Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 598-600

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время широкое развитие получили экспериментальные методы дистанционного зондирования крупномасштабных структур естественного и искусственного происхождения, основанные на анализе проникающей компоненты космических лучей на поверхности Земли – потоке мюонов, которые образуются в верхней тропосфере на высотах 15–20 км в результате взаимодействия космических лучей (КЛ) с ядрами атомов воздуха. В основе мюонографии [1] различных объектов лежит технология визуализации распределения внутренней плотности крупномасштабных структур, таких как мощные турбулентные явления в атмосфере и магнитосфере Земли [2, 3], пирамиды [4, 5], вулканы [6, 7], геологические и индустриальные объекты, включая ядерные реакторы [8, 9].

Для реализации метода мюонографии в НИЯУ МИФИ совместно с ВНИИАЭС разрабатывается широкоапертурный прецизионный мюонный годоскоп, основным детектирующим элементом которого являются длинные сцинтилляционные стрипы (3000 мм × 23 мм × 7 мм) производства АО Унипласт (г. Владимир) [10]. Каждый стрип представляет собой полоску сцинтиллятора на основе полистирола, покрытого тонким слоем вспененного полистирола, имеющего высокий коэффициент диффузного отражения света. В одной из больших граней проделана канавка глубиной 2 мм, в которую вклеено спектросмещающее оптическое волокно KURARAY Y-11(200) 1мм BSJ [11]. Для сопряжений отполированного торца одного из концов файбера с кремниевым фотоумножителем (SiPM) Hamamatsu S13360-1350CS [12] изготовлен оптический разъем, одна часть которого вмонтирована в стрип, а во вторую установлен SiPM (см. рис. 1а).

Рис. 1.

Тестирование сцинтилляционных стрипов: стрипы и оптические разъемы с SiPM (а); схема стенда для тестирования полноразмерных стрипов с помощью телескопа и бета-спектрометра (б).

Конструктивно стрипы сгруппированы в базовые модули (БМ) по 64 шт. Кабели (витые пары) от 64 SiPM сводятся на две платы считывания, выполненные на основе 32-канальной микросхемы ASIC PETIROC. Два БМ формируют регистрирующий слой (3 × 3 м²). Два слоя с взаимно-ортогональным направлением стрипов образуют координатную плоскость (КП). В мюонном годоскопе предусмотрено четыре КП, которые обеспечат надежную реконструкцию треков мюонов. Цель данной статьи – представить результаты тестирования основных элементов будущего мюонного годоскопа, которые свидетельствуют о возможности его создания с заданными параметрами.

ТЕСТИРОВАНИЕ СТРИПОВ

Тестирование характеристик стрипов осуществлялось на автоматизированном измерительном стенде, светоизолированный бокс которого позволяет одновременно размещать на специализированной раме до 16 стрипов длиной до 3.5 м (рис 1б). Для изучения отклика стрипов проводились измерения треков мюонов, выделяемых сцинтилляционным телескопом с размерами пластин 200 мм × 100 мм × 20 мм, а также электронов с энергией >1.8 МэВ от бета-спектрометра на основе источника ⁹⁰Sr. Измерения с помощью телескопа обеспечивают тестирование стрипов в потоке реальных мюонов. Но скорость счета таких событий достаточно низкая и требует значительного времени для достижения необходимой статистической точности. Кроме того, существует большая погрешность определения точки пересечения стрипа треком мюона (около 20 см). Скорость счета электронов от бета-спектрометра значительно выше – 16–20 соб.^–1. Но амплитуда отклика от электронов меньше. На рис. 2а приведены спектры откликов стрипа при регистрации электронов на расстояниях соответственно 50 и 250 см. В этих точках была протестирована партия стрипов с помощью телескопа и спектрометра и была проведена оценка зависимости между откликом стрипов при регистрации мюонов и электронов спектрометра: Q_μ= A + K_μ/eQ_e, где калибровочный коэффициент K_μ/e = 2.04 ± 0.82. Коэффициент K_μ/e дает возможность оценить отклик стрипа на мюоны с помощью регистрации релятивистских электронов.

Рис. 2.

Результаты тестирования отклика стрипа № 1 при регистрации электронов от бета-спектрометра в двух разных точках, соответственно, 50 и 250 см от SiPM (а); зарядовый спектр откликов SiPM при засветке вспышками светодиода (б).

ТЕСТИРОВАНИЕ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ

Для регистрации сигналов со стрипов используются SiPM Hamamatsu S13360-1350CS с размерами рабочей области 1.3 × 1.3 мм², которые обладают достаточно низкими шумами и широко применяются для подобных измерений.

Всего в годоскопе будут использоваться 1024 SiPM. Для массового тестирования создан стенд на основе 32-канальной платы считывания сигналов с SiPM на базе ASIC Citiroc CAEN DT5702 [13]. Преимуществом этой платы является возможность одновременного тестирования до 32 фотоумножителей. Стенд состоит из светоизолированного бокса с источником наносекундных вспышек на базе двух голубых светодиодов. В каждом измерении тестировались до 10 SiPM, что было вызвано тем, что в боксе используется диффузный переизлучатель вспышек двух голубых светодиодов, способный обеспечить равномерную засветку матрицы c ограниченным количеством SiPM (до 10 шт.). Паспортные рабочие напряжения для фотоумножителей составили величину 55.2 ± 0.15 B. Поэтому измерения проводились в трех точках при разном напряжении питания: 54.7, 55.2, 55.7 В. По этим точкам оценивалась зависимость коэффициента усиления от напряжения питания. Анализ полученных результатов тестирования показал, что для протестированных 100 SiPM полученные характеристики совпадают с паспортными. На рис. 2б приведен спектр откликов фотоумножителя при опорном напряжении 55.2 В и стандартной подсветке светодиода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана технология поточного тестирования основных детектирующих элементов широкоапретурного мюонного годоскопа – сцинтилляционных стрипов с оптоволоконным светосбором и кремниевых фотоумножителей.

Тестирование партии стрипов и SiPM продемонстрировало соответствие полученных характеристик ожидаемым. Важным результатом является полученный для стрипов толщиной 7 мм отклик с расстояния 2.5 м более 20 фотоэлектронов, что обеспечивает высокую эффективность регистрации треков мюонов при пороге около 5 ф. эл., необходимом для значительного подавления шумов кремниевых фотоумножителей.

Работа выполнена в рамках договора с АО ВНИИАЭС № 00-3-700-0650 от 19.11.2019 г.