Экспериментальная установка для регистрации интенсивности и вариации космических лучей в реальном масштабе времени

(51) 21 7/00 (2006.01) 01 1/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ числе электронно-фотонной компоненты (ЭФК) космических лучей в течение длительного времени. Экспериментальная установка регистрации интенсивностей и вариации электронно-фотонной компоненты космических лучей в реальном масштабе времени включает ионизационные счетчики типа СИ-5 Г, соединенные с аналоговыми усилителями на транзисторах, с формирователями сигналов в виде одновибраторов на элементах цифровой микросхемы,связанными через суммирующее устройство в виде диодной схемы ИЛИ и устройство совпадений с многоканальными пересчетными модулями- 1780,соединенными с устройством накопления и обработки информации. Предлагаемая установка дает школьникам и студентам практическую возможность иметь дело с распределнной системой регистрации космических лучей, позволяет максимально приблизить их к новейшим достижениям самой современной наукивека - Проблемы физики космоса, изучить состояние окружающей нашу Землю среды и возможности космического полета на другие планеты.(72) Мукашев КанатЧубенко Александр Поликарпович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный педагогический университет им. Абая Министерства образования и науки Республики Казахстан(56) Красильников А.Д. Экспериментальное исследование анизотропии космических лучей с энергией, Е 1018 эВ, Якутск, 2006(54) ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ И ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ(57) Изобретение относится к установкам автоматической регистрации и обработки интенсивностей и вариации потока заряженных частиц в составе гигантских каскадов, порождаемых в атмосфере первичными частицами космических лучей сверхвысокой энергии,называемых широкими атмосферными ливнями (ШАЛ), в том Изобретение относится к установкам автоматической регистрации и обработки интенсивностей и вариации потока заряженных частиц в составе гигантских каскадов, порождаемых в атмосфере первичными частицами космических лучей сверхвысокой энергии,называемых широкими атмосферными ливнями (ШАЛ), в том числе электронно-фотонной компоненты (ЭФК) космических лучей в течение длительного времени. Галактика и Солнце являются мощными источниками космических лучей и возмущенного солнечного ветра. При этом они активно воздействуют на магнитосферу Земли и ее радиационные пояса. Изучение солнечных космических лучей все более приобретает огромное научное и практическое значение, так как солнечноземные связи оказывают влияние на климат и погоду, на здоровье людей, работающих в космосе и на Земле, а возможно, и на сейсмическую активность отдельных районов Земли. Потоки пионов и мюонов в результате последующих взаимодействий с атмосферой Земли рождают новые каскады электронов и фотонов, которые в значительной степени влияет на напряженность электрического поля атмосферы Земли в зависимости от сезона(Мукашев К.М.,Вильданова Л.И., Садыков Т.Х., Чубенко А.П. Атмосферное электричество и излучения,возникающие при грозовых явлениях. - Алматы. 2012. 259 с.). Известна комплексная установка ШАЛуниверситет Лидс, Нотингем, Дархем (Англия),предназначенная для изучения продольного развития флуктуаций, размера, энергетических спектров электронов и мюонов ШАЛ, а также для измерения первичного энергетического спектра. Диапазон энергий регистрируемых ШАЛ достигает от 1016 до 1020 эВ. Площадь комплексной установки,на которой размещены 580 водных черенковских детекторов, равна 15 км 2. Установка Сиднейского университета (Австралия) имела площадь 40 км 2, в состав которой входило 408 жидких сцинтилляционных детекторов с площадью каждого 6 м 2 каждый. Имелась возможность регистрации ШАЛ в интервале энергии от 21016 до 1021 эВ( .М.,А.Р.,3340//Вестник КазНПУ им. Абая, сер. ф.-м. науки. 2010. 