Лицей 1 протвино: Домен припаркован в Timeweb

Введите и нажмите «Ввод» для поиска

Вселенная | Бесплатный полнотекстовый | μCosmics: недорогой образовательный телескоп космических лучей

1. Введение

Открытие космических лучей почти столетие назад предоставило исследователям-физикам источник субатомных частиц и дало возможность изучать их свойства. За десятилетия до постройки первого ускорителя элементарных частиц космические лучи были основным источником элементарных частиц. Многие элементарные и другие частицы были открыты с помощью космического излучения, такие как позитрон, мюон, пионы и другие. Даже после появления мощных ускорителей частиц космические лучи оставались единственным источником частиц сверхвысоких энергий. В настоящее время космические лучи по-прежнему представляют большой научный интерес и используются для понимания Вселенной и различных бурных астрофизических явлений, таких как активные ядра галактик, сверхновые звезды, квазары и гамма-всплески.

Заряженные космические лучи состоят в основном из протонов, гелия и более тяжелых ядер. Их отождествляют либо непосредственно с космическими или высотными экспериментами, либо косвенно с наземными детекторами, обнаруживая вторичные компоненты их взаимодействия с ядрами атмосферы. Когда первичная частица космического луча входит в атмосферу Земли, она сталкивается с ядром, и продукты взаимодействия производят новые частицы во вторичных взаимодействиях и так далее. В результате образуется ливень частиц. Этот обширный воздушный ливень (EAS) идентифицируется с использованием различных методов обнаружения.

Большинство заряженных частиц ШАЛ движутся в атмосфере со скоростью, превышающей скорость света в атмосфере. Это приводит к излучению черенковского излучения, которое фокусируется оптическими отражателями и регистрируется пиксельными камерами. Другой аналогичный метод обнаружения ШАЛ основан на свечении флуоресценции азота, вызванном возбуждением азота в атмосфере ливнем частиц, движущихся в атмосфере. Относительно новым методом обнаружения ШАЛ является электромагнитное излучение на радиочастотах за счет отклонения заряженных частиц ливня геомагнитным полем [1]. Наиболее простым и распространенным методом является прямое обнаружение частиц ливня, достигающих земли, с помощью разреженных массивов сцинтилляционных счетчиков.

В этом отчете описывается проектирование и строительство недорогого телескопа космических лучей, состоящего из трех сцинтилляционных счетчиков малой площади. Телескоп очень портативный, его общий вес составляет 20 кг, а общая стоимость компонентов составляет около 2800 евро. Помимо сцинтилляционных счетчиков, в нем также используется USB-осциллограф на базе ПК с высокой частотой дискретизации и USB-цифро-аналоговый (ЦАП) модуль для управления источником питания оптического датчика счетчика.

Этот малогабаритный детектор ШАЛ, далее именуемый µCosmics, разработан с использованием опыта, полученного при разработке телескопа HELYCON [2,3,4]. Он представляет собой угловое разрешение при восстановлении направления ШАЛ 4–9градусов, пространственное разрешение 15–30 м и эффективная площадь регистрации более 1 м ² , реальные цифры зависят от расстояния между сцинтилляционными счетчиками и энергии ливня. Кроме того, при размещении сцинтилляционных счетчиков друг над другом этот телескоп ШАЛ можно использовать как годоскоп и измерять зенитную зависимость потока атмосферных мюонов.

μCosmics не использует высокое напряжение и не содержит токсичных материалов, поэтому его можно безопасно использовать в классах средних школ или университетских лабораториях. В следующих разделах мы описываем процедуру проектирования сцинтилляционных счетчиков µCosmics (далее называемых детекторными блоками), используемые компоненты, конструкцию, калибровку и оценку рабочих характеристик.

