замечено /54/, что с большей достоверностью выделяются КПВ потока электронов с энергией 35-60 МэВ. В работе /51/ отмечается, что КПВ v-излучения с энергией 40-150 МэВ наиболее значительны ( А 80%) вблизи полуночного меридиана.
В работах /51,55/ показано хорошее совпадение периодов пульсаций Y-излучения с периодами колебаний солнечного диаметра, при этом выделены периоды: 700, 760, 950, 1390 и 1980 с, однако механизм переноса этих колебаний пока не ясен.
В работах /56,57/ приведены данные о поведении пульсирующих потоков заряженных частиц и у -квантов с периодами 66, 84, 624 и 1980 с во время магнитной бури. На фоне общего увеличения потока излучения, которое авторы связывают с высыпанием электронов из радиационного пояса Земли, при переходе полуночного меридиана менялся состав пульсирующего компонента: до полуночи КПВ были обусловлены в основном протонами, а после полуночи - электронами. Авторы считают, что наблюдаемое явление связано с возмущением магнитосферы Земли.
Увеличение потоков регистрируемого излучения с энергией 10-100 МэВ наблюдались во многих работах: нейтронов /43,40/, протонов /56,58/, электронов /52,59,60/, у -квантов /52,59/, причем увеличение потоков часто сопровождается пульсациями. В основном эти явления регистрируются во время магнитных возмущений. Однако корреляция с пиками на магнитограммах для этих энергий наблюдалась только в работе /60/, где были зарегистрированы пульсации потока заряженных частиц с амплитудой до 300$ и периодом 1500-1800 с. Эти измерения проводились в районе Бразильской магнитной аномалии. Авторы связывают наблюдаемое явление с высыпанием электронов из радиационного пояса Земли.
Данные, полученные при исследовании КЕШ КИ, отличаются большим диапазоном значений наблюдаемых периодов и амплитуд пульсаций. Несмотря на сходство значений регистрируемых периодов КПВ и одинаковое влияние магнитных возмущений на их появление, амплитуды КПВ, наблвдаемых на наземных станциях и в стратосфере, существенно, на 2-3 порядка, отличаются по своей величине. Это говорит о возможности существования различных механизмов КПВ излучения, регистрируемого наземными приборами и в верхних слоях атмосферы, возможно и отличие пульсирующих компонент космического излучения, регистрируемых в том и другом случае.
В настоящее время выявление КПВ на наземных приборах осуществляется по массивам данных, получаемых в течение значительных отрезков времени (до 3000 ч /2/), что приводит к "замазыванию" и невозможности выделения КПВ небольшой длительности. КПВ, продолжавшиеся всего несколько часов, пока выделяются только при сильных магнитных возмущениях. Повышение чувствительности приборов позволит исследовать тонкую структуру КПВ, начать исследование в более высокочастотном диапазоне и с большей степенью достоверности определить механизмы возникновения КПВ, а в случае подтверждения механизма рассеяния первичного излучения неодно-родностями межпланетного магнитного поля, проводить эффективные исследования межпланетного магнитного поля и солнечного ветра. Однако здесь есть существенные трудности, т.к. уже в настоящее время размеры детекторов определяются десятками и сотнями квадратных метров и дальнейшее увеличение их чувствительности затруднительно.
Для объяснения КПВ КИ в верхних слоях атмосферы привлекались механизмы аналогичные используемым для объяснения результатов, получаемых на наземных установках: рассеяние первичного излучения межпланетным магнитным полем и пульсации гемагнитного порога обрезания. Как показали результаты, полученные на наземных приборах, эти причины приводят к появлению КПВ с амплитудой A « 0,1$ и не могут объяснить пульсации с А 10%, наблюдаемые в стратосфере.
Одним из механизмов,объясняющим и дающим численную оценку амплитуды и периода КПВ потоков у -излучения, наблюдаемого в стратосфере, является механизм возникновения модуляции потока у -квантов при прохождении ВІВ в верхних слоях атмосферы. Характерными особенностями КПВ, возникающих при ВГВ являются: период 300 с и большая амплитуда пульсаций у -излучения ( 4 20%) по сравнению с заряженными частицами.
Большое количество авторов связывают появление КПВ частиц низких энергий с пульсирующим высыпанием этих частиц из радиационного пояса Земли. В то же время механизм пульсирующего высыпания частиц высокой энергии не ясен.
