КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ ЗАВИСИМОСТИ ОТКЛИКА ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ НЕЙТРИННОГО ЧЕРЕНКОВСКОГО ВОДНОГО ТЕЛЕСКОПА

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно, к черенковским водным телескопам, детектирующим нейтрино высоких энергий и может быть использовано для тестирования и оптимизации оптических модулей перед их установкой в черенковские водные телескопы.

Уровень техники

Современные нейтринные обсерватории (телескопы) развертываются в озерах (БНТ-200⁺, GVD), морях (ANTARES, KM3Net) и ледниках Антарктиды (IceCube, IceCube-Gen2), а их эффективные объемы измеряются в кубических километрах. Принцип их действия основан на регистрации черенковского излучения от мюонов или каскадных ливней, образованных при взаимодействии нейтрино с ядрами атомов вещества. Базовым детектирующим элементом нейтринных черенковских телескопов является оптический модуль.

Оптические модули состоят из одного или нескольких фотоэлектронных умножителей с большой площадью фотокатода, помещенных вместе с электроникой внутри герметичной прозрачной бентос-сферы.

Поскольку оптические модули должны регистрировать фотоны с различных направлений, одной из важнейших характеристик оптического модуля является его угловая чувствительность к черенковскому излучению (угловая зависимость отклика).

Известно устройство для исследования характеристик отклика оптических квазисферических модулей черенковского водного детектора НЕВОД (статья В.В. Ашихмина «Исследование характеристик квазисферического измерительного модуля черенковского водного детектора НЕВОД», Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, 2010, Т. 2, 237-244). Устройство позволяет измерять отклик оптического модуля в воздухе на световые вспышки, поступающие с шести фиксированных направлений. Устройство состоит из расположенных в темном светоизолированном помещении подставки, блока обрабатывающей электроники, системы подсветки оптических модулей, включающей контроллер подсветки и шесть цилиндрических светоизолирующих колпаков, в центре внутренней торцевой части которых установлен соединенный с контроллером подсветки светодиод с длиной волны излучаемого света 470 нм. Рядом с затемненной комнатой расположена центральная вычислительная машина, соединенная посредством сети Ethernet с блоком обрабатывающей электроники и с помощью шины I²C с системой подсветки оптического модуля. Оптический модуль устанавливается на подставку и подключается к блоку обрабатывающей электроники. На шесть фотоэлектронных умножителей квазисферического модуля надеваются цилиндрические светоизолирующие колпаки. Центральная вычислительная машина отправляет команды на контроллер подсветки, который управляет светодиодами внутри светоизолирующих колпаков. Сигналы с оптического квазисферического модуля поступают на блок обрабатывающей электроники, который осуществляет оцифровку и передачу данных на центральную вычислительную машину.

К недостаткам данного устройства можно отнести то, что излучаемый светодиодами свет распространяется в воздушной, а не в водной среде, и измерения проводятся только при шести фиксированных положениях источников света. Также к недостаткам относится низкая точность проводимых измерений, так как линейчатый спектр длин волн испускаемых светодиодами фотонов отличается от непрерывного спектра черенковского излучения.

Известно устройство для измерения угловой зависимости отклика оптического модуля или фотоэлектронного умножителя (статья Yuya Makino от коллаборации IceCube-Gen2 «D-Egg: A next-generation optical module for IceCube», EPJ Web of Conferences, 2019, V. 207, 06005). Устройство состоит из расположенных в темном светоизолированном помещении лазера Hamamatsu С10196 с длиной волны 400 нм, крепежного стола с отверстием, под которым располагается двухкоординатный поворотный сканер и блоков электроники, управляющих работой устройства. На сканере закреплено оптическое волокно, транспортирующее цуги испускаемых лазером фотонов. В центре стола устанавливают тестируемый оптический модуль или фотоэлектронный умножитель. Блоки электроники управляют работой лазера и сканера, который меняет положение оптического волокна, позиционируя его по сфере вокруг оптического модуля с шагом в 1 и 5 градусов по зенитному и азимутальному углам, соответственно. Путем измерения откликов оптического модуля или фотоумножителя при различных положениях оптоволокна получают угловую зависимость их отклика.

К недостаткам данного устройства можно отнести то, что излучаемый лазером свет распространяется в воздушной, а не в водной среде, а также низкую точность измерения, так как линейчатый спектр длин волн испускаемых лазером фотонов отличается от непрерывного спектра черенковского излучения.

