4 Исследование характеристик потоков частиц космического

4 Исследование характеристик потоков частиц космического излучения
высоких и сверхвысоких энергий на комплексе установок БПСТ
4.1 Мониторинг потоков частиц космического излучения высоких и
сверхвысоких энергий на комплексе установок БПСТ
Мониторинг потоков частиц космического излучения на установках комплекса
БПСТ может проводиться только при условии функционирования установок в режиме
непрерывного набора информации всем физическим задачам. Поддержание такого
режима работы установок является одной из основных задач лаборатории ПСТ.
На установке БПСТ в 2012 году проводилась ежедневная диагностика информации,
поступающей с установки. Еженедельно проводится текущий ремонт и настройка
детекторов установки (48 ремонтных дней продолжительностью от 4 до 12 часов). За
отчётный период были проверены и откорректированы коэффициенты усиления ФЭУ и
пороги формирователя импульсного сигнала у 91 детектора; заменены и отремонтированы
29 формирователей импульсного сигнала, заменены 184 потенциометра и 105
конденсаторов на делителях ФЭУ. У 128 детекторов был проеден ремонт делителей
(ликвидация обрывов и пропайка контактов). Было сменено 5 ФЭУ из-за падения уровня
выходных сигналов, в 11 детекторах произведена смена оптической смазки между ФЭУ и
иллюминатором бака. Произведена замена двух баков (контейнеров) из-за нарушения
целостности корпуса в результате коррозии. Отремонтировано 136 время-амплитудных
логарифмических
преобразователей.
Проводились
работы
по
поддержанию
работоспособности системы сбора информации установки БПСТ, в том числе ремонт:
блока запуска интервалов, блока запуска абсолютного времени, ремонт кассеты приёма
информации
с
блока
управления
нейтринной
программой,
блока
управления
многоканальной измерительной системы МИС, матрицы годоскопа импульсного канала
ГИК, ремонт кассеты годоскопа амплитудных каналов ГАК. Распаян, настроен и введён в
эксплуатацию блок выработки мастерных сигналов М1 & М2: по результатам обработки
данных проводилась неоднократная подстройка порогов, задержек импульсов и их
длительностей. Блок представляет собой кассету в конструктиве «Вишня» и имеет: 8
псевдоаналоговых входов (по числу основных плоскостей БПСТ); 2 выхода мастерного
сигнала М1 (режим ≥ 1 из 8) в стандарте NIM; 1 выход мастерного сигнала М2 (режим = 1
из 8) в стандарте NIM и 1 выход мастерного сигнала М2 в стандарте TTL. Разработан,
изготовлен и введён в эксплуатацию восьмиканальный широкополосный усилитель с
полосой пропускания 100мГц для цифрового осциллографа установки ПСТ.
50
В 2012 году набор информации на БПСТ проводился в течение 32884 15-и
минутных интервалов, часть из которых являются неполными вследствие блокировок
системы регистрации. Было зарегистрировано 479424996 событий (кадров), при условии
срабатывания хотя бы одного детектора. В силу различных условий отбора событий,
чистое время набора различается для различных физических задач. В качестве примера
мониторинга потоков частиц на рис.1 показан временной ход приведённого к 15 минутам
среднесуточного темпа счёта мюонов на БПСТ в 2012 году.
Рисунок 1 - Поведение среднесуточного темпа счёта мюонов за 2012 год
На установке “Андырчи” продолжается наладка новой системы сбора информации.
Новая система регистрации, созданная на основе интерфейса VME, позволяет набирать
информация по всем решаемым на установке физическим задачам. Блок-схема новой
системы регистрации представлена на рис. 2. Сигналы с RC–преобразователя каждого
детектора поступают по коаксиальному кабелю на входной блок (“Input Unit” на рис. 2), в
котором происходит преобразование уровней входных сигналов. С целью защиты
регистрирующей аппаратуры, входы этого блока отключаются во время гроз по сигналу
от системы молниезащиты. В блоке управления (“Control Unit” на рис. 2), куда, после
входного блока, приходят сигналы с детекторов, происходит выработка ливневого
триггера (используются передние фронты сигналов) по условию: ≥ 4-х сработавших
детектора во временных воротах 3.2 микросекунды. Частота ливневого триггера ~ 9 сек -1.