1 (29). С. 240-243). Астрофизический комплекс УНУ (Россия) состоит из трех установок, регистрирующих широкие атмосферные ливни от космических лучей сверхвысоких энергий Тунка-133, ШАЛ-МГУ и системы телескопов МАСТЕР. Установка Тунка-133 регистрирует космические лучи по черенковскому свету, излучаемому в атмосфере заряженными частицами ШАЛ. Установка состоит из 133 оптических детекторов, расположенных на площади 4 км 2. Точность локации оси ШАЛ составляет 6 м при энергетическом разрешении 15, а точность восстановления положения максимума развития ливня Х достигает 25 г/см 2. Система телескопов 2 МАСТЕР представляет собой двухтрубную светосильную (диаметр 400 мм, светосила 12,5) систему с общим полем зрения 8 квадратных градусов, оснащнную 16 мегапиксельными камерами, универсальным фотометром с фильтрами и поляризаторами. Установка ШАЛМГУ представляет собой сеть из более чем сорока детекторов заряженной компоненты ШАЛ площадью 1 м 2 каждый, расположенных на площади 60120 м 2. Для мониторинга приземного слоя атмосферы установка дополнена детектором тепловых нейтронов площадью 6 м 2 и измерителем электростатического поля атмосферы (Мукашев К.М., Рябов В.А., Чубенко А.П. Нейтронная физика в исследованиях космических лучей.- Алматы. 2013. 192 с.). Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является экспериментальная установка,использованная в работе Красильникова А.Д.(Автореферат диссертации на тему Экспериментальное исследование анизотропии космических лучей с энергией Е 1018 эВ.- Якутск,РФ. 2006 г.). Использованные в данной работе системы и комплексы должны были обеспечить измерение энергетического спектра первичных космических частиц в области энергий Е 1018 эВ и выяснение вопроса о его галактическом либо метагалактическом происхождении. Главная трудность, которая возникает при этом - низкий поток первичного космического излучения и невозможность непосредственного измерения энергии первичной частицы. Для решения этой проблемы был использован метод ШАЛ. Но для этого эффективную площадь регистрации таких экспериментальных установок необходимо было довести до десятков квадратных километров. А для регистрации заряженных частиц ШАЛ были использованы сцинтиляционные и черенковские детекторы с большой площадью и значительным объемом энерговыделения с применением пластмассовых сцинтилляторов на основе полистирола с площадью 1-2 м 2. В качестве радиатора черенковских счетчиков зачастую используют дистиллированную воду особой чистоты, залитую в металлические баки объемом в несколько десятков кубических метров. Приемниками света здесь служат дорогостоящие системы параболических зеркал большой площади,в фокусе которых расположены фотоэлектронные умножители высокой чувствительности, способные регистрировать кратковременные вспышки (1 нс) черенковского света в ночном небе при условии его абсолютной чистоты. Кроме того, светосила и энергетическое разрешение использованной системы были недостаточны, чтобы однозначно искать локальные источники космических лучей описанным способом. Задачей данного изобретения является разработка компактной установки автоматической регистрации электронно-фотонной компоненты космических лучей в реальном масштабе времени,обеспечивающая решение отдельных задач астрофизики. Дело в том, что из-за хаотичной конфигурации галактического магнитного поля космические лучи низких энергий долго блуждают по Галактике и, доходя до нас, уже не помнят,откуда и когда они были испущены. Однако траекторию частиц с энергией выше 1019 эВ межзвздные магнитные поля практически не искривляют. Поэтому, регистрируя направление прихода таких частиц, можно установить положение источников космических лучей на небесной сфере и попытаться связать их с уже известными астрономическими объектами. Поэтому ключевые задачи на таких установках обычно связаны с методикой регистрации космических лучей. Отличительной особенностью данного проекта является принципиально иной подход к размещению детектирующих устройств космических лучей, что позволяет использовать их в качестве материальной базы при изучении студентами дисциплин Физика и астрофизика космических лучей, Методы регистрации ядерных излучений и др., а также для демонстрации теоретически известные явления физики космических лучей. Анализируя в реальном масштабе времени одновременно полученные сигналы нескольких таких систем, построенных в различных местах, можно не только выделять совпадающие по времени отклики, вызванные приходом ШАЛ, но и восстанавливать его направление. Поскольку