Наиболее близким к заявленному решению является устройство для измерения угловой зависимости отклика оптического модуля нейтринного телескопа BAIKAL-GVD (диссертация А.А. Шейфлера на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук «Оптический модуль Байкальского глубоководного нейтринного телескопа BAIKAL-GVD (разработка и испытания регистрирующей системы)», ИЯИ РАН, Москва, 2016). Устройство состоит из емкости с водой, которая размещена в светоизолированной комнате. В емкость помещается оптический модуль и светодиод, вспышки которого имитируют черенковское излучение. Для измерения угловой зависимости к оптическому модулю подключен шаговый двигатель, который осуществляет его поворот. Выход оптического модуля соединен с блоком анализа разверток сигналов оптического модуля. Блок анализа разверток сигналов оптического модуля и светодиод соединены с электронной вычислительной машиной устройства шиной передачи данных. С помощью устройства измеряется заряд импульсов фотоэлектронного умножителя, инициированных вспышками светодиода.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как линейчатый спектр длин волн испускаемых светодиодом фотонов отличается от непрерывного спектра черенковского излучения, что приводит к увеличению систематических погрешностей при измерении энергии частиц в нейтринных телескопах.

Раскрытие сущности изобретения Технический результат изобретения заключается в увеличении точности измерения за счет использования черенковского излучения, генерируемого атмосферными мюонами и имеющего спектр, идентичный спектру излучения, регистрируемого в нейтринном черенковском телескопе.

Указанный технический результат достигается за счет того, что комплекс для измерения угловой зависимости отклика оптического модуля нейтринного черенковского водного телескопа, содержащий заполненную водой светоизолированную емкость для размещения тестируемого оптического модуля, имеющего выход для подключения к входу блока анализа разверток сигналов оптического модуля, а блок анализа разверток сигналов оптического модуля соединен с электронной вычислительной машиной шиной передачи данных, включает в себя две (первую и вторую) XY-координатные плоскости, закрепленных на внешних противоположных сторонах емкости с водой в вертикальном положении параллельно друг другу, выходы XY-координатных плоскостей подключены к входу блоку сбора и обработки данных координатных плоскостей, причем каждая из XY-координатных плоскостей содержит по два слоя сборок продольных детектирующих элементов, продольные детектирующие элементы первого слоя XY-координатной плоскости перпендикулярны продольным детектирующим элементам второго слоя XY-координатной плоскости, блок сбора и обработки данных координатных плоскостей и блок анализа разверток сигналов оптического модуля соединены между собой шиной синхронизации, блок сбора и обработки данных координатных плоскостей соединен с упомянутой электронной вычислительной машиной шиной передачи данных.

В частном случае емкость заполнена дистиллированной водой.

В частном случае в качестве продольных детектирующих элементов XY-координатных плоскостей используют газоразрядные счетчики.

В другом частном случае в качестве продольных детектирующих элементов XY-координатных плоскостей используют сцинтилляционные счетчики.

При этом в частном случае в качестве фотоприемника сцинтилляционного счетчика используют многоканальные фотоэлектронные умножители.

В другом частном случае в качестве фотоприемника сцинтилляционного счетчика используют кремневые фотоэлектронные умножители.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показана принципиальная схема комплекса для измерения угловой зависимости отклика оптического модуля нейтринного черенковского водного телескопа. Цифрами на Фиг. 1 обозначены:

1 - светоизолированная емкость с водой;

2 - оптический модуль;

3 - блок анализа разверток сигналов оптического модуля;

4 - первая и вторая XY-координатные плоскости;

5 - продольные детектирующие элементы первой и второй XY-координатных плоскостей;

6 - блок сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей;

7 - электронная вычислительная машина.

Осуществление изобретения

Как показано на Фиг. 1, в соответствии с настоящим изобретением, комплекс содержит светоизолированную емкость с водой 1, внутри которой закреплен тестируемый оптический модуль 2, который соединен с входом блока анализа разверток сигналов оптического модуля 3. Вдоль внешних противоположных стен емкости 1 в вертикальном положении параллельно друг другу закреплены первая и вторая XY-координатные плоскости 4. Каждая из XY-координатных плоскостей 4 составлена из двух слоев продольных детектирующих элементов 5. При этом продольные детектирующие элементы первого слоя должны быть перпендикулярны продольным детектирующим элементам второго слоя. Выходы каждой XY-координатной плоскости 4 соединены с входами блока сбора и обработки данных координатных плоскостей 6. Блок анализа разверток сигналов оптического модуля 3 и блок сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей 6 соединены шиной синхронизации. Выход блока анализа разверток сигналов оптического модуля 3 и выход блока сбора и обработки данных координатных плоскостей 6 соединены с электронной вычислительной машиной 7 шинами передачи данных.

Пример конкретной реализации изобретения. Тестируемый оптический модуль 2 крепится внутри емкости 1, которая в данном случае заполнена дистиллированной водой. Емкость имеет размеры 3×3×3 метров и изготовлена из железобетона. После закрепления оптического модуля емкость светоизолируется для исключения влияния внешних источников света.

