Popis zařízení

Distribuovaný systém registrace atmosférických spršek RUSALKA


Jak bylo už řečeno v úvodu - základním elementem distribuovaného systému je bázová stanice. Blok schema bázové stanice je ukázáno na obr.1.



Stanici tvoří:

  1. dva scintilační detektory
  2. přijímač GPS
  3. elektroniky a napájecích zdrojů, které obsahují:
    • blok Qnet na zpracování a digitalizaci signálů scintilačních detektorů a synchronizace této
    • informace s údaji o čase z přijímače GPS;
    • napájecího zdroje pro fotonásobiče scintilačních detektorů;
    • zdroje nízkého napětí pro napájení obvodů Qnet a přijímače GPS;
    • jednodeskového minipočítače.

Scintilační detektor


Úlohou scintilačního detektoru je vytvořit elektrický signál v moment průchodu skrz detektor libovolné ionizující částice (v první řadě to jsou částice s elektrickým nábojem). Díky relativní jednoduchosti konstrukce a vysoké spolehlivosti jsou scintilační detektory již dávno a široce používány fyziky k registraci částic.

Je dokonce možné tvrdit, že neexistuje takové zařízení pro výzkum fyziky částic nebo jaderné fyzice, kde by se nepoužívaly scintilační detektory. V tomto konkrétním případě scintilační detektor generuje signál pokaždé, když detektorem prochází ionizující částice z široké atmosférické spršky (ŠAS) která je způsobena interakcí kosmické částice s atmosférou Země. Označení ionizující částice se používá proto, abychom zdůraznili, že ŠAS obsahuje vedle intenzivně ionizujících částic také neutrální částice, které ionizují materiál detektoru pomocí druhotných interakcí, což způsobuje ne 100% pravděpodobnost registrace.

Podrobněji si o ionizaci hmoty částicemi můžete přečíst zpočátku na této webové stránce (Jak detektory částic registrují částice?) a poté, například, ve Wikipedii. Proces generace elektrického signálu ve scintilačním detektoru probíhá nadvakrát. Zpočátku ve scintilátoru vyvolá energie ztracená částicí při průchodu materiálem záblesk světla. Posléze je toto světlo přeneseno na fotokatodu fotonásobiče (PM), který změní světelný signál na elektrický .


Konstrukce scintilačního detektoru


Rozměr citlivého povrchu detektoru (60х80) cm2 tvoří dvě k sobě čely přiložené desky scintilátoru vyrobeného z polystyrénu o tloušťce 2 cm a rozměru (30x80) cm2 .

Světlo je odvedeno pomocí optických vláken s příměsí látek, způsobujících posun původních vlnových délek světla do vlnových délek, které se přenášejí po optickém vláknu bez větších ztrát (WLS fibers).

Průměr optických vláken je 1 mm, jsou vlepeny do žlábků (šířka 1,2 mm, hloubka 1,5 mm, délka 800 mm) vyfrézovaných do plochy scintilátoru podél jejich delší strany (viď.foto). Optická vlákna se vyznačují tím, že světlo, které vstoupí do vlákna pod úhlem odpovídajícím charakteristice daného vlákna, se šíří ve vlákně s velmi malými ztrátami, což dovoluje použít vlákno pro přenos optického signálu na velké vzdálenosti. Krok mezi žlábky po šířce plochy (600mm) je 30mm a tedy počet žlábků v detektoru je roven 20. Kvůli dobrému spojení vláken s fotonásobičem byla vlákna vycházející z plochy detektoru spojena do cylindrického svazku a vlepena do speciální objímky, čelo které bylo posléze vyfrézováno a vyleštěno. Délka jednotlivých vláken bude pak 1 až 1,3 m v závislosti od polohy vlákna na ploše. Kvůli efektivnějšímu záchytu světla, čela vláken z opačné k fotonásobiči strany byla pokryta hliníkovou fólií stejně jako všechny hrany scintilačních desek.

V detektoru je použit fotonásobič ФЭУ-85 s průměrem fotokatody 25 mm. Celý uzel je umístěn v kovovém světlo nepropouštějícím kontejneru (rozměry 1300х700х50 mm) v čele kterého se nacházejí vysokonapěťový a signální konektory. Byly použity vlákna Y11(200ppm) firmy “Kuraray” a BSF-91A firmy “Bicron”. Sběr světla při použití WLS vláken dovolil udělat zařízení pohodlnějším pro výrobu a kompaktnějším (nebylo zapotřebí použít neskladné světlovody). Podstatně také zlepšil stejnorodost sběru světla z různých částí scintilátoru. Celý detektor i s rozměry je možné uvidět na následující fotografii.


Přijímač systému GPS


Použití přijímačů systému GPS má pro daný projekt klíčový význam. Podrobný popis tohoto systému můžete najít zde, ale základní myšlenka je zhruba tato. Okolo Země létá systém 24 družic. Každá z družic vysílá radiové signály, které obsahují informaci o její poloze na oběžné dráze a jednotný pro všechny družice signál absolutního času (viď obr.2)

Přijímač radio signálů na Zemi, obsahující programy pro zpracování informace z družic, na základě údajů z několika družic (nejméně tří, ale čím více tím přesnější bude zpracování) může s vysokou přesností určit polohu přijímače a, co je zvlášť důležité pro náš projekt, přijmout s velkou přesností (okolo 50 ns) údaj o absolutním (jediném pro celou Zemi) čase. To znamená, že zaznamenaná v konkrétní pracovní stanici událost (ve škole nebo vysoké škole) obsahuje absolutní časový údaj a může být na základě tohoto parametru (požadavek registrace částic jediné spršky) analyzován společně se všemi ostatními údaji v celém systému. Což znamená, že můžeme ustanovit fakt současného zaregistrování signálu např. v Dubně, Praze, Bukurešti a Varšavě!

Anténa přijímače GPS – důležitý prvek – mnohdy určující spolehlivost a tím i přesnost získávaných údajů. Pro náš projekt byla vybrána lodní anténa (viď foto 3).

Nejdůležitějším a nejsložitějším prvkem pracovní stanice je blok elektroniky, který zpracovává jak informaci od scintilátorů tak i z přijímače GPS. Konkrétní blok (QNet DAQ) byl navržen a vyroben ve Fermiho laboratoři v USA speciálně pro stejný „školní“ projekt a získán pro popisovaný námi projekt v Dubně. Pro dočasné uchování a pozdější přenos na centrální počítač (server) naměřených dat je použit jednodeskový počítač.

Deska QNet DAQ, jednodeskový počítač a všechny doplňující zdroje napájení – pro fotonásobič i elektroniku, jsou umístěny v oddělené kovové konstrukci (viď foto 4). Pro tento účel bylo možné použít běžně v prodeji dostupnou skříňku pro uložení běžných elektrosoučástek.