Приборы и техника эксперимента, 2022, № 6, стр. 106-110

ВВЕДЕНИЕ

В 2006–2017 гг. на Долгопрудненской научной станции (ДНС) ФИАН были разработаны 3 класса установок для изучения вариаций потоков космических лучей (КЛ): CARPET [1, 2], Нейтронный детектор [3] и Гамма-спектрометр [4]. К 2017 г. была создана международная сеть наземной научной аппаратуры, в основу которой легли указанные установки [5]. В настоящее время (2022 г.) данная сеть размещена в четырех научных центрах: ДНС ФИАН (Долгопрудный, Московская область); астрономический комплекс CASLEO (Аргентина); Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева (ЕНУ, г. Нур-Султан, Республика Казахстан) и King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST, г. Эр-Рияд, Саудовская Аравия).

Установки CARPET предназначены для измерения потоков заряженной компоненты КЛ с помощью газоразрядных счетчиков СТС-6, расположенных в 2 горизонтальных ряда, между которыми размещен алюминиевый фильтр-поглотитель толщиной 7 мм. Основные данные, получаемые на установках CARPET, – скорости счета по трем каналам: суммарный счет всех верхних счетчиков установки (канал UP), суммарный счет всех нижних счетчиков установки (канал LOW) и счет в канале совпадений (канал TEL).

В каналах UP и LOW регистрируются электроны и позитроны с Е > 200 кэВ, протоны с Е > 5 МэВ, мюоны с Е > 1.5 МэВ, фотоны с Е > 20 кэВ (эффективность регистрации < 1%). В канале TEL регистрируются электроны с Е > 5 MэВ, протоны с Е > 30 MэВ и мюоны с Е > 15.5 МэВ.

Основываясь на опыте, полученном при разработке и эксплуатации установок CARPET, в 2021 г. был разработан новый прибор − GCR. Данная установка входит в состав научной аппаратуры, которая будет установлена на борту самолета для проведения мониторинга стратосферы в рамках международного эксперимента TI3GER [6].

Установка GCR выполнена в форме параллелепипеда с размерами 222 × 146 × 106 мм. На корпусе установки расположены разъем питания (28 В постоянного тока) и разъем для передачи данных на борт, а также 3 светодиода-индикатора, визуализирующие наличие импульсов в каналах UP, LOW и TEL. Внутри корпуса расположена материнская плата, на которой находятся: вторичные источники питания, датчики температуры и атмосферного давления, АЦП, микроконтроллер и интерфейс передачи данных RS-232. Также на материнскую плату смонтирован детектирующий блок, состоящий из системы двух горизонтальных слоев счетчиков СТС-6, между которыми расположена алюминиевая пластина толщиной 7 мм, и анодной платы, предназначенной для формирования выходных импульсов счетчиков.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ

На рис. 1 приведена принципиальная схема анодной платы детектирующего блока установки GCR, к которой подключены 10 счетчиков СТС-6: 5 счетчиков в верхнем слое (A₁–A₅) и 5 счетчиков в нижнем слое (A₆–A₁₀). Катоды счетчиков заземлены. Аноды верхних счетчиков объединены через резисторы R₁–R₅ (110 кОм), а нижних – через резисторы R₆–R₁₀ (110 кОм). Резисторы R₁₁ и R₁₂ (2.4 МОм) использованы для реализации схемы ИЛИ. Длительность по основанию экспоненциальных импульсов счетчиков СТС-6, регистрируемых через конденсаторы C₁ и C₂ (100 пФ), составляет ~1 мс. После RC-цепочки (использованы резисторы R₁₃ и R₁₅ номиналом 47 кОм) длительность импульса составляет Δt ≈ 10 мкс. Резисторы R₁₄ и R₁₆, по 20 кОм каждый, служат для ограничения тока через входные защитные диоды микросхемы DD₁. Импульсы верхней и нижней групп счетчиков преобразуются на триггерах Шмитта DD_1.1 и DD_1.3 в прямоугольные и, далее, именуются как UP и LOW, соответственно. Схема совпадений (TEL) реализована на триггерах Шмитта DD_1.2 и DD_1.4.

Рис. 1.

Принципиальная схема анодной платы детектирующего блока установки GCR.

