Приборы и техника эксперимента, 2019, № 1, стр. 15-18

Интерес к поиску первичного γ-излучения с энергией выше 100 ТэВ заметно возрос в последнее время в связи с результатами эксперимента IceCube, в котором были зарегистрированы высокоэнергичные нейтрино астрофизического происхождения. В работе [1] было показано, что если такие нейтрино являются результатом распадов заряженных пионов в Галактике, то должны существовать и нейтральные пионы тех же энергий, распад которых дает заметный поток γ-излучения в диапазоне энергий 10¹⁴–5 ⋅ 10¹⁷ эВ. Предсказанный в нашей работе [2, 3] поток космического диффузного γ-излучения галактического происхождения близок к имеющимся экспериментальным ограничениям в диапазоне ниже примерно 5 ПэВ и может быть зарегистрирован в эксперименте “Ковер-3”. Ливневая установка “Ковер-3” создается на основе ныне действующей установки “Ковер-2” [4]. Она предназначена для исследования мюонной и адронной компонент широких атмосферных ливней (ш.а.л.). “Ковер-3” предполагает поэтапное увеличение непрерывной площади мюонного детектора (м.д.) сначала до 410 м², а в дальнейшем – до 615 м². Для увеличения площади регистрации ш.а.л. будут дополнительно установлены еще 20 модулей, в которых будет размещено по 18 жидкостных сцинтилляционных детекторов площадью 0.5 м² каждый. В настоящее время в подземных туннелях м.д. уже установлено 410 сцинтилляционных детекторов с общей непрерывной площадью 410 м², которые полностью укомплектованы электроникой. Ведется работа по ее наладке и по созданию системы сбора информации для данной конфигурации м.д.

Для модулей наземной части установки “Ковер-3” был создан детектор с жидким сцинтиллятором в пластиковых бутылках (рис. 1). Детектор представляет собой контейнер размером 66 × 74 × × 30 см, собранный из фанеры толщиной 10 мм. На дне детектора расположено 10 пластиковых бутылок, уложенных в 2 ряда. Каждая бутылка имеет размеры 0.14 × 0.14 × 0.31 м, в которые залит сцинтиллятор на основе реактивного топлива Т-6 c плотностью 0.82 г/см³. Сцинтиллирующей добавкой служит РРО (1 г/л), а смесителем спектра – РОРОР(0.03 г/л). Светозащитный кожух с ФЭУ-49, фотокатод которого имеет ∅15 см, вместе с панелью делителя крепится к контейнеру детектора. Этот фотоэлектронный умножитель просматривает весь объем детектора. В качестве светоотражающей внутренней поверхности нового детектора в одном случае использовался слой белой краски, нанесенной на поверхность, а в другом случае алюминиевая фольга.

На рис. 2 спектр 1 соответствует энерговыделению от одиночных мюонов, когда вместо жидкостного сцинтиллятора используется сцинтиллятор, состоящий из гранул на основе полистирола ∅4 и высотой 2 мм. Высота сцинтиллятора составляла 14 см. Этот спектр представляет собой экспоненциальную кривую без явно выраженного максимума, который соответствует энергвыделению от одного релятивистского мюона.

Спектр 2 соответствует энерговыделению от одиночных мюонов для стандартного пластического детектора, представляющего собой квадратный поддон размером 1005 × 1005 × 50 мм. По периметру к поддону прикрепляется диффузор, имеющий форму усеченной пирамиды, высотой 450 мм. Светозащитный кожух с ФЭУ-49 и панель делителя напряжения крепятся к диффузору. Наиболее вероятная амплитуда релятивистского мюона ~5 мВ. Неоднородность светосбора составляет 20%, а энергетическое разрешение равно 48%. Спектры 3 и 4 соответствуют жидкостному детектору, внутренняя поверхность которого покрашена белой краской и покрыта алюминиевой фольгой соответственно. Спектры измерялись с помощью осциллографа LECROY WaveJet при напряжении на входе делителя детектора U = –1800 В. Из рис. 2 следует, что при покрытии внутренней поверхности детектора алюминиевой фольгой имеем максимальный эффект по светосбору от прохождения релятивистского мюона через сцинтиллятор. Как видно, максимум спектра 3 соответствует ~8.5 мВ (наиболее вероятное значение амплитуды сигнала для одиночного мюона), а спектра 4 –12.5 мВ, т.е. в спектре 2 наиболее вероятная амплитуда сигнала от одиночного мюона на 32% больше, чем в спектре 1. Отсюда следует, что в качестве отражателя в новом детекторе следует использовать алюминиевую фольгу. Полученное энергетическое разрешение для разработанного детектора составляет ~42%.

Неоднородность светосбора детектора была измерена с помощью радиоактивного источника ¹³⁷Cs (энергия γ-линии 0.661 МэВ с активностью 2.2 ⋅ 10⁸ Бк). Измерения анодного тока проводилось через каждые 6 см в диапазоне расстояний 0–50 см от центра детектора. Сигнал с токового выхода делителя измерялся стрелочным микроамперметром, точность измерения которого составляет не менее 1%.

