Введение к работе
Актуальность.
Для решения задач, связанных с исследованием частиц высоких энергий, необходимо создаїгае крупномасштабных экспериментальных установок, что обусловлено слабыми потоками таких частиц. С увеличением размеров детекторов становится перспективным, а в некоторых случаях и единственно возможным, использоваїше больших водных объемов (естественных или искусственных) в качестве рабочего вещества детектора. Вода, при своей дешевизне, обладает свойствами однородности и изотропности. Кроме того, она является одновременно мишенью для взаимодействия частиц и радиатором черепковского излучения.
Регистрирующие системы большинства созданных до настоящего времени черепковских водных детекторов (1MB, KAMIOKANDE, SUPERKAM10KANDE) представляют собой совокупность фотоумножителей, расположенных равномерно по внутренней поверхности резервуаров. Реконструкция параметров событий осуществляется по размерам колец, образованных сработавшими фотоумножителями и отражающими проекцию пространственной картины распространения черепковского излучения. Данная методика детально разработана и изучена. Однако для детекторов с периферийной регистрирующей системой существует естественное ограничение на увеличение размеров, связанное с длинной ослабления черепковского излучения в воде. Дальнейшее увеличение размеров рабочего объема установок приводит к необходимости создания регистрирующей системы в виде пространственной решетки, в узлах которой располагаются детектирующие элементы.
Планируемые и pa3Bq)TbmaeMbie в настоящее время крупномасштабные глубоководные черепковские водные детекторы (Байкал, DUMAND, AMANDA, NESTOR) будут иметь регистрирующие системы решетчатого типа. Данные установки ориентированы, в основном, на решение задач, связанных с регистрацией мюонов, генерируемых потоком нейтрино из нижней полусферы. Анализ событий основан на время-пролетной методике. Восстановление параметров событий осуществляегся по времени прихода черепковского излучения. Амплитудная информация используется в качестве дополнительной при анализе зарегистрированных и реконструированных событий. Для
создания многофункциональных водных черенковских 4л детекторов необходимо разработать регистрирующие системы с пространственной решеткой светочувствительных датчиков, имеющих изотропный отклик, и способных на основании амплитудного анализа восстанавливать характеристики событий.
Одной из таких установок является Нейтринный Водный Детектор (НЕВОД), создаваемый в настоящее время в МИФИ. Регистрирующая система установки НЕВОД представляет собой пространственную решетку из квазисферических модулей (КСМ). Особенностью установки НЕВОД является отсутствие время-пролетной методики регистрации событий, что позволяет использовать относительно дешевые ФЭУ. Каждый КСМ состоит из 6-ти ФЭУ с плоскими фотокатодами, ориентированшлми вдоль осей ортогональной системы координат. Особенностями КСМ являются:
практически изотропный отклик на череівковское излучение от релятивистских заряженных частиц в воде;
возможность с помощью только амплитудного анализа откликов сработавших ФЭУ определять направление прихода черенковского излучения.
по отклику сработавших КСМ, расположеїшьіх в узлах пространственной решетки можно определить направлеіше движения частицы. Эти свойства определяют установку НЕВОД как 4л водный черепковский детектор.
Работа выполнялась в рамках Государствешюй научно-технической программы "Физика высоких энергий " (проект V6 НЕВОД) и в соответствии с темами 91-2-607-030, 92-4-607-014 и 94-4-607-153.
Цель работы: Создание регистрирующей системы для водного детектора НЕВОД-91, развитие методов реконструкции событий, регистрируемых объемной решеткой из квазисферических модулей, и исследование пространственной картины отклика черенковского водного детектора на прохождение одиночных шоонов.
Научная новизна.
1. Создан первый в мире водный детектор НЕВОД-91 с объемной решеткой из квазисферических черенковских модулей.
-
Доказана возможность восстановления треков одиночных мюонов регистрирующей системой, состоящей из пространственной решетки квазисферических модулей на малых базовых расстояниях (до 6-ти метров) без использования время-пролетной техники.
-
Экспериментально исследована пространственная картина распространения черепковского излучения от одиночных мюонов в воде.
Практическая значимость.
-
Подходы _и практические решения, примененные при тестировании и калибровке измерительных модулей, могут быть использованы в других водных черепковских детекторах нового поколения, в том числе и в таких крупномасштабных как проекты КМЗ и Оже.
-
Квазисферическая комбинация ФЭУ является оптимальной для создания измерительных модулей крупномасштабных многоцелевых водных детекторов космического излучения и позволяет на основании амплитудного анализа регистрировать различные компоненты космического излучения.
-
Разработанная методика реконструкции треков мюонов позволяет восстанавливать характеристики событий на основании только амплитудного анализа. Это дает возможность использовать для создания больших водных детекторов фотоумножители, не обладающие хорошими временными характеристиками, что ведет к значительному удешевленшо проектов.
-
Подходы, реализованные в алгоритмах моделирования и реконструкции, имеют обший характер и могут быть использованы в других детекторах.
Личный вклад.
1. Разработаны и сконструированы стенды дня комплексного тестирования и калибровки измерительных модулей и элементарных спектрометрических ячеек модуля - ФЭБов (фотоэлектронных блоков), предложена и реализована методика стандартизации их характеристик.
-
Автор участвовал в проведении длительных экспериментов по изучению свойств квазисферических модулей и обработке их результатов.
-
Под руководством и личном участии автора было проведено тестирование и паспортизация более 2000 фотоумножителей типа ФЭУ-49Б и ФЭУ-125, осуществлена комплексная проверка, калибровка и паспортизация 120 измерительных модулей, сборка и тестирование 70 сцинтилляционных счетчиков калибровочной системы установки НЕВОД-91.
-
Разработана процедура и проведено развертьшание регистрирующей системы установки НЕВОД-91.
-
Создана установка для контроля за прозрачностью воды, используемой в НЕВОДЕ-91, изучены оптические свойства воды.
-
Разработаны алгоритмы и созданы программы реконструкции одиночных мюонов для установок с объемной решеткой из квазисферических модулей.
-
Создана программа моделирования процесса регистрации одиночных мюонов в установках с объемной решеткой из квазисферических модулей.
-
Автор участвовал в проведении трех экспериментальных серий на установке НЕВОД-91, в обработке и анализе получешшх результатов.
Автор защищает:
-
Комплексную методику и систему автоматизированных стендов для тестирования, калибровки и унификации характеристик квазисферических модулей.
-
Результаты стандартизащш характеристик 120 КСМ, которые позволили осуществить запуск и сгабилыгую работу первой части установки НЕВОД, состоящей из 91 измерительного модуля (546 спектрометрических каналов). ,
-
Методы и программы моделирования и реконструкщш треков одиночных мюонов, основанные на свойствах квазисферических модулей и амплитудном анализе в on-line режиме.
-
Результаты экспериментального исследования угловой и пространственной точности реконструкщш треков одиночных мюонов.
Структура и объем диссертации.