на развитие ШАЛ оказывает влияние состояние атмосферы,информация о нем может быть соотнесена с сигналами данной системы. Сама идея дать школьникам и студентам возможность практически иметь дело с распределнной системой регистрации космических лучей позволяет максимально приблизить их к новейшим достижениям самой современной наукивека - Проблемы физики космоса, состояние окружающей нашу Землю среды и космического полета на другие планеты. Все данные, регистрируемые установкой, сохраняются и доступны для последующего анализа через Интернет. Вставка из новой формулы. Для этого экспериментальная установка регистрации интенсивностей и вариации пионно-мюонной компоненты космических лучей в реальном масштабе времени, включающая регистрирующие устройства, согласно изобретению оснащена ионизационными счетчиками типа СИ-5 Г,соединенными с аналоговыми усилителями на транзисторах, затем с формирователями сигналов в виде одновибраторов на элементах цифровой микросхемы, связанными через суммирующее устройство виде диодной схемы ИЛИ и устройство совпадений с многоканальными пересчетными модулями- 1780, соединенными с устройством накопления и обработки информации. Конструктивно детектор построен из отдельных модулей, внутреннее устройство которых показано на фиг.8. Каждый из модулей представляет собой собранную из многослойной фанеры коробку с толщиной стенки 10 мм, в которой находятся 18 ионизационных счетчиков типа СИ 5 Г-1. Детектор работает в счетном режиме и регистрирует отдельные импульсы, которые генерируются энергичными элементарными частицами при попадании внутрь чувствительной области счетчиков. Счетчик чувствителен к гамма - и рентгеновскому излучениюэнергией квантов свыше 20-30 кэВ и релятивистким заряженным частицам с энергией свыше 3-4 МэВ. Конструктивно детектор построен из отдельных модулей, внутреннее устройство которых показано на фиг.8. Каждый из модулей представляет собой собранную из многослойной фанеры коробку с толщиной стенки 10 мм, в которой находятся 18 ионизационных счетчиков типа СИ 5 Г. Длина чувствительной к прохождению частиц зоны такого счетчика составляет 660 мм, а его диаметр равен 60 мм. Таким образом, площадь чувствительной поверхности счетчика СИ 5 Г-1 равна 0,12 м 2. Высоковольтное питание отрицательной полярности подается параллельно на катоды всех находящихся в коробке счетчиков. Выходные сигналы всех счетчиков одного модуля, после усиленияусилитель - 2 и формирования - формирователь -3,объединяются согласно логической схеме дизъюнктор - суммирующее устройство 4, что позволяет рассматривать каждую коробку как единый детектор частиц с суммарной чувствительной площадью 2,2 м 2. Объединенный выходной сигнал каждого модуля подключается к отдельному информационному каналу на системе регистрации данных. Общее число модулей,составляющих детектор, равняется 8-ми. Модули установлены в двух горизонтальных рядах, образуя четыре пары располагающихся друг под другом коробок со счетчиками так, что расстояние между последовательными рядами счетчиков составляет 0,5 м. Регистрация сигналов совпадения устройство совпадений - 5 между различными комбинациями в верхнем и нижнем рядах модулей позволяет, наряду с регистрацией диффузного фона излучений из окружающей среды, исследовать вариации потока частиц, движущихся под определенным углом к горизонту. Так, сигналы совпадения между импульсами от модулей,находящихся прямо друг над другом (пары 1-5, 2-6,3-7 и 4-8) соответствуют частицам, которые летят приблизительно в вертикальном направлении. Чтобы обеспечить длительную стабильную работу детектора ДМК и хорошее временное разрешение ионизационных счетчиков, счетчики СИ 5 Г эксплуатируются в предгейгеровском,близком к пропорциональному, режиме величина приложенного к ним анодного напряжения составляет 1050-1100 В (вместо рекомендуемого по паспорту значения 1200-1300 В). При этом амплитуда вырабатываемых счетчиком импульсов снижается до 0,2-0,5 В. Последующее усиление выходных сигналов со счетчиков до амплитуды,обеспечивающей надежный запуск оконечных генераторов стандартного цифрового импульса,обеспечивается с помощью транзисторных усилителей. Как показал опыт, при таком режиме эксплуатации у подавляющего