Результаты, полученные по КПВ, показывают, что пульсации потоков излучения периодически наблюдаются на всех высотах, причем большой объем данных для различных компонент излучения получен в верхних слоях атмосферы. Вероятно это связано с тем, что малая толщина остаточной атмосферы позволяет регистрировать излучение более низких энергий, которое не может быть первичным и, возможно, является переносчиком КПВ, возникающих в ближнем к Земле космическом пространстве. Наблюдение этих эффектов на наземных установках не представляется возможным из-за поглощения частиц этих энергий в атмосфере. Измерения с помощью космической аппаратуры затруднено из-за малого времени наблюдения в локальной области. Поэтому наряду с изучением КПВ с помощью наземных приборов и аппаратуры, выводимой в космическое пространство, необходимо продолжать исследование вариаций излучения в верхних слоях атмосферы.
Измерение амплитудных и временных характеристик сцинтилляционных детекторов
Разработка ВПС для гамма-телескопа "Наталия-1" началась в 1975 г., годом раньше начались лабораторные исследования ВПС для гамма-телескопа Тамма-I". Гамма-телескоп "Гамма-1" предназначен для исследования первичного у -излучения с энергией больше 50 МэВ на борту космической обсерватории. ВПС гамма-телескопа состоит из двух детекторов с чувствительной областью 40x40 см и пролетной базой 76 см. Толщина сцинтилляторов: верхнего 10 мм, нижнего - 20 мм.
Разработка обеих ВПС проводилась в одной лаборатории, автор данной работы принимал участие также и в разработке и настройке отдельных узлов ВПС "Гамма-Г1 и системы в целом. Взаимное влияние, которое естественно происходило при разработке обеих ВПС привело к тому, что по конструктивной и функциональной схемам эти системы оказались во многом похожи.
Основным отличием систем являются более жесткие требования для ВПС "Наталия-1", связанные с регистрацией у -квантов более низких энергий и необходимостью применения в ВПС более тонких сцинтилляторов. Это уменьшает энерговыделение в сцинтилля-торах и, следовательно, ухудшает временное разрешение детекторов ВПС. Кроме того, малый размер пролетной базы требует более высокого, чем в "Гамма-1", временного разрешения.
Подробный анализ принципов, по которым определялись конструктивная и функциональная схемы ВПС "Гамма-1", проведен в /82/. Эти выводы в основном соответствуют и данной работе. Поэтому в этом параграфе будут кратко приведены основные выводы анализа, вопросы, которые не нашли своего отражения в /82/, будут освещены несколько подробнее.
Достижение необходимых параметров ВПС при малой пролетной базе «30 см возможен только при использовании методов координатной компенсации, и использование других принципов не рассматривается. Применение сдвоенного время-амплитудного преобразователя (4-ВАП), выполняющего функции двух ВАЛ, сумматора и дискриминатора (подробнее в 2.3), привело к возможности осуществления координатной компенсации по методу Шарпака при минимальном количестве электронных узлов.
Основными требованиями к конструкции детекторов являются: обеспечение необходимого временного разрешения ВПС, удобство и простота настройки и контроля параметров системы, а также надежность ВПС. Оценка временного разрешения проводилась исходя из экспериментальных результатов, полученных другими авторами, с помощью пересчета светосбора для различных конструкций детектора, учитывая, что временное разрешение Г и количество фотонов
N , попавших на фотокатод ф.э.у., связаны зависимостью /83/ Г т/7Т . Расчеты проводились при условии применения малогабаритных ФЭУ-85 с диаметром фотокатода равным 25 мм, обоснование применения которых в ВПС проведено в 2.4. Толщина детекторов определяется с одной стороны энергетическим порогом (2 МэВ для обоих детекторов), с другой стороны - наилучшим временным разрешением. На основании этого толщина верхнего детектора не должна превышать 5 мм. Толщина нижнего детектора не влияет на энергетический порог регистрации частиц и была выбрана равной 10 мм, что позволяет с одной стороны улучшить временное разрешение ВПС для частиц более высокой энергии, а с другой - использовать конструкцию, аналогичную верхнему детектору.
Анализ, проведенный по определению конструктивной схемы ВПС, показал также, что наилучшим образом подходит модульная структура построения детекторов, при которой каждый детектор разбивается на несколько модулей, состоящих из сцинтилляцион-ной полосы и двух ф.э.у., что без ухудшения каких-либо параметров ВПС позволяет упростить настройку и проверку работы системы, а также обеспечить контроль работоспособности ВПС во время автономной работы. Число модулей определяется условиями светосбо-ра в верхнем, более тонком детекторе, и оказалось равным 4.
