Проектирование детектора протонов и электронов для мониторинга солнечных космических лучей
|
Введение 2
Глава 1. Литературный обзор 7
1.1 Общая схема космических детекторов частиц 7
1.2 Кремниевые детекторы 8
1.3 Сцинтилляционные детекторы 9
1.4 Детектор EPHIN космического аппарата SOHO 10
1.5 Телескоп электронов KET 11
Глава 2. Моделирование 16
2.1 Концепция детектора 16
2.2 Требуемые размеры сцинтиллятора 17
2.3 Толщина экранировки 19
2.4 Бериллиевое окно 20
2.5 Восстановление спектра протонов 23
2.6 Восстановление монохроматического спектра 26
2.7 Восстановление спектра фитированием 27
2.8 Метод наименьших квадратов 29
2.8.1 Теория 29
2.8.2 Восстановление спектра с помощью МНК 32
2.9 Учет фоновых процессов 33
Глава 3. Эксперимент 39
3.1 Используемое оборудование 39
3.1.1 Активная часть детектора 39
3.1.2 Фотодетекторы 40
3.1.3 АЦП 40
3.2 Свойства секций детектора 41
3.2.1 Описание измерительного стенда 41
3.2.2 Фотоэлектроны 43
3.2.3 Способы крепления SiPM к сцинтилляционной шайбе . . .45
3.2.4 Влияние температуры на работу SiPM 47
3.3 Прототип детектора 49
3.3.1 Описание прототипа 49
3.3.2 Калибровка прототипа 50
3.3.3 Новая электроника 57
3.4 Распределение мюонного сигнала 58
3.4.1 Энерговыделение мюонов 58
3.4.2 Распределение энерговыделения мюонов 60
3.4.3 Распределение мюонного сигнала 63
3.4.4 Распределение мюонного сигнала с учётом работы триггера 64
3.4.5 Простой способ калибровки канала детектора 66
Заключение 70
Список литературы 72
Глава 1. Литературный обзор 7
1.1 Общая схема космических детекторов частиц 7
1.2 Кремниевые детекторы 8
1.3 Сцинтилляционные детекторы 9
1.4 Детектор EPHIN космического аппарата SOHO 10
1.5 Телескоп электронов KET 11
Глава 2. Моделирование 16
2.1 Концепция детектора 16
2.2 Требуемые размеры сцинтиллятора 17
2.3 Толщина экранировки 19
2.4 Бериллиевое окно 20
2.5 Восстановление спектра протонов 23
2.6 Восстановление монохроматического спектра 26
2.7 Восстановление спектра фитированием 27
2.8 Метод наименьших квадратов 29
2.8.1 Теория 29
2.8.2 Восстановление спектра с помощью МНК 32
2.9 Учет фоновых процессов 33
Глава 3. Эксперимент 39
3.1 Используемое оборудование 39
3.1.1 Активная часть детектора 39
3.1.2 Фотодетекторы 40
3.1.3 АЦП 40
3.2 Свойства секций детектора 41
3.2.1 Описание измерительного стенда 41
3.2.2 Фотоэлектроны 43
3.2.3 Способы крепления SiPM к сцинтилляционной шайбе . . .45
3.2.4 Влияние температуры на работу SiPM 47
3.3 Прототип детектора 49
3.3.1 Описание прототипа 49
3.3.2 Калибровка прототипа 50
3.3.3 Новая электроника 57
3.4 Распределение мюонного сигнала 58
3.4.1 Энерговыделение мюонов 58
3.4.2 Распределение энерговыделения мюонов 60
3.4.3 Распределение мюонного сигнала 63
3.4.4 Распределение мюонного сигнала с учётом работы триггера 64
3.4.5 Простой способ калибровки канала детектора 66
Заключение 70
Список литературы 72
В результате спорадических явлений солнечной активности электроны и ионы ускоряются до энергий до нескольких МэВ и до нескольких ГэВ соответственно. Таким образом образуются солнечные космические лучи (СКЛ) [1]. Во время солнечных вспышек их интенсивность становится высокой, что опасно для космонавтов и космической аппаратуры [1;2]. Для мониторинга потока электронов и ионов СКЛ, а также для измерения их спектра, разрабатывается детектор.
Детектор представляет собой цилиндр, состоящий из нескольких сцинтилляционных шайб. При прохождении частиц сквозь детектор в шайбах высвечиваются фотоны, которые через оптоволокно попадают в фотодетектор SiPM (Silicium PhotoMultiplier) [3]. Сигналы от каждой шайбы детектора снимаются отдельно, что возможно за счёт обёртки каждой шайбы светоотражающим материалом Tyvek [4].
Детектор проектируется для измерения электронов с кинетической энергией от 1 до 10 МэВ и протонов с кинетической энергией от 10 МэВ до 100 МэВ. Частицы, проходя сквозь детектор, в разных шайбах выделяют разное количество энергии, что позволяет восстановить кривую потерь. Для протонов эта кривая имеет характерный пик Брегга [5] (рисунок1), по положению которого можно определить энергию частицы.