большинства 3 счетчиков заметного ухудшения характеристик не происходит в течение нескольких лет непрерывной работы. Выбор рабочей точки счетчиков - напряжения высоковольтного источника питания и порога срабатывания регистрирующих схем для ионизационных счетчиков СИ 5 Г производился на основании их экспериментально измеренных характеристик амплитудного спектра импульсов и зависимости интенсивности счета от приложенного к счетчику напряжения (счетной характеристики). Чтобы обеспечить достаточную (порядка 95-100) эффективность регистрации, порог срабатывания оконечных формирователей, работающих сигналами от СИ 5 Г, должен быть достаточно низким. Соответственно этому требованию, величина порога регистрации была выбрана в районе 20-30-го кодов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (2030 мВ), где в амплитудном спектре наблюдается минимум перед резким возрастанием интенсивности собственных шумовых импульсов счетчика в области малых амплитуд. Рабочая точка ионизационных детекторов, задаваемая их анодным напряжением, выбиралась в начальной части плата счетной характеристики. Эффективность регистрации гамма - квантов ионизационными счетчиками, работающими в описанных условиях, определялась с помощью набора эталонных гамма - источников с различной энергией излучения (22, 44,137 ,239 ,241 ). Результаты этих измерений показаны на фиг.3. Видно, что эффективность регистрации счетчиком СИ 5 Г гамма - квантов МэВ-ных энергий составляет 1,0-1,5, снижаясь до 0,06-0,1 в кэВ-ном диапазоне. Полученные значения эффективности несколько выше табличных данных. Это можно объяснить тем, что счетчики СИ 5 Г специально разрабатывались для регистрации гамма - излучений и в их конструкцию заложены соответствующие технологические улучшения. Резкое различие в эффективности регистрации гамма-излучения и заряженных релятивистских частиц, характерное для счетчиков СИ 5 Г, позволяет выделить сигналы от электронной компоненты космических лучей в общем потоке импульсов,которые регистрируются детектором ЭФК, по сигналам совпадения между расположенными друг под другом парами модулей. Действительно,поскольку эффективность регистрации заряженной частицы счетчиком СИ 5 Г близка к 100, такая частица, проходя через два детекторных модуля пары,будет с высокой вероятностью регистрироваться счетчиками обоих модулей, что вызовет сигнал совпадения между ними. В то же время, для гамма - квантов, эффективность регистрации которых счетчиками СИ 5 Г не превышает 1-1,5, вероятность вызвать сигнал совпадения будет равна произведению вероятностей регистрации в каждом слое, т.е. пренебрежимо малой величиной. Поэтому все импульсы совпадения между парами последовательно расположенных модулей детектора соответствуют чистым прохождениям заряженных частиц, то 4 есть сигналам от электронной компоненты космических лучей. В режиме работы, который используется в детекторе,ионизационные счетчики СИ 5 Г вырабатывают импульсные сигналы в широком диапазоне амплитуд, от 0,1 В до 2-3 В, что обуславливает необходимость стандартизации этих сигналов перед передачей их на систему регистрации. Для этой цели была разработана схема формирующей ячейки, представленная на фиг.4. Схема состоит из аналогового усилителя на транзисторах Т 1-Т 2, эмиттерного повторителя на транзисторе Т 3 и генератора стандартного импульса, выполненного в виде одновибратора на элементах цифровой микросхемы 1 типа К 155 Л 3. Конечный одновибратор схемы вырабатывает стандартные цифровые импульсы, имеющие постоянную длительность и амплитуду. Сигналы каждого из ионизационных счетчиков, находящихся внутри детекторного модуля ЭФК, обрабатываются с помощью отдельной формирующей ячейки. Все схемы формирования собраны на отдельной печатной плате,которая устанавливается непосредственно на коробке со счетчиками. Вырабатываемые формирующими ячейками стандартные цифровые импульсы со счетчиков СИ 5 Г детекторного модуля поступают на суммирующую схему, выполненную в виде диодной схемы ИЛИ с последующим транзисторным усилителем выходного сигнала (фиг.5). Импульсы,вырабатываемые суммирующей схемой,представляют собой выходной сигнал детекторного модуля, подготовленный к подключению к информационным входам системы сбора