В блоке управления также предусмотрена возможность выработки управляющих
сигналов, когда сигнал от любого сработавшего детектора установки “Андырчи” совпадёт
51
в пределах 10 микросекунд с сигналом от установки БПСТ или “Ковёр-2”. Триггерный
сигнал поступает на входы управления время-цифрового преобразователя (V1190B CAEN
VME 64-Channel Multihit TDC) и модуля измерения времени ISA CLOCK. Разветвлённые
в блоке управления сигналы с детекторов поступают на измерительные входы времяцифрового преобразователя и модуль дискретного ввода-вывода DIC 110 (Fastwel
UNIO96-5). В используемом нами TDC по триггеру происходит измерение времени
прихода переднего фронта и длительности импульса с детектора. Считанная с TDC
информация о ливневом событии поступает в on-line компьютер № 1. Для связи между
шинами VME и on-line компьютером используется оптический мост VME – PCI
(V2718&A2818). В модуле ISA CLOCK по триггеру происходит фиксация абсолютного
времени прихода ШАЛ точностью 0.1 миллисекунда. Данный модуль который находится
в on-line компьютере, принимает закодированный сигнал времени с часов БПСТ и
декодирует его. Таким образом, синхронизация работы двух независимых установок
обеспечивается использованием для временной привязки одних часов - часов БПСТ, ход
которых контролируется с помощью системы спутниковой привязки точного времени
GPS. Для измерения числа срабатываний каждого из детекторов установки каждую
миллисекунду необходимо считывать до 96 байт данных с модуля DIC 110 каждую
миллисекунду. Большой поток данных требует использование для вариационной задачи
отдельного компьютера (on-line компьютер № 2), в котором для измерения интервалов
времени используется такой же модуль ISA CLOCK. На обоих on-line компьютерах
установки используется операционная система реального времени (linux 2.6.31.12 с RT
PREEMPT надстройкой), что позволяет исключить задержки в считывании и обработке
данных. Созданы и отлажены on-line программы. Написаны программы визуализации и
первичного анализа полученных экспериментальных данных [14].
52
Рисунок 2 - Блок схема системы регистрации установки «Андырчи»
На установке “Ковёр-2” в течение 2012 года проводился постоянный мониторинг
качества набранной информации. По результатам мониторинга проводилась настройка
параметров и ремонт отдельных узлов детекторов. Проведена настройка параметров
логарифмических
и
LC-преобразователей
настройка
порогов
импульсных
преобразователей всех 400 детекторов “Ковра”. Проведена работа по контролю
коэффициентов усиления (КУ) фотоэлектронных умножителей (ФЭУ-49) детекторов
“Ковра”. Среднее значение анодного тока (от радиоактивного источника) детекторов
установки после настройки КУ составляет 466.3±20.1 нА, т.е., σ =4.2%.
Набор информации по задаче регистрации ШАЛ включён с 15.02.2012, полное
время набора по этой задаче за 2012 год – 80% от календарного времени. На рис. 3
приводится временной ход приведённого к 1 часу среднесуточного темпа счёта ливней на
установке за 360 дней 2012 года. По программе регистрации мюонов в МД полное время
набора равно 85% от календарного. По программе регистрации вторичной нейтронной
компоненты на нейтронном мониторе полное время набора информации равно 98% от
календарного. По программе изучения ливней малой мощности (по совпадениям угловых
модулей “Ковра”) полное время набора составляет 90% от календарного времени.
53
Рисунок 3 - Поведение среднесуточного темпа счёта ШАЛ за 2012 год
4.2 Исследование первичных космических лучей в области энергий 1013 –
1018 эВ на комплексе установок БПСТ
Продолжается исследование спектра и состава ПКИ по измеренному на БПСТ
интегральному спектру кратностей групп мюонов. Диапазон по числу пересекающих
БПСТ траекторий от 1 до 170 приблизительно соответствует диапазону первичных
энергий 1 – 10000 ТэВ. Были проведены расчёты спектра кратностей для различных
моделей первичного спектра в пятикомпонентной модели первичного состава (p, He,
CNO, NeMgS, Fe). Получено, что для согласования эксперимента с расчётом спектры
первичных протонов и ядер гелия должны быть нестепенными в области энергий ~ 0.3 –
3000 ТэВ/нуклон. Такие нестепенные спектры можно, в принципе, объяснить вкладом
дополнительной компоненты космических лучей от взрыва относительно близкой
(десятки парсек) сверхновой в недавнем прошлом (десятки тысяч лет) [20].
