Приборы и техника эксперимента, 2021, № 4, стр. 74-78

ВВЕДЕНИЕ

В 2014 г. на Долгопрудненской научной станции (ДНС) Физического института им. П.Н. Лебедева, в рамках международного сотрудничества с учеными Бразилии и Аргентины, разработан аппаратно-программный комплекс “Гамма-спектрометр”, предназначенный для детектирования и определения энергетических спектров вторичных γ-квантов [1]. Данная научная аппаратура установлена в обсерватории CASLEO (Аргентина, S31.47°, W69.17°, высота 2550 м над уровнем моря, жесткость геомагнитного обрезания R_с = 9.8 ГВ), где в настоящее время функционирует комплекс детекторов космических лучей, ранее разработанных на ДНС ФИАН. В 2006 г. была запущена первая установка, регистрирующая заряженную компоненту космических лучей, CARPET [2–7]. В 2015 г. были запущены “Гамма-спектрометр” и установка для регистрации нейтронной компоненты космических лучей “Нейтронный детектор” [8, 9].

В данной работе представлены схемотехнические решения, использованные при разработке “Гамма-спектрометра”, и его характеристики. Также приведена методика калибровки по фоновому излучению.

УСТРОЙСТВО АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА

“Гамма-спектрометр” содержит четыре детектирующих модуля (рис. 1), в основе которых лежит сцинтилляционная сборка 12S12/3.VD.HVG. PA производства фирмы ScintiTech (http://www. scintitech.com/). В состав сцинтилляционной сборки входят: фотоэлектронный умножитель (ф.э.у.) Hamamatsu R1307 (https://www.hamamatsu.com/ jp/en/product/type/R1307/index.html) диаметром 76 мм, сцинтиллятор NaI(Tl) ∅76.2 мм и высотой 76.2 мм и электронный блок, который состоит из высоковольтного преобразователя, делителя напряжения и предусилителя. Для питания электронного блока необходимы напряжения ±12 В.

Разработанный нами интерфейсный блок (рис. 2) рассчитан на подключение четырех детектирующих модулей через разъемы питания (XR1–XR4) и сигнальные разъемы (XR6–XR9). Первичные напряжения питания ±12 В вырабатываются на преобразователях TML05212 (DA₁ и DA₂). Каждый преобразователь питает по два детектирующих модуля. Выходные напряжения высоковольтных преобразователей сцинтилляционных сборок настраиваются в диапазоне от –200 В до –1500 В, что позволяет устанавливать высокое напряжение для каждого ф.э.у. индивидуально с помощью потенциометров R₁–R₄.

С помощью разъема XR5 сигналы от детектирующих модулей подаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) USB3000 (http://www.r-technology.ru/products/adc/usb3000.php), где преобразуются в последовательность двухбайтовых отсчетов. Каждый отсчет представляет собой число в диапазоне от –8000 до +8000 (максимальное разрешение по амплитуде), что соответствует диапазону сигнала от –5 до +5 В. Так как сигналы от детектирующих модулей являются положительными, на выходе АЦП получается последовательность отсчетов в диапазоне от 0 до 8000. Следовательно, шаг квантования сигнала – 625 мкВ.

Передача данных от АЦП к ПК осуществляется по шине USB. В настройках программного обеспечения можно установить частоту дискретизации АЦП (временное разрешение), шаг квантования сигнала по амплитуде (число каналов) и длительность времени накопления данных каждого файла.

Программное обеспечение ПК последовательно формирует файлы, содержащие данные, полученные в течение заданного интервала времени (длительность). При текущих условиях эксперимента измерения ведутся с установленной длительностью файлов данных 600 с, частотой дискретизации 500 кГц, с энергетическим разрешением 128 каналов.

Каждый файл данных в заголовке содержит информацию о времени начала измерений (UTC), частоте дискретизации АЦП и длительности интервала сбора данных. Далее записывается таблица, в которой указаны номер энергетического канала, число импульсов (γ-квантов), попавших в канал с номером N (дифференциальный спектр), суммарное число γ-квантов, попавших в каналы начиная с номера N + 1 и далее (интегральный спектр), и энергия γ-квантов, соответствующая номеру канала, посчитанная по предварительной калибровке с источниками ⁶⁰Co и ¹³⁷Cs.