2. Конструкция детектора μCosmics

При разработке детектора μCosmics преследовались такие цели, как низкая стоимость, высокая портативность и надежность, безопасность конструкции и эксплуатации и, наконец, простота использования. Имея в виду эти цели, мы решили использовать пластиковые сцинтилляционные плитки, которые недороги и не содержат токсичных веществ. Сцинтилляционный материал – СЦ-301 производства ИФВЭ (Протвино). Плитки имеют канавки, вдоль которых встроены оптические волокна со сдвигом длины волны (WLS). Волокна собирают сцинтилляционный свет (спектр его излучения имеет максимум при 430 нм), испускаемый плитками при пересечении их заряженной частицей. Волокна соединены с оптическим датчиком, который преобразует сцинтилляционный свет в электрический импульс. Чтобы избежать высоких напряжений, в качестве оптического датчика был выбран кремниевый фотоумножитель (SiPM). Этот тип оптического датчика может работать при низком напряжении менее 40 В.

На рисунке 1 представлена ​​схема оригинальной конструкции. Корпус компонентов блока детектирования представляет собой коробку с внутренними размерами 40×65×4 см. Слева на схеме показаны три ряда сцинтилляционных плиток. Каждый ряд состоит из двух слоев по четыре сцинтилляционных плитки в каждом слое. Через каждый ряд проходят двенадцать волокон WLS, которые вставлены в канавки между двумя слоями плитки. Каждая плитка имеет размеры 10 × 12 см, в результате чего эффективная сцинтилляционная площадь детекторного блока составляет 0,144 м 9 .0097 2 . Справа на схеме также показаны соединенный с оптоволокном SiPM, модуль питания и сигнальные и управляющие разъемы. №

Сцинтилляционная плитка укладывается на деревянную опорную конструкцию из МДФ толщиной 13 мм, очень прочную и простую в обработке. Эта конструкция MDF также используется в качестве опоры для остальных активных компонентов детекторных блоков. Несущая конструкция помещена в короб из вспененного ПВХ толщиной 15 мм сверху и снизу и 10 мм по бокам. Вспененный ПВХ был выбран потому, что он легкий и достаточно жесткий, чтобы выдерживать боковые нагрузки и не изгибаться при обращении с блоком детектора. На рис. 2 слева показана опорная конструкция MDF внутри коробки из ПВХ до размещения сцинтилляционных плиток, волокон WLS и остальных активных компонентов. Белый вспененный ПВХ был выбран из эстетических соображений, хотя позже выяснилось, что при сильном освещении свет может просачиваться внутрь коробки, пересекая толщину материала 15 мм. Чтобы сделать коробку светонепроницаемой, внутренние поверхности коробки из ПВХ были покрыты черным клейким листом (показан на рис. 2 справа). Крышка коробки полностью съемная и имеет четыре длинных шпунта для крепления к нижней части коробки, как показано на рис. 2 справа.

3. Активные компоненты детекторного блока μCosmics и конструкция

Активные компоненты детекторного блока включают сцинтилляционные плитки, волокна WLS, SiPM и его источник питания.

Сцинтилляционные плитки изготовлены из формованного сцинтилляционного материала (SC-301). Каждая плитка размером 10 × 12 × 0,5 см с канавками для волокон WLS (см. рис. 3а). Сцинтилляционный материал излучает 8250 оптических фотонов на МэВ выделенной энергии (55% светоотдачи антрацена), основное время затухания составляет 2,4 нс, а максимальное излучение приходится на длину волны оптических фотонов 430 нм. Сцинтилляционные плитки помещаются на деревянную опорную раму, описанную в разделе 2, волокна WLS вставляются в пазы, а весь комбинезон заключен в отражающую бумагу Tyvek для повышения светоотдачи (см. рис. 3c). Оптические волокна WLS — Bicron BCF-9.1А с длиной поглощения 3,5 м, они сопрягаются с Si-ФЭУ с помощью 3D-печатной конструкции, описанной ниже, а с противоположной стороны они аккуратно вырезаны и окрашены светоотражающей краской (см. рис. 3b).

Оптические волокна должны быть постоянно согнуты, как показано на рис. 1, рис. 3а и рис. 4а. Используемый тип волокон не показывает значительных потерь при радиусе изгиба более 5 см [5]. Это было учтено при проектировании детекторного блока, и минимальный радиус изгиба внешних волокон составляет 7 см.