Исследовалась возможность получения информации о массовом составе первичных
космических лучей (ПКЛ) на основе спектра ШАЛ по полному числу мюонов высокой
энергии (Eµ > 220 ГэВ, Nµ > 114). Для оценок использовалась 3-х компонентная модель
состава (протоны, ядра гелия и более тяжелые ядра) с изломом при фиксированной
энергии на заряд Ek(Z) = Z×3·1015 эВ. Рассматривался степенной спектр с одинаковыми
показателями для всех компонент, как до (γ1 = 2.7), так и после излома (γ2 = 3.1). В
результате анализа были получены данные о массовом составе ПКЛ в области энергий
54
1015 - 1016 эВ: fp = 0.236 ± 0.020; fHe = 0.290 ± 0.020; fH = 0.474 ± 0.030, где fp, fHe, fH – доля
каждой компоненты в первичном потоке. Средний логарифм массового числа <lnA> ≈
1.93 и хорошо "сшивается" с результатами, полученными ниже энергии излома в
экспериментах JACEE, RUNJOB, ATIC. При энергиях выше излома (1015 - 1016 эВ) данный
анализ поддерживает результаты KASCADE
и противоречит результатам CASA-
BLANCA и DICE [2, 3].
4.3 Подготовка проекта модернизации Баксанского подземного
сцинтилляционного телескопа
Разработан фрагмент схемы подачи питания на 16 фотоприемников СПТА-143-30
через цифровые потенциометры AD5204, управляемые посредством микроконтроллера
AT91SAM9260 через последовательный интерфейс SPI.
Исследована
и
подтверждена
возможность
калибровки
пластического
сцинтиллятора детектора SC-16 от светодиода голубого свечения через пластиковое
оптоволокно. Для этого цели были использованы светодиодный проектор и оптические
входы к нему. Каждый оптический вход имеет 16 оптических волокон – по числу тайлов в
детекторе. В настоящее время разрабатывается фрагмент схемы для калибровки
детекторов с помощью микроконтроллера и цифровых потенциометров.
Началось освоение отладочного модуля Cyclone 3 FPGA Starter Kit. Отладочный
модуль включает в себя ПЛИС ЕP3С25А324С6 на 324 вывода, FLASH ПЗУ на 16 МБайт,
ОЗУ SRAM на 1 Мбайт, ОЗУ DRAM на 256 Мбит, встроенную схему USB-Blaster™ и др.
При этом был установлен программный продукт Quartus-2 Web Edition версии 10.1,
различные драйверы и переведены различные инструкции и руководства. К настоящему
времени освоено создание проекта, ввод электрических схем многих элементов и
текстовых схем типа Verilog, компиляция проекта, конфигурирование ПЛИС с помощью
USB-бластера. В частности, вводилась в проект схема фазовой подстройки (PLL), 32битный счётчик, двухпортовый мультиплексор и др.
4.4 Гамма-астрономия высоких, сверхвысоких и ультравысоких энергий
Новая система регистрации установки “Андырчи” позволяет измерять темп счёта
каждого детектора установки каждую миллисекунду. Это даёт возможность проводить
поиск ультракоротких всплесков интенсивности космических лучей при работе установки
в режиме регистрации одиночной компоненты, в том числе проводить поиск всплесков
гамма-излучения с энергией фотонов больше нескольких ГэВ от испаряющихся
первичных чёрных дыр в миллисекундном диапазоне. В настоящее время ведётся набор и
предварительный анализ информации по данной задаче. Следует заметить, что до
55
настоящего времени в большинстве экспериментов измерения темпа счёта проводятся
каждую секунду, за исключением установки ARGO-YBJ, на которой измерения
проводятся с шагом 0.5 секунды.
Продолжаются
работы
по
созданию
проекта
установки
Гамма-Терскол.
Рассматривается вариант установки, состоящей из детекторных модулей, каждый из
которых представляет собой два пластических сцинтилляционных детектора, разделённых
слоем стального поглотителя. Для выработки критериев разделения ливней от первичных
гамма-квантов и протонов проводится анализ смоделированных ливней.
4.5 Создание установки “Ковер-3” для изучения спектра и состава ПКИ в
области первичных энергий 50 ТэВ – 104 ТэВ
Продолжаются работы по созданию установки “Ковер-3”. В 2012 году основные
усилия были направлены на заполнение ещё одного тоннеля мюонного детектора (МД)
сцинтилляционными счётчиками. Проведена подготовительная работа по закупке
оборудования и материалов, в том числе были подготовлены пакеты документов для
проведения торгов на их закупку. Подготовлено техническое задание на проведение
монтажных работ в тоннелях МД.
Разработан
и
изготовлен
опытный
образец
делителя
напряжения
для
фотоумножителя ФЭУ-173. Разработан и изготовлен дискриминатор SKF-1 для временной
привязки к анодным сигналам сцинтилляционных счётчиков Мюонного Детектора (МД).