В силу того, что детектор разрабатывается для измерений в космосе, требовалось оптимизировать его габариты и массу. Длина детектора будет составлять 7 см, диаметр шайб составит 3 см. Такие габариты позволяют останавливать частицы в требуемом диапазоне энергий, а также поглощать большую часть электромагнитных ливней, рождённых регистрируемыми частицами в детекторе. Суммарная масса детектора включая электронику и корпус не превысит 700 г.
Детектор будет работать в двух режимах: в счётном и в интегральном. Счётный режим используется в том случае, когда поток частиц СКЛ ниже скорости регистрации детектора. В таком случае каждая кривая потерь анализируется отдельно, и по ней определяется энергия частицы методом максимального правдоподобия. Интегральный режим используется при большом потоке СКЛ, например, во время солнечных вспышек. В этом режиме выделяемые энергии регистрируемых частиц складываются, и анализируется суммарная кривая потерь. Из неё, например, с помощью регуляризации Турчина [6] восстанавливается спектр частиц. Погрешность детектора в интегральном режиме не превысит 10% [5].
Настоящая дипломная работа состоит из нескольких частей. В литературном обзоре рассматриваются космические приборы, созданные для регистрации частиц в энергетическом диапазоне, близком к энергетическому диапазону проектируемого детектора. В следующей части работы было проведено моделирование разрабатываемого детектора с целью подбора наиболее оптимальных параметров его активной части. Оптимизация заключалась, во-первых, в поиске геометрических размеров детектора, удовлетворяющим космическим массово-габаритным требованиям. Во-вторых, проверка методик восстановления спектра частиц в интегральном режиме для различных толщин шайб дала представление о том, какая сегментация детектора допустима для требуемого энергетического разрешения. Анализ данных проводился для монохроматического и гауссового спектра частиц. Следующая часть дипломной работы - экспериментальная. В ней были исследованы оптические свойства сцинтилляционных шайб, а именно их световыход при различных возможных конфигурациях. Также были исследованы свойства используемых фотодетекторов. В завершающей части работы был собран лабораторный прототип детектора. Была разработана и реализована методика калибровки прототипа, основанная на выведенной в работе формуле для распределения отклика детектора на атмосферные мюоны.
Детектор представляет собой цилиндр, состоящий из нескольких сцинтилляционных шайб. При прохождении частиц сквозь детектор в шайбах высвечиваются фотоны, которые через оптоволокно попадают в фотодетектор SiPM (Silicium PhotoMultiplier) [3]. Сигналы от каждой шайбы детектора снимаются отдельно, что возможно за счёт обёртки каждой шайбы светоотражающим материалом Tyvek [4].
Детектор проектируется для измерения электронов с кинетической энергией от 1 до 10 МэВ и протонов с кинетической энергией от 10 МэВ до 100 МэВ. Частицы, проходя сквозь детектор, в разных шайбах выделяют разное количество энергии, что позволяет восстановить кривую потерь. Для протонов эта кривая имеет характерный пик Брегга [5] (рисунок1), по положению которого можно определить энергию частицы.
В силу того, что детектор разрабатывается для измерений в космосе, требовалось оптимизировать его габариты и массу. Длина детектора будет составлять 7 см, диаметр шайб составит 3 см. Такие габариты позволяют останавливать частицы в требуемом диапазоне энергий, а также поглощать большую часть электромагнитных ливней, рождённых регистрируемыми частицами в детекторе. Суммарная масса детектора включая электронику и корпус не превысит 700 г.
Детектор будет работать в двух режимах: в счётном и в интегральном. Счётный режим используется в том случае, когда поток частиц СКЛ ниже скорости регистрации детектора. В таком случае каждая кривая потерь анализируется отдельно, и по ней определяется энергия частицы методом максимального правдоподобия. Интегральный режим используется при большом потоке СКЛ, например, во время солнечных вспышек. В этом режиме выделяемые энергии регистрируемых частиц складываются, и анализируется суммарная кривая потерь. Из неё, например, с помощью регуляризации Турчина [6] восстанавливается спектр частиц. Погрешность детектора в интегральном режиме не превысит 10% [5].
Настоящая дипломная работа состоит из нескольких частей. В литературном обзоре рассматриваются космические приборы, созданные для регистрации частиц в энергетическом диапазоне, близком к энергетическому диапазону проектируемого детектора. В следующей части работы было проведено моделирование разрабатываемого детектора с целью подбора наиболее оптимальных параметров его активной части. Оптимизация заключалась, во-первых, в поиске геометрических размеров детектора, удовлетворяющим космическим массово-габаритным требованиям. Во-вторых, проверка методик восстановления спектра частиц в интегральном режиме для различных толщин шайб дала представление о том, какая сегментация детектора допустима для требуемого энергетического разрешения. Анализ данных проводился для монохроматического и гауссового спектра частиц. Следующая часть дипломной работы - экспериментальная. В ней были исследованы оптические свойства сцинтилляционных шайб, а именно их световыход при различных возможных конфигурациях. Также были исследованы свойства используемых фотодетекторов. В завершающей части работы был собран лабораторный прототип детектора. Была разработана и реализована методика калибровки прототипа, основанная на выведенной в работе формуле для распределения отклика детектора на атмосферные мюоны.