В качестве фотодатчика используется кремниевый фотоумножитель KETEK PM6650-EB с размерами сенсора 6 × 6 мм. SiPM показан на рисунке 5a. Он прикреплен к небольшой печатной плате на металлическом каркасе, также предоставленном KETEK (SiPM-датчик снабжен штырями, которые можно прикрепить к печатной плате двумя способами в зависимости от знака требуемых выходных импульсов. В первом варианте выходные импульсы положительные, и необходимо положительное напряжение питания, в то время как во втором варианте выходные импульсы отрицательные также при использовании отрицательного напряжения питания.Для μCosmics был выбран второй вариант, так как блоки детектора изначально были разработаны для работы с существующей электроникой которые требуют отрицательных импульсов на входе.). Сенсор SiPM состоит из 14 272 микроячеек размером 50 мкм. Этот SiPM имеет максимальную квантовую эффективность 38% при длине волны оптических фотонов 430 нм. Он имеет напряжение пробоя 27 В и работает при напряжении 30–32 В. Этот Si-ФЭУ был выбран из-за его низкой стоимости и большой площади сенсора, достаточной для соединения с 36 WLS-волокнами диаметром 1 мм.

Для соединения волокон WLS с SiPM мы избегали использования клея между SiPM и концом волокна. Вместо этого структура интерфейса была разработана из двух частей, которые подходили друг к другу. Нижняя часть, показанная на рисунке 5b, используется для удержания датчика SiPM на месте и прикреплена к металлическому каркасу SiPM (см. рисунок 5c). Верхняя часть, показанная на рисунке 5d, содержит волокна WLS. Волокна вклеиваются в квадратное отверстие верхней части, а затем полируются. При соединении двух частей полированный конец волокна находится в идеальном контакте с датчиком SiPM без риска смещения. Конструкция двух частей была выполнена с помощью 3D-печати с использованием материала высокой плотности ABS.

Источником питания SiPM является модуль HMA-0.2N2.5-5 от hivolt.de, который выдает напряжение от 0 до −200 В постоянного тока и размещается на несущей конструкции MDF в блоке детектора. Выходное напряжение регулируется линейно от 0 до -200 В постоянного тока посредством управляющего входного напряжения от 0 до +2,5 В. Для безопасной работы Si-ФЭУ требуется питающее напряжение с абсолютными значениями менее 40 В. Для защиты Si-ФЭУ от случайно приложенных более высоких напряжений параллельно выходу модуля питания был добавлен стабилитрон на 40 В. Управляющее напряжение подается через USB-ЦАП (модуль аналогового вывода) LucidControl AO4–5 (с небольшими изменениями конструкции есть возможность не использовать управляемый компьютером модуль USB-ЦАП и упомянутый модуль источника питания, а вместо этого использовать простой и очень дешевый понижающий стабилизатор напряжения с источником питания постоянного тока 36 В. Эта опция снижает общую стоимость компонентов телескопа μCosmics на 350 евро). Этот модуль имеет четыре независимых аналоговых выхода от 0 до +5 В и, таким образом, может управлять четырьмя детекторными блоками. Поскольку входное управляющее напряжение модуля питания должно находиться в диапазоне от 0 до +2,5 В и не имеет внутренней защиты в модуле, параллельно управляющему входу модуля питания был добавлен стабилитрон на 2,5 В. Требуемое питание и управляющее напряжение подаются на блок детектора через разъем UTP, а выходные импульсы SiPM считываются через разъем BNC, оба прикреплены к корпусу из ПВХ.

Выбор блока питания и модулей ЦАП основывался на низкой стоимости и требуемой точности рабочего напряжения Si-ФЭУ. Измеренная точность напряжения питания составляет 0,1 В для выходных сигналов в диапазоне от 25 до 35 В. С другой стороны, чувствительность коэффициента усиления Si-ФЭУ G к изменениям его рабочего напряжения составляет ΔG/(GΔV)= 0,5 В-1 (это можно сделать из рисунка 6 ниже). Это приводит к точности усиления 5%, что достаточно для предполагаемого использования детектора μCosmics.

На рис. 4а блок детектора со всеми установленными компонентами показан перед закрытием крышкой. Крышка прочно прикреплена к коробке десятью винтами со сквозными отверстиями, гайками и уплотнительными кольцами, как показано на рис. 4b. Между краем коробки и крышкой для светоизоляции используется резиновая прокладка (на фото не показана). Светостойкость готового детектора проверяется путем сравнения тока, потребляемого Si-ФЭУ в темноте и после освещения сильным источником света.