Неоднородность коэффициента светосбора вычисляется по формуле

где I_max – максимальное значение тока, I_min – минимальное значение тока при помещении источника на углу детектора в предположении, что размер светового пятна стремится к нулю. По результатам измерений была вычислена неоднородность коэффициента светосбора детектора, которая оказалась равной 0.32. Кроме этого неоднородность коэффициента светосбора была измерена с помощью мюонов космических лучей. Неоднородность коэффициента светосбора была также определена путем измерения положения максимума спектра мюонов при их прохождении через различные точки детектора. Место прохождения мюонов выбиралось с помощью управляющего сигнала от маленького счетчика с размерами сцинтиллятора 14 × 14 × 5 см. Счетчик передвигался по диагонали детектора с шагом 6 см. В этом случае величина неоднородности оказалась равной 0.26.

Для измерения абсолютной величины коэффициента светосбора был изготовлен квазиизотропный источник света ∅4.0 см с полостью внутри ∅1.5 см, в которую помещался радиоактивный источник ¹³⁷Cs в форме таблетки c активностью 10⁶ Бк. Источник света укреплялся на подставке на различных расстояниях от ФЭУ-49 (рис. 3).

На рис. 4 представлена зависимость анодного тока ФЭУ-49 от телесного угла $\Omega $, под которым виден фотокатод из точки, где расположен источник. Этот ток является суммой токов от прямого и отраженного света и определяется по формуле

где $k$ – коэффициент светосбора, I_o – ток при $\Omega $ = = 4π ср. Значение тока I_o можно получить путем экстраполяции прямой на рис. 4 к точке, соответствующей $\Omega $ = 4π ср. Полученное таким образом из формулы (2) значение коэффициента светосбора $k$ = 3.3%.

Калибровка детектора может быть осуществлена с помощью проникающих заряженных частиц космических лучей. При прохождении через детектор релятивистской заряженной частицы ионизационные потери составляют 2 МэВ см²/г. Тогда для детектора толщиной 11.5 г/см² и угловом распределении мюонов ~cos²θ средняя потерянная энергия в сцинтилляторе составит 30.6 МэВ. Для реактивного топлива Т-6 энерговыделение от релятивистского мюона, идущее на образование одного фотона, составляет около 160 эВ, а число фотоэлектронов на фотокатоде ФЭУ-49 при этом равно

где K – коэффициент светосбора детектора, η = = 0.1 – квантовая эффективность фотокатода, F – коэффициент, учитывающий долю света, выходящего из сцинтиллятора. Согласно [5] для сцинтиллятора прямоугольной формы (без учета поглощения света в сцинтилляторе и неоднородности светосбора) коэффициент где n – показатель преломления света в сцинтилляторе. При n =1.5 имеем F = 0.76. Точно учесть и принять в расчет поглощение света в сцинтилляторе и неоднородности светосбора в углах детектора трудно, поэтому величина F = 0.5 представляется разумной. Для полученной ранее оценки коэффициента светосбора (K = 0.033) имеем:

Величина наиболее вероятного энерговыделения, соответствующая прохождению одной частицы в числе фотоэлектронов с фотокатода ФЭУ-49 для нового детектора, была определена подсвечиванием фотокатода ФЭУ-49 вспышкой постоянной интенсивности от светодиода L-71113PBC и измерением ширины на половине высоты. Среднее число фотоэлектронов определяется по формуле

где k = 2 – коэффициент, учитывающий дисперсию числа фотоэлектронов на первом диноде ФЭУ-49 [6]. Величина N оказалась равной ~360 фотоэлектронов. Полученное число в 1.14 раза больше проделанной оценки (N = 315). Это расхождение можно объяснить тем, что при оценке числа фотоэлектронов или использован заниженный коэффициент светосбора, или занижена доля света, выходящего из жидкого сцинтиллятора. Энергетическое разрешение детектора в общем случае зависит от флуктуаций ионизационных потерь, коэффициента светосбора, неоднородности и от флуктуаций числа фотоэлектронов на детекторе ФЭУ-49. Среднеквадратическая величина энергетического разрешения детектора где σ₁ = 0.18 – среднеквадратичная ошибка ионизационных потерь Ландау, σ₂ = 0.16 – среднеквадратичная ошибка, обусловленная неоднородностью светосбора, σ₃ = 0.05 – среднеквадратичная ошибка числа фотоэлектронов.

Неоднородность детектора можно улучшить, если использовать пластические бутылки с меньшим размером горлышка. Новый жидкостный сцинтилляционный детектор намного дешевле пластического сцинтилляционного детектора.

Работа выполнена на Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН при поддержке Программы фундаментальных научных исследований Президиума РАН “Физика фундаментальных взаимодействий и ядерные технологии” и Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 16-29-13049 и 16-02-00687).