Регистрация космических лучей на поверхности Земли. Изучение широких атмосферных ливней

Инициаторы
Янсон Эдуард Евгеньевич (МИФИ)
тел [phone]
mail [e-mail]
Богданов Алексей Георгиевич (МИФИ)
тел
mail [e-mail]

Космические лучи
Космические лучи – обычные элементарные частицы и ядра атомов, образовавшиеся и ускоренные до высоких энергий в глубинах Вселенной.
Космические лучи были открыты в 1912 г. австрийским физиком Виктором Гессом. С тех пор было сделано много открытий, связанных с космическим излучением, но остаётся ещё и немало загадок.
Физика космических лучей изучает:
процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;
частицы космических лучей, их природу и свойства;
явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.

Широкие атмосферные ливни
В результате взаимодействия с ядрами атомов атмосферы первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц – пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Эти частицы распадаются или, в свою очередь, взаимодействуют, образуя другие частицы. Таким образом возникает каскад из большого числа вторичных частиц, который называется широким атмосферным ливнем. Ливни частиц были открыты в 1938 г. французским физиком Пьером Оже
Существуют достаточно простые “виртуальные” и экспериментальные инструменты для изучения частиц космических лучей.

Подобные проекты
Сейчас во многих странах быстро развиваются сети детекторов для регистрации частиц космических лучей с привлечением школьников и учителей.

North American Large area Time coincidence Arrays
http://csr.phys.ualberta.ca/nalta/
CHICOS –
California High school Cosmic ray ObServatory. Детекторы космических лучей около Chaminade Middle School.
Коллаборация групп экспериментаторов из Канады и США, занимающихся исследованиями в области физики космических лучей высоких энергий

SEASA - Stockholm Educational Air Shower Array
http://www.particle.kth.se/SEASA/
Детекторы космических лучей на крыше AlbaNova University Centre, Швеция, Стокгольм
Сцинтилляционные детекторы HiSPARC, Нидерланды http://www.hisparc.nl/

Berkeley Lab Cosmic Ray Detector
$1500-2700

Российские проекты?
Научно-образовательнй космический проект Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова “МГУ-250” приурочен к его 250-летию. Его основная задача – научная и образовательная деятельность на основе экспериментальных данных с малых космических аппаратов (http://cosmos.msu.ru/)
интернет-проект “Ливни знаний” ОИЯИ, Дубна http://livni.jinr.ru/index.php

Сцинтилляционный детектор для регистрации
широких атмосферных ливней
Школьный проект
Часть 2

Принцип работы сцинтилляционного детектора
Частица космического излучения (мюон или электрон), попадая в сцинтиллятор, возбуждает атомы вещ-ва. Данное возбуждение сбрасывается путем испускания фотона. Сцинтилляционные фотоны дошедшие до переизлучателя инициируют испускание переизлученных фотонов, которые , распространяясь по переизлучателю, достигают окна светочуствительного элемента – ФЭУ.
ФЭУ
сцинтиллятор
переизлучатель
ФЭУ – фотоэлектронный умножитель. Это прибор для регистрации фотонов. Если на входное окно попадает фотон (лучше сотня фотонов), то на выходе появляется электрический импульс.

Схема сцинтилляционной сборки детектора
8 секторов из сцинтилляционного пластика
8 зафиксированных между секторами переизлучателей
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) располагается в центре сборки
ФЭУ

Сцинтилляционная сборка

Сцинтилляционная сборка
Цетральная часть
Центральное расположение ФЭУ позволяет получить достойные характеристики детектора.

Переизлучатели

Ливневой детектор
Сцинтилляционная сборка 1 кв.м.
Толщина пластика 20 мм.
Используются световоды-переизлучатели.
Электроника детектора состоит :
блок связи с центральной машиной;
преобразователя заряд → цифра;
преобразователя время → цифра.
Система термостабилизации.
Вес детектора ~ 70 кг. Может располагаться на земле или на крыше здания.

Схема светосбора
Shifter turns light and
directs it exactly
to photocathode
PMT = 30 mm

Система температурной стабилизации
Система термостабилизации обеспечивает постоянную температуру внутри детектора вне зависимости от времени года или перепадов температуры день - ночь. Т.е. температурный фактор не влияет на точность измерений детектора (амплитуда сигнала, момент срабатывания). Система термостабилизации состоит из:
Термоизоляционный бокс из пенопласта.
Два термодатчика.
Управляемый нагреватель.