4. Калибровка телескопа μCosmics

Процедура калибровки детектора μCosmics состоит из следующих шагов [6]: ) проходит через детектор (Минимальная ионизирующая частица — это релятивистская заряженная частица со скоростью потери энергии из-за ионизации среды, близкой к минимальной. Большинство атмосферных мюонов — это МИП, поэтому при калибровке детектора для нахождения его эквивалентного МИП-отклика мы используют атмосферные мюоны, что является обычной практикой в ​​экспериментах с космическими лучами). Эта оценка должна быть выполнена для каждого блока детектора и для различных напряжений питания Si-ФЭУ. Экспериментальной установкой для этой оценки является размещение трех блоков детекторов μCosmics друг над другом. Верхний и нижний используются в качестве годоскопа (годоскоп представляет собой комбинацию как минимум двух детекторов частиц, когда оба имеют сигнал в узком временном окне, мы знаем, что частица прошла через них.), а когда годоскоп срабатывает средний детектор считывается. На рисунке 6 показано среднее значение высоты импульса и распределения заряда в зависимости от напряжения питания Si-ФЭУ для одного из детекторных блоков µCosmics. Причина такой калибровки двояка:

• Во избежание смещения при сборе данных и анализе событий все детекторы должны иметь одинаковые импульсные характеристики MIP. Для каждого блока напряжение питания должно регулироваться отдельно, чтобы все блоки имели одинаковое среднее значение распределения высоты импульса MIP. Для блоков детекторов µCosmics было выбрано среднее значение 20 мВ.

• В экспериментах с детекторами EAS принято выражать энергию, выделенную на блоках детекторов во время ливня, с помощью количества MIPS, которые давали бы такую ​​же выделенную энергию. Для этого мы должны быть в состоянии выразить заряд сигнала SiPM в единицах заряда ответного импульса на MIP.

5. Реконструкция и результаты ШАЛ

Для оценки работы телескопа μCosmics три блока детекторов были размещены в лаборатории по углам равностороннего треугольника со стороной 6,4 м. Мы использовали осциллограф Hantek 6254BD для сбора данных, запускаемых по сигналу от одного блока детекторов при 20 мВ (1 MIP) (этот осциллограф не предлагает логику запуска большинства). Большинство событий, которые были собраны, были одиночными мюонами, прошедшими через блок детектора, используемый для запуска. События, когда все три блока детекторов имели сигнал не менее 1 MIP, были реконструированы в предположении плосковолнового приближения фронта ливня и с использованием простого метода триангуляции. Перед реконструкцией были внесены соответствующие поправки к синхронизации сигнала блока детектирования, описанные в разделе 4, шаг 2.

Результаты реконструкции показаны на рис. 8. Левый график представляет собой плоскую проекцию восстановленных направлений, а правый график показывает распределение зенитных углов. Это распределение аппроксимируется функцией вида dNdcosθ∼cosaθ, где a=9,3±0,5. Найденный индекс из подгонки согласуется с индексом, полученным при регистрации ШАЛ с помощью массива воздушных ливней HELYCON или аналогичных детекторов [7,8].

6. Обсуждение

Телескоп космических лучей μCosmics, описанный выше, отвечает всем требованиям для использования в качестве учебного прибора, который можно использовать в классах средних школ или университетских лабораториях. Он недорогой, портативный, надежный, не использует опасные высокие напряжения и не содержит токсичных материалов. Кроме того, его простота позволяет старшеклассникам активно участвовать в его построении, калибровке и эксплуатации. Он был разработан с использованием опыта, полученного при разработке телескопа с воздушным душем HELYCON. Были установлены процедуры калибровки и тесты производительности, а также разработаны программные пакеты для моделирования, обработки сигналов, реконструкции событий, мониторинга и трехмерного представления событий. μCosmics также можно использовать в качестве портативного годоскопа для калибровки других детекторов воздушных ливней или для измерений с помощью мюонной томографии. В ближайшем будущем он будет дополнен радиочастотной антенной, которая улавливает РЧ-сигнал, излучаемый воздушными ливнями очень высокой энергии. Антенна будет спроектирована с учетом низкой стоимости и портативности, и она будет запускаться блоками детекторов.