Разработан и изготовлен логарифмический преобразователь зарядовых импульсов в
числоимпульсный код LCN-1, предназначенный для измерения энерговыделения в
сцинтилляционных счётчиках МД. По результатам испытаний преобразователя «LCN-1»
установлено, что его чувствительность составляет ≤ 1пКл, а динамический диапазон
измеряемых
зарядов
~
2000.
Проведено
оформление
подробной
технической
документации на эти изделия для их серийного изготовления на предприятии ОАО
«Телемеханика». К настоящему времени изготовлено 317 делителей напряжения (из 430),
дискриминаторы и логарифмические преобразователи – в процессе изготовления. Ведется
работа по созданию зарядочувствительного преобразователя, предназначенного для
измерения энерговыделения в нейтронных детекторах установки “Ковер-3”.
Собран
стенд
для
проверки
ФЭУ-173
и
отработана
методика
отбора
фотоэлектронных умножителей. Изготовлен стенд и отработана методика проверки
пластических сцинтилляционных пластин. Проверка и отбор ФЭУ и сцинтилляционных
пластин проводится по мере их поступления в БНО. Проводится сборка и подвеска
56
сцинтилляционных счётчиков в тоннеле МД, уже собрано и подвешено 125 счётчиков (25
рядов по 5 счётчиков).
В центральном тоннеле МД установлены 4 детектора тепловых нейтронов, общей
площадью 2.25 м2. С их помощью проведено изучение нейтронной компоненты вблизи
стволов ШАЛ, оси которых попадали в МД. Были измерены: функция пространственного
распределения тепловых нейтронов вблизи осей ливней; зависимость числа тепловых
нейтронов в мюонном детекторе от числа, прошедших через МД адронов высоких
энергий; спектр кратностей тепловых нейтронов в интервале 1 ÷ 54 вблизи
стволов
адронных каскадов [8, 17, 18].
4.6 Нейтринные эксперименты на БПСТ
Продолжается набор информации по программе регистрации нейтринных
всплесков (в том числе от Сверхновых с коллапсом ядра). Чистое время регистрации по
данной задаче с 01.01.2012 по 31.12.2012 составило 335.26 суток - 91.6% от календарного
времени. Всего было зарегистрировано 628284 события при следующих условиях отбора:
в телескопе сработал только один детектор, который находится на любой из трёх
внутренних плоскостей. "Кандидаты" на кластер сигналов от Сверхновой (> 8 событий
таких событий за 20 секунд) не обнаружены. Чистое время наблюдения с 30 июня 1980
года по 31 декабря 2012 года составило 28.02 года. Верхняя граница на среднюю частоту
гравитационных коллапсов в нашей Галактике равна 0.082 в год на 90% доверительном
уровне.
Продолжена работа по программе регистрации атмосферных нейтрино. На
26.11.2012 живое время регистрации составило 7424.2 часа (93.6% календарного) за год.
За текущий год выделено 53 кандидата на нейтринные события. В течение года
проводился анализ состояния регистрирующих систем БПСТ по задаче регистрации
нейтрино из нижней полусферы, ремонт и коррекция параметров сцинтилляционных
детекторов. Проводятся работы по контролю индивидуальных характеристик детекторов,
влияющих на эффективность регистрации событий, вызванных атмосферными нейтрино.
По экспериментальным данным БПСТ за 25.12 лет чистого времени проведён
поиск сигнала от аннигиляции частиц темной материи в центре Солнца. Из отсутствия
превышения сигнала от Солнца над фоном мюонных нейтрино атмосферного
происхождения, получен новый верхний предел на сечение упругого рассеяния
слабовзаимодействующих частиц тёмной материи на протонах. Лучшее значение предела
(3×10−4 пикобарн для диапазона масс 100÷200 ГэВ) сопоставимо с результатами
экспериментов SuperKamiokande и IceCube [6, 13].
57
Изучалась
проблема
охлаждения
материи,
содержащей
псевдоскалярный
конденсат, которая может возникать в недрах компактных звезд. Указано на
существование каналов рождения лептонных пар (нейтрино-антинейтрино, нейтриноэлектрон) при взаимодействии фотонов с псевдоскалярными частицами. Оценена
излучательная способность компактной звезды в зависимости от температуры. Показано,
что найденные светимости прямо пропорциональны полным ширинам распадов
псевдоскалярных состояний, что может приводить к существенному росту потерь энергии
в зависимости от плотности вещества внутри звезды. Данные исследования могут быть
также полезны для анализа охлаждения сверхновых звезд [5].