Термоизоляционный бокс
Жесткий пенопласт
Толщина стенок
~ 7 см

Термобокс в сборе
Здесь холодный воздух нагревается и прокачивается обратно в детектор
Термотрубка для холодного воздуха
Термотрубка для горячего воздуха

Термостабилизация в действии.
14
15
5 - 7 min
Температура в детекторе и температура на улице

Электроника детектора
Собственная электроника детектора обеспечивает:
Регистрацию частиц космического излучения;
Мониторинг температуры в детекторе;
Калибровку измерительной части.
Электроника детектора состоит из блоков:
Контроллер (microcontroller 8051);
Преобразователь заряд → цифра (12-bit QDC);
Преобразователь время → цифра (12-bit TDC);
Термодатчик;
Система калибровки;
Высоковольтный преобразователь (для ФЭУ);
Триггер первого уровня;
Коммуникационная система (CAN-open стандарт).

Электроника детектора

Детектор на улице
Внешний корпус – 0.7 мм оцинковка
Коммуникационный кабель
Детектор может работать на расстоянии до 1 км от центрального компьютера

Методика регистрации ШАЛ
Стандартная методика регистрации Широких Атмосферных Ливней (ШАЛ) предполагает систему ливневых детекторов включенных в схему совпадений, т.е. одновременно сработавшие детекторы свидетельствуют о наличии ШАЛ.

Школьный проект. Вариант 1
Школа имеет полный доступ к установке и настройкам детекторов через Интернет. На мониторах учеников отображается такая же информация, что и на центральной машине ливневой установи. Можно выполнять исследовательские работы.
Ливневая установка расположена в институте (например в МИФИ)
Интернет

Школьный проект. Вариант 2
Ливневая установка расположена в школе. Можно выполнять исследовательские работы. Инженеры проекта имеют полный контроль над установкой.
Интернет
При необходимости, выезжают на ремонт или обслуживание установки
МИФИ

Коммуникации
Электроника детектора
Центральная часть электроники
Кабель, соединяющий
Детектор и центральный
компьютер
QDC
TDC
LED
HV
Thresh
220
V
Центральный
компьютер
Схема
совпадений
Обычная
розетка
Витая пара
(
CAN
)
подтверждение
запрос

Центральная часть электроники ливневой установки
Одна такая стойка позволяет обслуживать до 48 детекторов.
Схема совпадений FreeDOS
Центральный компьютер. WinXP

Данные с детектора (калибровка)
Как одно из заданий для школьников. Спектр сигналов с детектора при регистрации одиночных мюонов космических лучей

Школьный проект
Часть 3
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Что (собственно) предлагается для реализации (и в процессе реализации) школьного проекта по изучению широких атмосферных ливней

Где размещать?
1. Установка вариант 1 (от 500 тыс руб в год)
Детекторы нааходятся в МИФИ (или др точке). Вся исследовательская (школьниками) работа осуществляется через Интернет. Ученики получают доступ к настройкам детекторов установки, к файлам выходных данных и данным мониторинга.
2. Установка вариант 2 (минимум 2 млн рублей)
Детекторы в ДАННОЙ школе; школьники могут получить полный доступ к настройкам ливневой установки, но при этом установка контролируется (через интернет) инженерами проекта. Размещение детекторов проводится по согласованию со школьной администрацией, пожарной охраной и прочими службами. Возможные варианты размещения:
На крыше школы;
На территории;
В помещении.

Учебный процесс
3. План занятий
Лекции по физике космических лучей (частиц) (3 – 10 часов за учебный год) (проводят инженеры проекта);
Лекции об устройстве детектора (упрощенная модель) (3 – 10 часов за учебный год) (проводят инженеры проекта);
Лабораторные работы (ученики + инженеры проекта)
Самостоятельные работы (ученики) (рефераты, доклады …..)
Практическая работа (например: домики для детекторов)

Интерес
4. Источники финансирования
Надо писать заявки в различные фонды или организации. Это могут быть только по направлению ”ОБРАЗОВАНИЕ” или совместные. Техническую часть заявки пишут инженеры проекта, а остальные главы пишутся совместно.
5. Прибыли школы
Приобретение школьниками новых знаний и умений
Повышение квалификации учителей
Дополнительный источник финансирования школы
Авторитет школы
Отчетный материал
Участие в конференциях
Поскольку подобные проекты существуют только за границей и эти зарубежные коллективы готовы к сотрудничеству – можно наладить контакты (обмен информацией, опытом). Возможен прием иностранных школьников здесь, и поездки наших школьников и учителей за границу.
6. Прибыли исполнителей (инженеров-физиков)
Данный проект рассматривается как пилотный и , в случае его успешного проведения, предполагается глобальное расширение детекторной базы, что позволит получить интересные научные результаты.
Дополнительный источник финансирования