Прототип детектора, представленный в настоящей работе, обладает рядом важных особенностей:
— Простота конструкции и небольшие массово-габаритные характеристики. Важно отметить, что детектор не требует тяжёлой защиты и громоздких коллиматоров, а также использует весь объём своей активной части для регистрации частиц.
— Детектор состоит из пластикового сцинтиллятора, что делает его более радиационно стойким по сравнению с полупроводниковыми детекторами, а также более прочным по сравнению с газовыми детекторами.
— Сегментация детектора позволяет восстанавливать энергию частиц в дифференциальном режиме с достаточно хорошей точностью. Если использовать переднюю шайбу детектора лишь как экран, это позволит затормозить низкоэнергичные частицы; при этом станет возможной эксплуатация детектора даже во время интенсивных солнечных событий.
— Также сегментация детектора позволяет ему работать в интегральном режиме, хорошо восстанавливая спектр частиц при больших их потоках.
Лабораторные испытания, а также симуляции показали, что настоящий детектор подходит для регистрации избранных частиц. Несмотря на относительно плохое разрешение каждой шайбы прототипа детектора по отдельности, сегментация детектора позволяет различать частицы в дифференциальном режиме с точностью до 5%. Применение регуляризации Турчина позволяет восстанавливать спектр частиц в интегральном режиме с точностью до 7% [5;16].
В будущем планируется улучшить дизайн детектора таким образом, чтобы его можно было эксплуатировать в космосе. Также предполагается разработать новую электронику, которая позволит детектору работать в космосе в указанных в настоящей работе режимах.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда в рамках гранта No. 17-72-20134.
Настоящая работа выполнена в группе методики ядерно-физических экспериментов при ИЯИ РАН и МФТИ. Автор благодарит своего научного руководителя Нозика А. за постановку задачи и методические рекомендации, оказанные в ходе выполнения работы. Автор благодарен Зелёному М. за ценные советы по работе с Geant4 и поддержку. Автор благодарит Зимовцу И. за постановку задачи перед нашей научной группой. Автор выражает личную благодарность Ивашкину А. за оказанную помощь и поддержку в реализации экспериментальной части работы. Автор благодарен Известному А. за помощь в калибровке прототипа детектора. Автор выражает благодарность Пальмину В. за проделанную работу при анализе данных прототипа детектора. Автор благодарен Абрамовой Т. за разработку и реализацию алгоритмов для обработки данных детектора в интегральном режиме.
— Простота конструкции и небольшие массово-габаритные характеристики. Важно отметить, что детектор не требует тяжёлой защиты и громоздких коллиматоров, а также использует весь объём своей активной части для регистрации частиц.
— Детектор состоит из пластикового сцинтиллятора, что делает его более радиационно стойким по сравнению с полупроводниковыми детекторами, а также более прочным по сравнению с газовыми детекторами.
— Сегментация детектора позволяет восстанавливать энергию частиц в дифференциальном режиме с достаточно хорошей точностью. Если использовать переднюю шайбу детектора лишь как экран, это позволит затормозить низкоэнергичные частицы; при этом станет возможной эксплуатация детектора даже во время интенсивных солнечных событий.
— Также сегментация детектора позволяет ему работать в интегральном режиме, хорошо восстанавливая спектр частиц при больших их потоках.
Лабораторные испытания, а также симуляции показали, что настоящий детектор подходит для регистрации избранных частиц. Несмотря на относительно плохое разрешение каждой шайбы прототипа детектора по отдельности, сегментация детектора позволяет различать частицы в дифференциальном режиме с точностью до 5%. Применение регуляризации Турчина позволяет восстанавливать спектр частиц в интегральном режиме с точностью до 7% [5;16].
В будущем планируется улучшить дизайн детектора таким образом, чтобы его можно было эксплуатировать в космосе. Также предполагается разработать новую электронику, которая позволит детектору работать в космосе в указанных в настоящей работе режимах.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда в рамках гранта No. 17-72-20134.
Настоящая работа выполнена в группе методики ядерно-физических экспериментов при ИЯИ РАН и МФТИ. Автор благодарит своего научного руководителя Нозика А. за постановку задачи и методические рекомендации, оказанные в ходе выполнения работы. Автор благодарен Зелёному М. за ценные советы по работе с Geant4 и поддержку. Автор благодарит Зимовцу И. за постановку задачи перед нашей научной группой. Автор выражает личную благодарность Ивашкину А. за оказанную помощь и поддержку в реализации экспериментальной части работы. Автор благодарен Известному А. за помощь в калибровке прототипа детектора. Автор выражает благодарность Пальмину В. за проделанную работу при анализе данных прототипа детектора. Автор благодарен Абрамовой Т. за разработку и реализацию алгоритмов для обработки данных детектора в интегральном режиме.