4.7 Исследование анизотропии и вариаций космических лучей 10 11 – 1020 эВ
По экспериментальным данным БПСТ за 9 лет набора информации проводилось
изучение взаимосвязей динамических процессов в атмосфере Земли и вариаций
интенсивности
мюонной
компоненты
космических
лучей.
Были
получены
корреляционный и температурный коэффициенты для темпа счета мюонов и температуры
на различных высотах для различных диапазонов зенитных углов (с суммированием по
азимутальному углу). Показано, что минимум корреляционных и температурных
коэффициентов в зависимости от высоты точки атмосферы соответствует тропопаузе, а
максимумы
соответствуют
корреляционного
и
тропосфере
температурного
и
стратосфере.
коэффициентов
Выявлена
стабилизация
(приблизительное
отсутствие
изменения этих величин) в зависимости от числа анализируемых лет, примерно в области
7-9 лет [7, 16].
Предложен метод восстановления среднего температурного профиля атмосферы по
измеренным на БПСТ вариациям потока мюонов высокой энергии. Для реконструкции
профиля используются температурные коэффициенты мюонов высокой энергии, ранее
полученные по экспериментальным данным БПСТ и измерениям температуры атмосферы
в г. Минеральные Воды. Сравнение реконструированной по данным БПСТ средней за год
температуры с результатами измерений показывают, что точность предложенного метода
не хуже 4 °C для рассматриваемого диапазона высот (рис.4) [15].
Измерение анизотропии потока космических лучей в энергетическом диапазоне 10
- 100 ТэВ проведено по экспериментальным данным, полученным на установке «Ковёр» в
течение 2007 - 2011 годов. Полученные амплитуда и фаза анизотропии для трёх
интегральных потоков с энергиями E > 17 ТэВ, E > 62 ТэВ и E > 100 ТэВ
свидетельствуют, в пределах статистической точности измерений, о постоянстве
измеренных характеристик анизотропии в данном диапазоне энергии. Вместе с тем,
58
измеренные характеристики дают повод для предположения о возможном уменьшении
амплитуды анизотропии с ростом энергии [12, 19].
Продолжается изучение вариаций интенсивности вторичных космических лучей во
время гроз. Показано, что наблюдаемые «аномальные» возмущения интенсивности
количественно объясняются возникновением пробоя стратосферы потоком убегающих
частиц в припороговом режиме, приводящего к перемене знака заряда центральной
верхней части грозового облака. Условия для пробоя создаются на любом участке
атмосферы, начиная с уровня 0-ой изотермы, но, чаще в стратосфере. Характерная
интенсивность убегающих электронов генерируемых в стратосфере 107 м-2с-1, чего не
случается в тропосфере [11].
Рисунок 4 - a) Разность между реконструированной и измеренной средними
температурами как функция высоты в атмосфере. b) Реконструированный (сплошная
кривая) и измеренный (пунктирная кривая) средние температурные профили атмосферы
за один год наблюдения.
4.8 Международный эксперимент EMMA
Проведены измерения временных задержек детекторов SC-16. Для этого были
разработаны и изготовлены: миниатюрный оптический зонд-генератор для измерения
временных
задержек
оптических
каналов
детекторов
SC-16
и
миниатюрный
электрический зонд-генератор для измерения временных задержек электронных каналов
59
детектора SC-16. С помощью этих зондов установлено, что разброс задержек электронных
каналов детектора SC-16 не превышает ± 1.5нс, а основные отклонения от средней
задержки до 5 - 7нс в отдельных детекторах связаны с возможными дефектами в
оптических каналах.
Изготовлен и запущен в работу новый вариант триггерного блока для детекторов
SC-16 установки ЕММА. Устранены неисправности старого триггерного блока. Т.о. в
настоящее время имеется два работающих триггерных блока, что позволяет одновременно
проводить наладку детекторов в наземной лаборатории и начать набор информации под
землёй.
Разработан, изготовлен и настроен второй вариант импульсного годоскопа на 1536
каналов. Годоскоп состоит из четырех блоков, размещенных в отдельных корпусах. Кроме
того изготовлен дополнительный резервный блок. Для настройки годоскопа разработан и
изготовлен имитатор взаимодействия годоскопа с входным блоком (регистром) крейта
VME. Подготовлена документация окончательного варианта годоскопов (принципиальные и функциональные схемы, таблица взаиморасположения детекторов и выводимой
информации, описание работы годоскопов для программиста).
60