В ряде работ /84,85/ предлагается возможность резервирования ВПС в случае выхода из строя ф.э.у. или одного из четырех электронных каналов. Такие же возможности есть и в случае выбранной структуры ВПС. При разбиении детекторов на модули выход из строя одного из ф.э.у. эквивалентен снижению эффективности регистрации примерно на 25% при сохранении остальных параметров ВПС. При выходе из строя одного из электронных каналов возможно аварийное подключение входа 4-ВАП неисправного канала к работаю го щему каналу этаже детектора. Поскольку гамма-телескоп "Наталия-1" предназначен для автономной работы в течение нескольких десятков часов, и вероятность отказа электронных узлов за это время мала, то было принято решение резервирование для случая отказа электронного канала не проводить.
Для проверки расчетов по созданию ВПС с нужными параметрами был собран макет /86/. Верхний детектор ДВ (рис.2.3) состоит из полос 224x61x5 мм, нижний ДЇЇ - из аналогичных полос толщиной 10 мм. Для всех фотоумножителей ФЭУ-85 использовался делитель, рекомендованный в работе /87/ для временных измерений. Сигналы с ф.э.у. через линии задержки, компенсирующие разброс задержек ф.э.у., поступают на сумматоры С. Импульсы с сумматора подаются на токовый усилитель УС с коэффициентом усиления 25 и далее на формирователь временной отметки с постоянным порогом (ф.п.п.). Усилитель и формирователь аналогичны описанным в работе /88/. Сформированные сигналы поступают на 4-ВАП, который вырабатывает аналоговый импульс, амплитуда которого пропорциональна времени пролета частицы между детекторами, и логический сигнал, соответствующий пролету частицы в прямом направлении.
Настройка и проверка модулей осуществлялась в составе ВПС с использованием бета-источника стронций-90 и дополнительного канала отбора событий, состоящего из ф.э.у. и дифференциального дискриминатора ДЦ (рис.2.4), с помощью которого отбирались события с энерговыделением около I МэВ для верхних полос и около 2 МэВ для нижних. При этом подбирались режимы работы ф.э.у. и ф.п.п. для получения наилучшего временного разрешения. Работа ВПС проверялась на космических мюонах.
Основные физические характеристики ВПС
В ВПС "Наталия-I" по габаритным ограничениям можно использовать только фотоумножители, длина которых не превышает 130 мм. Исследование малогабаритных ф.э.у. для работы в режиме временных измерений, проведенное в /87/, показало, что наилучшими характеристиками обладают ФЭУ-85 и ФЭУ-87 (табл.2.I). В макете ВПС использовались ФЭУ-85 с рекомендованным в /87/ делителем. Поскольку результаты, полученные на макете, были неудовлетворительными, то были проведены дополнительные исследования по выбору типа ф.э.у.
Измерение характеристик ф.э.у. проводилось на установке, блок-схема которой приведена на рис.2.10а. Фотокатод исследуемого ф.э.у. подсвечивался короткими импульсами света от светодиода МІ02Б, включенного в обратном направлении, на который через специально разработанный усилитель (рис.2.106) подавались импульсы от генератора Г5-44. Форма светового импульса подбиралась эквивалентной форме сцинтилляпионной вспышки. Уровень засветки фотокатода с сохранением формы световой вспышки и равномерности засветки площади фотокатода менялся с помощью диафрагмы и поляроидного аттенюатора. На этой же установке проводилась настройка ф.с.п. и подбор индивидуальных делителей для исследуемых ф.э.у.
На рис.2.На представлены зависимости временного разрешения ФЭУ-85 и ФЭУ-87 от количества фотоэлектронов, пришедших на первый динод ф.э.у. Как и ожидалось, временное разрешение лучше у ФЭУ-87, разработанного специально для временных измерений, в то время как ФЭУ-85 - спектрометрический ф.э.у.
Однако зависимости временного разрешения этих ф.э.у. от интенсивности засветки фотокатода (рис.2.Нб) имеют другой характер: при относительно слабых засветках временное разрешение ФЭУ-85 лучше, чем у ФЭУ-87. Для объяснения этого результата были проведены измерения, которые показали, что при одинаковой засветке фотокатода количество фотоэлектронов, пришедших на первый динод ФЭУ-85, в 2-3,5 раза больше, чем у ФЭУ-87. По-видимому, это связано с двумя факторами: во-первых, у ФЭУ-85 фотокатод имеет более высокую чувствительность; во-вторых, коэффициент сбора фотоэлектронов на первый динод, вероятно, также выше у спектрометрического ФЭУ-85.