Вклад авторов

Концептуализация, A.G.T. и А.Л.; Курирование данных, A.G.T.; Формальный анализ, A.G.T.; Приобретение финансирования, AL; Расследование, АГТ; Методология, А.Г.Т.; Администрация проекта, А.Л.; Программное обеспечение, A.G.T.; Валидация, A.G.T.; Написание – первоначальный вариант, A.G.T.; Написание – рецензирование и редактирование, A.G.T. и A.L.

Финансирование

Это исследование финансировалось за счет гранта Греческого открытого университета № ΦK 228: «Разработка технологических приложений и экспериментальных методов в физике частиц и астрофизики частиц».

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Мантос, И.; Гкиалас, И.; Бурлис, Г.; Лейсос, А .; Папайконому, А.; Цириготис, А.Г.; Цамариас, С.Э. Обнаружение космических лучей РЧ с помощью массива ASTRONEU. arxiv, 2017; архив: 1702.05794. [Google Scholar]
2. Цириготис, А. Г. HELYCON: отчет о состоянии. В материалах 20-го Европейского симпозиума по космическим лучам, Лиссабон, Португалия, 5–8 сентября 2006 г. [Google Scholar]
3. Лейсос, А.; Авгитас, Т .; Бурлис, Г.; Фаноракис, Г.К.; Гкиалас, И.; Мантос, И.; Стамелакис, А .; Цириготис, А.Г.; Цамариас, С.Э. Телескоп космических лучей Греческого открытого университета: исследовательская и образовательная деятельность. Веб-конференция EPJ. 2018 . [Google Scholar] [CrossRef]
4. Лейсос, А.; Цириготис, А .; Бурлис, Г.; Петропулос, М.; Ксирос, Л.; Мантос, И.; Цамариас, С. Сеть космических обсерваторий HEllenic LYceum: отчет о состоянии и информационно-просветительская деятельность. Вселенная 2019 , 5, 4. [Google Scholar] [CrossRef]
5. Gomes, A.; Дэвид, М .; Энрикес, А .; Майо, А. Сравнительное исследование волокон WLS для плиточного калориметра ATLAS. Нукл. физ. В 1998 , 61, 106–111. [Google Scholar] [CrossRef]
6. Авгитас Т.; Бурлис, Г.; Фаноракис, Г.К.; Гкиалас, И.; Лейсос, А .; Мантос, И.; Цириготис, А .; Цамариас, С.Э. Процедуры развертывания и калибровки для точной временной и направленной реконструкции фронтов частиц ШАЛ со станциями Helycon. arxiv, 2017; архив: 1702.04902. [Google Scholar]
7. Авгитас Т.; Бурлис, Г.; Фаноракис, Г.К.; Гкиалас, И.; Лейсос, А .; Мантос, И.; Стамелакис, А .; Цириготис, А .; Цамариас, С.Э. Эксплуатация и работа пилотного телескопа космических лучей HELYCON с 3 станциями. arxiv, 2018; архив: 1801.04768. [Google Scholar]
8. “> Эло, А. М.; Арвела, Х. Распределение атмосферных ливней по направлениям, наблюдаемое с помощью группы ливневых ливней Турку. В материалах 27-й Международной конференции по космическим лучам, Гамбург, Германия, 7–15 августа 2001 г. [Google Scholar]

Рисунок 1. Схема конструкции, на основе которой была построена конструкция. Сцинтилляционные плитки показаны слева синим цветом, а оптические волокна — черными линиями. Компоненты справа — это SiPM с закрывающим его корпусом, концевой заделкой волокон, модулем питания и кабелями.

Рисунок 1. Схема конструкции, на основе которой была построена конструкция. Сцинтилляционные плитки показаны слева синим цветом, а оптические волокна — черными линиями. Компоненты справа — это SiPM с закрывающим его корпусом, концевой заделкой волокон, модулем питания и кабелями.

