Описание установки

Распределенная УСтановка для регистрации Атмосферных Ливней (РУСАЛКА)

 

Как уже указывалось во введении - основной элемент распределенной установки - базовая станция. Блок схема базовой станции приведена на Рис.1

 

 

Она состоит из:

  1. двух сцинтилляционных детекторов
  2. приемника GPS системы
  3. блока электроники и источников питания, включающего в себя:
    • блок QNet для обработки и оцифровки сигналов со сцинтилляционных детекторов и совмещения этой информации с данными от GPS приемника о времени события;
    • источник напряжения питания фотоумножителей сцинтилляционных детекторов;
    • источники низкого напряжения для питания схемы QNet и GPS приемника;
    • одноплатный миникомпьютер.

Сцинтилляционный детектор

Назначение сцинтилляционного детектора - сформировать электрический сигнал в момент прохождения через детектор любой ионизирующей частицы (в первую очередь это относится к заряженным частицам). Из за своей относительной простоты конструкции и высочайшей надежности сцинтилляционные детекторы давно и очень широко используются физиками для регистрации частиц. Можно даже утверждать, что нет такой установки для исследования физики частиц или ядерной физики, в которой не применялись бы сцинтилляционные детекторы. В данном конкретном случае сцинтилляционный детектор выдает электрический сигнал каждый раз, когда детектор пересекает ионизирующая частица из широкого атмосферного ливня (ШАЛ), вызванного взаимодействием прилетевшей из Космоса частицей в атмосфере Земли. Слова про ионизирующую частицу появились для того, чтобы подчеркнуть таким образом, что в составе ШАЛ кроме интенсивно ионизирующих заряженных частиц есть нейтральные частицы которые ионизируют материал детектора только за счет вторичных взаимодействий то есть с не 100% вероятностью. Более подробно про ионизацию вещества частицами можно прочитать, сначала в разделе данного сайта (Как детекторы частиц регистрируют частицы?) а затем, например, в Викпедии. Процесс формирования электрического сигнала в сцинтилляционном детекторе происходит в два этапа. Сначала в сцинтилляторе происходит преобразование ионизационных потерь частицы во вспышку света. После чего этот свет собирается на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), который преобразует световой сигнал в электрический.

 

Конструкция сцинтилляционного детектора

 

Размер чувствительной поверхность детектора (60х80) кв.см. образуют две сложенные торцами пластины сцинтиллятора на основе полистирола толщиной 2 см с размерами (30х80) кв.см. Светосбор осуществляется с помощью спектросмещающих волокон – файберов (WLSfibers), диаметром 1 мм, вклеенных в канавки (шириной 1,2 мм, глубиной 1,5 мм и длиной 800 мм), профрезерованные на плоскости пластин сцинтиллятора вдоль их длины ( см.фото). Оптические волокна отличаются тем, что свет попавший в угловой конус соответствующий характеристике данного волокна, распространяется по волокну с очень маленькими потерями, что позволяет использовать оптоволокно для передачи оптического сигнала на огромные расстояния)
Шаг расположения канавок по ширине плоскости (600 мм) составляет 30 мм, таким образом, количество канавок и, соответственно, светособирающих оптических волокон в таком детекторе равно 20. Для обеспечения соединения волокон с фотоумножителем выходящие из плоскости волокна собирались в цилиндрический пучок и вклеивались в специальную переходную втулку, торец которой затем фрезеровался и полировался. Длина отдельного волокна составляет от 1 до 1,3 м в зависимости от их положения на плоскости. Для обеспечения более эффективного сбора света, торцы волокон на противоположной от фотоумножителя стороне были покрыты алюминиевой фольгой а все грани пластин сцинтиллятора обернуты алюминизированной пленкой.

В детекторе используется фотоумножитель ФЭУ-85 с диаметром фотокатода 25 мм. Вся сборка размещается в металлическом светогерметичном контейнере (размерами 1300х700х50 мм), на торце которого расположены сигнальный и высоковольтный разъемы. Использовались файберы Y11(200ppm) фирмы “Kuraray” и BSF-91A фирмы “Bicron”. Применение метода светособирания с помощью спектросмещающих волокон позволяет сделать прибор более удобным в сборке и компактным (за счет отказа от громоздких световодов), а также существенно улучшить однородность светособирания из-за более высокой, по сравнению со сцинтиллятором, прозрачности волокна. Общий вид и размеры полностью собранного детектора можно увидеть на следующей фотографии.

 

Приемник GPS системы.

Использование в данном проекте приемников системы глобального спутникового позиционирования имеет ключевое значение. Детальное описание этой системы можно найти здесь , но в самых общих чертах основная идея состоит в следующем. Вокруг Земли запускается система из нескольких (24) спутников. Каждый спутник излучает радиоволны содержащие информацию о его положении на орбите и эталонный сигнал абсолютного (единого для всех спутников) времени. (см Рис 2).

Приемник этого радиоизлучения на Земле, снабженный программами расшифровки этой информации, на основании данных полученной от нескольких спутников одновременно (не менее 3 спутников и чем больше спутников, тем точнее привязка) может с высокой точностью определить географическое положение приемника и, что особенно важно для рассматриваемого проекта, снабдить приемник информацией об абсолютном (едином для всей Земли значении времени с высочайшей точностью ( около 50 нано-секунд или 50 миллионных долей одной тысячной секунды). А это значит, что зарегистрированное в данной рабочей станции (в школе или ВУЗе) событие имеет точную абсолютную временную отметку и может по этому параметру (например, требование одновременности появления сигналов), анализироваться совместно со всеми другими данными, получаемыми в установке. Это означает, что с помощью такой системы можно установить факт одновременности зарегистрированного события в Дубне и, например, в Праге, Бухаресте или Варшаве!

Антенна GPS приемника - важный элемент - во многом определяющий надежность, а следовательно и точность, получаемых данных. Для использования в данном проекте была выбрана антенна корабельного типа (см.Фото 3).

Наиболее важным и сложным элементом рабочей станции является электронный блок в котором происходит обработка как информации от сцинтилляционных детекторов, так и от GPS антенны. Данный блок (QNet DAQ) был разработан и изготовлен в Лаборатории им. Э.Ферми в США специально для аналогичного "школьного" проекта и приобретен для описываемого проекта в Дубне. Для временного хранения и последующей передачи в центральный компьютер (сервер) накопленных данных используется одноплатный микро компьютер.

Конструктивно плата QNet DAQ, одноплатный компьютер и все вспомогательные источники питания - ФЭУ и электронных схем размещены в отдельном металлическом корпусе (см Фото 4). В качестве такого корпуса прекрасно подошел доступный в продаже ящик для размещении бытовых электрических компонент.