Поскольку временное разрешение ф.э.у. зависит не только от конструкции, но и от количества фотоэлектронов, то при слабых засветках определяющим является, вероятно, второй фактор, благодаря чему ФЭУ-85 имеет лучшие параметры.
Ожидаемый уровень засветки фотокатодов ф.э.у., соответствующий сцинтилляциям в детекторах ВПС, попадает на область, где ФЭУ-85 имеет лучшие временные характеристики. По другим параметрам, а именно: меньшей длине, более низкому напряжению питания, лучшему амплитудному разрешению, более высокой вибростойкости использование ФЭУ-85 также предпочтительнее, что и определяет выбор это типа ф.э.у. для ВПС гамма-телескопа "Наталия-1".
Дальнейшие исследования проводились с целью обеспечения необходимых параметров ФЭУ-85, а именно: - временное разрешение ф.э.у. при световых вспышках, эквивалентных сцинтилляциям при прохождении частиц через детектор должно быть лучше 0,8 не; - динамический диапазон с сохранением формы анодного импульса ф.э.у. не менее 100; - сохранение временных и динамических характеристик ф.э.у. при изменении напряжения питания на 100-200 В для упрощения настройки и повышения стабильности ВПС; - возможность подключения всех ф.э.у. ВПС к одному источнику питания без индивидуального подбора напряжений. Исследования проводились на установке, описанной ранее (рис.2.10). Подбор напряжений на динодах осуществлялся с помощью высокоомного делителя с изменяемыми тремя первыми и четырьмя последними резисторами. Сопротивления в средних звеньях устанавливались исходя из максимально возможных для ФЭУ-85 (по паспортным данным), равным 820 кОм. Амплитуда световой вспышки подбиралась эквивалентной сцинтилляционнои для ф.э.у. в верхнем детекторе при прохождении о.р.ч. на расстоянии 2 см от фотокатода. Первичные измерения проводились в двух режимах: при постоянном токе через делитель и при постоянном напряжении. Первый режим позволяет более точно определить влияние каждого звена делителя на параметры ф.э.у. Второй режим позволяет осуществлять подбор делителей без изменения напряжения питания ф.э.у., т.е. получать оптимальные параметры при заданном напряжении. Полученные результаты качественно совпадают с данными других работ и показывают, что временное разрешение в основном зависит от напряжения на первых двух динодах, в то время как последние резисторы в основном влияют на амплитуду и форму анодного импульса. Учитывая, что все ф.э.у. ВПС желательно подключать к одному источнику питания, подбор делителей лучше проводить в режиме постоянного напряжения на делителе.
Одним из важных моментов в работе временных детекторов является постоянство формы анодного импульса во всем динамическом диапазоне амплитуд, т.к. при изменении формы, например при насыщении ф.э.у., нарушается работа ф.с.п., что ведет к ухудшению временного разрешения детекторов. Для исследования влияния этого фактора, с целью выбора оптимального делителя, были проведены измерения по определению амплитуды насыщения и зависимости ее от напряжения на динодах.
Сравнение параглетров КЕШ потоков вторичного излучения и пульсаций магнитного поля Земли
Исследуя этот вопрос /102-104/, мы пришли к выводу, что необходимо учитывать процесс затухания света в сцинтилляторе, т.е. координатную зависимость амплитуды светового сигнала. Действительно, рассмотрим работу сцинтилляционного детектора по схеме рис.2.156 в случае, когда сигналы временной отметки создаются ф.п.п. Из-за уменьшения амплитуды импульсов ф.э.у. (рис.2.19) по мере увеличения расстояния от места сцинтилляции до фотокатода, залежка в срабатывании формирователя будет расти не только из-за увеличения пути, проходимого фотонами в сцинтилляторе, но также и из-за сдвига положения порога формирователя на фронте анодного импульса ф.э.у. Измеренная эффективная скорость распространения светового сигнала V будет определяться в таком случае выражением где х - координата вспышки, t0 - "геометрическая" задержка (время распространения света в сцинтилляторе с учетом многократного отражения), д t - изменение задержки срабатывания ф.п.п., обусловленной конечным значением порога. Величина может меняться в пределах значения длительности фронта анодного импульса ф.э.у. и для временных ф.э.у. составлять величину до нескольких наносекунд, что для размеров сцинтиллятора в несколько десятков сантиметров близко к значению величины i0 .