Рисунок 2. На фото слева показана коробка из ПВХ с несущей конструкцией из МДФ внутри. Показанные длинные тонкие планки наклеены на древесину МДФ, а между ними вставлены сцинтилляционные плитки. На справа крышка показана с черным клейким листом внутри для светонепроницаемости.

Рисунок 2. На фото слева показана коробка из ПВХ с несущей конструкцией из МДФ внутри. Показанные длинные тонкие планки наклеены на древесину МДФ, а между ними вставлены сцинтилляционные плитки. справа крышка показана с черным клейким листом внутри для светонепроницаемости.

Рисунок 3. ( a ): Крупный план волокон WLS, размещенных вдоль канавок сцинтилляционной плитки. ( b ): На свободный конец волокон WLS наносится светоотражающая краска. ( c ): Сцинтилляционные плитки с волокнами WLS завернуты в отражающую бумагу Tyvek.

Рисунок 3. ( a ): Крупный план волокон WLS, размещенных вдоль канавок сцинтилляционной плитки. ( b ): На свободный конец волокон WLS наносится светоотражающая краска. ( c ): Сцинтилляционные плитки с волокнами WLS завернуты в отражающую бумагу Tyvek.

Рисунок 4. ( a ): Готовый детектор перед закрытием крышки. Внизу посередине показана структура поддержки волокон SiPM и WLS. Внизу слева показан модуль питания. Также показаны разъемы UTP (слева) и BNC (справа). ( b ): Готовый детектор после закрытия крышки. Крышка прочно крепится к коробке десятью винтами со сквозными отверстиями.

Рисунок 4. ( a ): Готовый детектор перед закрытием крышки. Внизу посередине показана структура поддержки волокон SiPM и WLS. Внизу слева показан модуль питания. Также показаны разъемы UTP (слева) и BNC (справа). ( b ): Готовый детектор после закрытия крышки. Крышка прочно крепится к коробке десятью винтами со сквозными отверстиями.

Рисунок 5. ( a ): SiPM KETEK PM6650-EB прикреплен к небольшой печатной плате на металлическом каркасе. ( b ): нижняя часть напечатанной на 3D-принтере конструкции. Эта деталь привинчивается к металлическому каркасу печатной платы в указанном направлении. ( c ): Задняя часть металлического каркаса SiPM, которая была установлена ​​на нижней части напечатанной на 3D-принтере конструкции. ( d ): верхняя часть напечатанной на 3D-принтере конструкции, которая удерживает волокна WLS. Верхняя часть накручивается на нижнюю.

Рисунок 5. ( a ): SiPM KETEK PM6650-EB прикреплен к небольшой печатной плате на металлическом каркасе. ( b ): нижняя часть напечатанной на 3D-принтере конструкции. Эта деталь привинчивается к металлическому каркасу печатной платы в указанном направлении. ( c ): Задняя часть металлического каркаса SiPM, которая была установлена ​​на нижней части напечатанной на 3D-принтере конструкции. ( d ): верхняя часть напечатанной на 3D-принтере конструкции, которая удерживает волокна WLS. Верхняя часть накручивается на нижнюю.

Рисунок 6. Среднее значение высоты импульса ( слева ) и заряда ( справа ).) распределения в зависимости от напряжения питания КФЭУ. Среднее значение оценивается как среднее значение функции распределения вероятностей Ландау (PDF), которое лучше соответствует полученному экспериментальному распределению. PDF Ландау описывает потерю энергии релятивистскими заряженными частицами за счет ионизации среды (материала сцинтиллятора).

Рисунок 6. Среднее значение распределения высоты импульса ( слева ) и заряда ( справа ) в зависимости от напряжения питания SiPM. Среднее значение оценивается как среднее значение функции распределения вероятностей Ландау (PDF), которое лучше соответствует полученному экспериментальному распределению. PDF Ландау описывает потерю энергии релятивистскими заряженными частицами за счет ионизации среды (материала сцинтиллятора).

Рисунок 7. ( Left ): Систематический временной сдвиг (поворот) в зависимости от импульсного ToT. Линия соответствует экспериментальным точкам с экспоненциальной функцией. ( Right ): Разрешение времени прихода импульса в зависимости от ToT импульса.