К стенкам емкости 1 с помощью анкеров прикреплены XY-координатные плоскости 4. В данном случае Каждый слой XY-координатных плоскостей состоит из 120 продольных детектирующих элементов. В качестве продольных детектирующих элементов используются сцинтилляционные полосы (стрипы) прямоугольного сечения 7×23 мм. В полосы вклеено оптические волокна, по которым световые сигналы поступают на закрепленные в торцевой части стрипов фотоприемники - кремниевые фотоумножители.

Атмосферный мюон пересекает одну из XY-координатных плоскостей 4, проходит емкость с водой 1 и пересекает другую XY-координатную плоскость.

Прохождение мюона через XY-координатные плоскости 4 приводит к ионизации вещества продольных детектирующих элементов, что приводит к сцинтилляционным вспышкам (излучению фотонов видимого спектра), которые с помощью оптоволокна транспортируются на кремниевые фотоумножители, на выходе которых формируется сигнал величиной от 50 до 80 миливольт в зависимости от расстояния между точкой прохождения мюона и кремниевым фотоумножителем. Такие уровни сигналов позволяют регистрировать мюоны с вероятностью более 98%.

Сигналы с кремниевых фотоумножителей первой и второй XY-координатных плоскостей поступают на вход блока сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей 6. Наличие сигнала на выходе продольного детектирующего элемента позволяет определить координату мюона в данном слое. Если во временных воротах шириной 50 нс с XY-координатной плоскости пришли два сигнала от продольных детектирующих элементов, расположенных в разных слоях данной плоскости, то блок сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей определяет точку пересечения частицы с данной плоскостью. Если в пределах временных ворот длительностью 150 нс срабатывают обе XY-координатные плоскости, значит, точка входа и точка выхода мюона из емкости с водой определены, и блок сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей 6 передает синхронизирующий сигнал на блок анализа разверток сигналов оптического модуля 3.

Поскольку скорость движения мюона близка к скорости света в вакууме, при прохождении мюона через воду на каждом сантиметре его трека генерируется около 200 фотонов черенковского излучения с длиной волны от 400 до 700 нм, как известно, в воде эти фотоны испускаются под углом 41° к треку мюона. Фотоны черенковского излучения попадают на оптический модуль 2, в результате чего на выходе модуля формируется электрический сигнал, поступающий на блок анализа разверток сигналов оптического модуля 3. В качестве блока анализа разверток сигналов оптического модуля 3 используется цифровой осциллограф со сканирующим АЦП. Осциллограф имеет частоту дискретизации 2,5 Гвыб/с, что позволяет с хорошей точностью измерять сигналы оптического модуля, время нарастания фронта которых составляет от 3 до 10 нс. Шина синхронизации осциллографа и блока сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей выполнена в виде коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом, подключенного к входу синхронизации осциллографа.

После выработки сигнала синхронизации блок сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей 6 передает данные о точках входа и выхода мюона на электронную вычислительную машину 7. В свою очередь, блок анализа разверток сигналов оптического модуля 3, получив сигнал синхронизации от блока сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей, передает развертку сигнала оптического модуля на электронную вычислительную машину, в качестве которой в данном случа используется персональный компьютер с интерфейсами USB и Ethernet. Блок сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей 6 соединен с электронной вычислительной машиной посредством USB, в то время как блок анализа разверток сигналов оптического модуля 3 подключен к компьютеру по Ethernet.

Электронная вычислительная машина 7 на основе данных о точках входа и выхода мюона восстанавливает его трек с угловой точностью лучше 0.8 градуса. На основе данных о треке мюона, а также координат центра оптического модуля 2 рассчитывается направление движения фотонов черенковского излучения и угол прихода излучения на оптический модуль 2. Также электронная вычислительная машина определяет амплитуду и заряд сигнала оптического модуля, проводя анализ его развертки, полученной от блока 3.

Мюоны попадают в емкость с водой 1 в разных точках и проходят водный объем под различными углами, что обеспечивает различные углы прихода черенковского излучения на оптический модуль 2. Для набора приемлемой статистики измерения велись непрерывно в течение двух месяцев. После чего на основе накопленных данных о направлениях прихода черенковского излучения и соответствующих им откликов оптического модуля события были разбиты на угловые интервалы с шагом в 1 и 5 градусов по зенитному и азимутальному углам, соответственно. После чего для каждого интервала рассчитывался средний заряд и амплитуда. Данные об изменении среднего отклика являются искомой угловой зависимостью отклика оптического модуля.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет проводить измерение угловой зависимости отклика оптического модуля с высокой точностью за счет использования черенковского излучения, генерируемого атмосферными мюонами в воде и имеющего спектр, идентичный спектру излучения, регистрируемого данным модулем в нейтринном черенковском телескопе.