КАЛИБРОВКА СПЕКТРОМЕТРА

Детектирующие модули “Гамма-спектрометра” были предварительно прокалиброваны на ДНС ФИАН с помощью источников γ-излучения ⁶⁰Co (1.17 МэВ и 1.33 МэВ) и ¹³⁷Cs (661.7 кэВ). Первичная калибровка была необходима, чтобы корректно подобрать выходные напряжения высоковольтных преобразователей: 775 В для модуля 0, 789 В для модуля 1, 728 В для модулей 2 и 3, которые примерно задают диапазоны детектируемых энергий γ-квантов 50 кэВ–3.5 МэВ для модулей 0 и 1 и 50 кэВ–5 МэВ для модулей 2 и 3. Однако данная калибровка не может считаться окончательной, так как проведена в лабораторных условиях и не учитывает аппаратурный эффект – влияние температуры на выходное напряжение высоковольтных преобразователей.

Для иллюстрации температурного эффекта на рис. 3 приведены графики двух дифференциальных спектров для детектирующего модуля 0: спектр 1, полученный методом наложения эпох всех десятиминутных спектров за январь 2020 г., спектр 2 – по данным за июнь 2020 г.

Было необходимо разработать методику непрерывной калибровки спектрометра по имеющимся в распоряжении данным, которая учитывает температурный эффект и не требует дополнительных устройств, так как установка работает в автономном режиме. Для калибровки можно использовать спектральные линии радиоактивных веществ, находящихся в почве. В качестве калибровочных источников γ-излучения использованы изотопы: ⁴⁰K, ²¹⁴Bi, ²⁰⁸Tl [10]. На рис. 3 выделены ориентировочные окрестности спектральных линий данных изотопов. В энергетическом диапазоне ~0–0.4 МэВ преобладает комптоновское рассеяние энергичных γ-квантов, поэтому при калибровке он не используется. Предпоследний энергетический пик, лежащий в диапазоне примерно (65–75)-го номера каналов, является следствием образования электрон-позитронных пар и также не учитывается [11].

Из графиков (рис. 3) видно расхождение между линиями изотопов в спектре, которое увеличивается с ростом энергии (номера канала).

К имеющимся шести спектральным линиям добавляется начальное условие: E(U) = 0 при U = 0. В результате получается 7 известных точек E_n: E₀(U₀ = 0), E₁(U₁), …, E₆(U₆), разделяющих весь спектральный диапазон детектирующего модуля на 6 интервалов, значения энергий внутри которых будем заполнять кусочно-линейной функцией:

где E(U) – значение энергии, соответствующее номеру канала U; E_n – начальное значение энергии в данном интервале, соответствующее номеру канала U_n; k_n – коэффициент наклона данной интерполяционной прямой: где E_n + 1 – конечное значение энергии в данном интервале, соответствующее номеру канала U_n + 1.

Для демонстрации методики рассмотрим произвольный отрезок времени, например, 01.01.2018 с 01:00 до 02:00 часов UTC (рис. 4). По наиболее выделяющимся пикам, соответствующим ⁴⁰K, хорошо заметно, что чувствительность детектирующих модулей 0 и 1 выше, чем чувствительность детектирующих модулей 2 и 3, вследствие более высоких установленных напряжений на ф.э.у.

По данной методике спектры, полученные детектирующими модулями, были разбиты на 6 интервалов, в каждом из которых по формулам (1) и (2) получены значения энергий γ-квантов в зависимости от номера канала (рис. 5). На графиках рис. 5 заметно некоторое отличие абсолютных значений темпов счета детектирующих модулей, которое, при необходимости, может быть устранено с помощью взаимной нормировки по данным одновременных измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены описание и схемотехническая реализация установки для детектирования потоков γ-излучения – “Гамма-спектрометр”, непрерывно функционирующей в астрономическом комплексе CASLEO с 2015 г. по настоящее время. Для комплексного анализа экспериментальных данных этой установки разработана методика калибровки и пересчета измеряемых значений номеров канала аналого-цифрового преобразователя в энергию γ-квантов, основанную на природных фоновых источниках γ-излучения.

Данная установка представляет особый интерес для исследования процессов генерации γ-излучения в грозовых облаках и от молниевых разрядов (так называемые TGF- и TLE-события) [12].