данных. По данным суммирования формируются сигналы совпадения детекторов по модулям (фиг.6). Результаты обработки сигналов совпадения направляются на пересчетные схемы устройства накопления и обработки в виде персонального компьютера. Помимо суммирующей схемы, выходные сигналы формирующих ячеек модуля подключены к плате индикации (фиг.7). Плата индикации,используемая при настройке детектора ЭФК,представляет собой набор одновибраторов на интегральных микросхемах К 155 АГ 3, каждый из которых обеспечивает кратковременную вспышку светодиода при поступлении на его вход сформированных импульсов от соответствующего ионизационного счетчика. Система сбора данных детектора построена на базе универсальных многоканальных пересчетных модулей- 1780 - 6 (Производства Германии), которые устанавливаются в системном блоке стандартного персонального компьютера. Управление процессом измерения обеспечивается с помощью специальной библиотеки на языке , в которой модуль- 1780 представляется в виде абстрактного программного объекта - класса,обладающего всеми необходимыми для управления функциями инициализация пересчетных схем модуля, выдержка заданной экспозиции при измерениях, выборка содержимого пересчетных схем и т.п. В свою очередь, на базе этой библиотеки построена программа для проведения измерений на детекторе - программа 11. Полная схема компоновки установки для регистрации ЭФК космических лучей представлена на фиг.8, а ее внешний вид показан на фотографии (фиг.9). Программа 11 служит для непрерывного измерения количества импульсных сигналов,поступающих от отдельных модулей детектора в течение фиксированных временных интервалов(экспозиции) и записи этой информации на жесткий диск персонального компьютера (фиг.10). В настоящее время длительность экспозиции составляет 1 мин. и программа работает с 12-ю информационными каналами 4 сигнала от счетных модулей ЭФК верхнего ряда, 4 сигнала от модулей нижнего ряда и 4 сигнала совпадения между парами модулей, находящихся один под другим. Результаты измерений интенсивности,полученные с помощью программы 11,автоматически заносятся в базу данных,построенную на основе системы управления базами данных (СУБД)и функционирующую на том же персональном компьютере, который обеспечивает управление измерениями. Доступ к информации из этой базы данных возможен как по локальной сети, так и по сети Интернет посредством любого стандартного- браузера. Регистрация интенсивностей электронно-фотонной компоненты осуществляется как в отдельности по модулям, так и по совпадению между ними в виде таблиц и графического материала. Содержащая в базе данных информация может быть представлена в двух вариантах в виде текстовой таблицы и графического материала - вариации интенсивности сигналов во времени. При выборке данные отдельных измерений можно суммировать с целью увеличения статистики в каждой точке. Динамика накопления поступающей информации представлена на фиг.11. Интенсивности электронно-фотонный компоненты ШАЛ могут претерпевать заметные изменения во времени - фиг.12 или в виде всплесков как следствие происходящих в атмосфере процессов - фиг.13. Во избежание возможных погрешностей и с целью установления истинной картины процесса, каждый раз в таких случаях осуществляется тщательная проверка скоростей счета каждого канала, группы каналов нижнего и верхнего ряда, а также соответствие изменений по каналам и группам с результатами измерений на совпадение. При равномерном поступлении интенсивностей ЭФК космических лучей, подобные всплески на спектре вариации отсутствуют. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Экспериментальная установка регистрации интенсивностей и вариации электронно-фотонной компоненты космических лучей в реальном масштабе времени, включающая регистрирующие устройства, отличающаяся тем, что она оснащена ионизационными счетчиками типа СИ-5 Г,соединенными с аналоговыми усилителями на транзисторах, затем с формирователями сигналов в виде одновибраторов на элементах цифровой микросхемы, связанными через суммирующее устройство в виде диодной схемы ИЛИ и устройство совпадений с многоканальными пересчетными модулями- 1 780,соединенными с устройством накопления и обработки информации.