Через разъем XR₁ детектирующий блок подключается к материнской плате (рис. 2). Из бортовых 28 В преобразователь напряжения U₁ (МПВ10В) вырабатывает 12 В. С помощью высоковольтного преобразователя напряжения U₂ (C4900-51) из 12 В вырабатывается 380 В для питания счетчиков детектирующего блока, а с помощью преобразователя напряжения U₃ (МПВ10А) вырабатываются 5 В для питания электроники. Для подстройки высокого напряжения 380 В используется переменный резистор R₁ (50 кОм), а для его контроля – микросхема 12-битного АЦП DD₄ (MCP3201). Микросхема DD₁ (REF192) является источником опорного напряжения АЦП. Для измерения атмосферного давления и температуры использованы цифровые датчики DD₃ (BMP085) и DD₆ (DS18B20) соответственно. Взаимодействие с датчиками и АЦП, а также первичная обработка информации осуществляются микроконтроллером DD₅ (ATmega 168). Данные передаются на борт по интерфейсу RS-232, реализованному с помощью микросхемы DD₇ (MAX-232). Светодиоды VD₁−VD₄ устанавливаются на материнскую плату и обеспечивают визуальный контроль исполнения циклограммы установки: измерение атмосферного давления, температуры внутри корпуса прибора, высокого напряжения для питания счетчиков, передачу данных. Также на корпусе прибора установлены дополнительные светодиоды: UP, LOW, TEL, которые визуально дублируют импульсы в соответствующих счетных каналах. Сигналы управления светодиодами поступают с выводов PC1−PC3 микроконтроллера DD₅ через резисторы 360 Ом, светодиоды подключены к разъему XR₂.

Рис. 2.

Принципиальная схема материнской платы установки GCR.

ФОРМАТ СООБЩЕНИЯ ДАННЫХ

Данные передаются на борт 1 раз в секунду по интерфейсу RS-232 на скорости передачи данных 9600 бод/с. Для этого формируется сообщение (последовательность ASCII-символов) вида: UP 〈ПРОБЕЛ〉 LOW 〈ПРОБЕЛ〉 TEL 〈ПРОБЕЛ〉 T 〈ПРОБЕЛ〉 P 〈ПРОБЕЛ〉 V 〈CR〉 〈LF〉, где: UP, LOW и TEL, импульсов/с – скорости счета в каналах UP, LOW и TEL, соответственно; T, °C – температура внутри корпуса прибора (с точностью до двух дробных знаков); P, кПа – атмосферное давление (с точностью до двух дробных знаков); V, В – измеренное значение высокого напряжения (с округлением до целого числа); 〈CR〉 – символ возврата каретки; 〈LF〉 – символ перевода строки.

ПРОВЕРКА УСТАНОВКИ И НЕКОТОРЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Установка GCR испытывалась на ДНС ФИАН с 01.02.22 г. по 03.02.22 г. Для дальнейшего анализа использовались данные, проинтегрированные за минуту. Полученные значения средней скорости счета для каждого канала составили: N_UP = = 464.58 ± 67.96 импульсов/мин, N_LOW = 463.22 ± ± 67.57 импульсов/мин, N_TEL= 82.56 ± 14.90 импульсов/мин. Максимальные значения скоростей счета равны: N_{UP_MAX} = 1855 импульсов/мин, N_{LOW_MAX} = 1836 импульсов/мин, N_{TEL_MAX}= = 361 импульсов/мин. Стоит отметить, что средние и максимальные значения счета в каналах UP и LOW практически совпадают, что косвенно свидетельствует о корректности работы этих каналов.

Как было указано выше, длительность импульсов Δt ≈ 10 мкс. Так как в каждый канал входят 5 счетчиков, существует вероятность ошибки измерения скорости счета в случае наложения друг на друга близких по времени импульсов от различных счетчиков (на временном интервале 2Δt). Аналогично расчету в публикации [7], для канала UP получим вероятность прохождения двух и более импульсов за время 2Δt, приняв математическое ожидание скорости счета равным максимуму для данного канала: P(x ≥ 2) = 1.87 ⋅ 10⁻⁷. Следовательно, вероятность детектирования двух и более частиц за время 2Δt пренебрежимо мала, и данным эффектом можно пренебречь.

На рис. 3 для каждого канала установки приведено распределение скоростей счета (в импульсах в минуту) по данным за 01.02.22–03.02.22 гг. Сплошной кривой показано расчетное распределение Пуассона. В качестве математического ожидания взяты средние значения скоростей счета для каждого канала. Как видно, для каналов UP и LOW экспериментально полученное распределение имеет несколько бóльшие отклонения относительно распределения Пуассона, чем данные канала TEL. Вероятно, это связано с существенными величинами среднеквадратичного отклонения средней скорости счета и компенсируется при накоплении статистики.

Рис. 3.

Гистограммы распределения скоростей счета установки GCR в каналах UP, LOW и TEL. Вертикальные столбцы – результаты, полученные по экспериментальным данным, серая непрерывная линия – расчетное распределение Пуассона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены описание и схемотехническая реализация портативной установки для детектирования заряженной компоненты космических лучей. Данная аппаратура успешно выдержала предварительные испытания и начиная с апреля 2022 г. планируется ее применение в международном эксперименте TI3GER.

Стоит отметить, что аналогичные установки как компактный вариант в будущем могут быть использованы для расширения сети установок CARPET [1, 2, 7, 8]. Небольшие размеры прибора обеспечивают его мобильность и простоту установки.