На рис.2.20а представлена зависимость ЭСС от порога ф.п.п., полученная с помощью расчета по формуле (2.4) для реальной формы анодного импульса ФЭУ-85, измеренной с помощью стробоскопического осциллографа С7-8 (рис.2.206). Расчет проведен для затухания амплитуды в сцинтилляционной полосе длиной 20 см в 3, 4 и 5 раз при условии сохранения формы анодного импульса. Величина t0 в этих расчетах принималась равной t0= X/V где V0 = 16 см/нс - геометрическая скорость распространения света. Расчеты показывают возможность изменения ЭСС в широких пределах: в нашем случае от 5 до 9 см/пс.
Измерение ЭСС в сцинтилляционных детекторах проводилось по зависимости задержки срабатывания ф.п.п. от координаты сь -источника. На рис.2.21 представлены указанные зависимости, полученные для трех значений порога ф.п.п.: 1,5 и 10 ма, исходя из которых получены значения ЭСС соответственно 8,5; 7,8 и 6,5 см/нс. Сравнение экспериментальных и расчетных значений ЭСС (рис.2.20а) показывает их хорошее согласие для затухания амплитуда светового сигнала в полосе в 4 раза, что соответствует амплитудному затуханию в полосе толщиной 5 мм (рис.2.16). Аналогичные результаты получены и для полос толщиной 10 и 20 мм, характеризующихся меньшим ослаблением сигнала и более высокой ЭСС.
При замене ф.п.п. на ф.с.п. величина ді в формуле (2.4) приравнивается к нулю. Экспериментальные значения ЭСС с ф.с.п. слабо зависит от параметров полос и ф. э.у. и равны «14-16 см/нс (рис.2.18). Таким образом, при использовании ф.п.п. значение ЭСС определяется: затуханием света в сцинтилляторе, длиной детектора, длительностью фронта анодного импульса, относительным порогом срабатывания ф.п.п.
Предложенный механизм снижения ЭСС объясняет расхождение значений экспериментального и расчетного разрешения ВПС с ф.п.п., что наблюдалось на макете ВПС. В основном это связано с тем, что при проверке модулей по схеме, представленной на рис.2.4, моменты срабатывания ф.п.п. при изменении амплитуды сцинтилля-ционной вспышки скоррелированы друг с друтом. На рис.2.19 изображены анодные импульсы с двух противоположных ф.э.у. детектора при сцинтилляциях различной интенсивности, отмечены пороги и моменты срабатывания обоих ф.п.п. Временные интервалы дТ между моментами срабатывания ф.п.п., определяемые с помощью ВАЛ, в этом случае не зависят от амплитуды сцинтилляций, т.е. на получаемый временной спектр, в случае равенства относительных порогов ф.п.п., флуктуации в энерговыделении не оказывают влияния, а влияет только собственное амплитудное разрешение каждого канала. Таким образом получаются заниженные значения собственного временного разрешения детекторов.
При работе в режиме координатной компенсации, когда определяется центр тяжести между сигналами с ф.п.п. ( Т0 и Т0Г на рис.2.19), этот эффект не работает, т.к. определяется срабатывание ф.п.п. не относительно друг друга, а относительно момента прохождения частицы через детектор. Это и приводит к несоответствию результатов калибровки. Однако такую проверку и калибровку детекторов можно проводить, если используются ф.с.п., в этом случае результаты калибровки детекторов и ВПС в целом согласуются, что будет показано в следукщем параграфе.
Наблюдавшееся на макете ВПС нарушение координатной компенсации на краях полос (до 300 пс), как показали исследования, связаны с амплитудной перегрузкой ф.э.у., что приводит к изменению формы анодных импульсов и к нарушению работы формирователей обоих типов. При этом нарушается линейность зависимости задержки срабатывания формирователя от координаты сцинтилляции, что приводило к нарушению условий координатной компенсации. При использовании делителей ф.э.у., подобранных по выбранной методике ( 2.4), этот эффект не наблюдался. Таким образом, исследования показали, что в ВПС необходимо использовать ф.с.п., что не только улучшает временные параметры, но и упрощает настройку ВПС благодаря стабилизации ЭСС.
В заключении необходимо отметить, что низкое значение ЭСС, отрицательно влияющее на работу системы с координатной компенсацией, в ряде случаев может оказаться полезным для решения противоположной задачи: создания координатночувствительного детектора. В этом случае снижение ЭСС позволяет улучшить координатное разрешение детектора /102,103/. Это связано по-видимому с тем, что координату прохождения частицы через сцинтилляцион-ный детектор можно определять двумя способами: по временным измерениям и амплитудным. При использовании ф.п.п., чувствительного к амплитуде, используются по существу два независимых в первом приближении вида информации: временная и амплитудная, их совмещение и может дать в ряде случаев улучшение координатного разрешения детекторов.
