МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Государственное бюджетное образовательное учреждение
Лицей № 1511
при НИЯУ МИФИ
Научно-образовательный центр НЕВОД
Отчёт по проекту:
«Создание портативного детектора для регистрации широких атмосферных ливней»
Выполнил: ученик 11А2 класса Лицея 1511 при НИЯУ МИФИ
Николаенко Роман Владимирович
Руководители работы:
Воробьев Владислав Станиславович, инженер НОЦ НЕВОД НИЯУ МИФИ
Задеба Егор Александрович, ассистент НОЦ НЕВОД НИЯУ МИФИ
Москва, 2018 г.
Содержание
Введение. 3
Проект портативного детектора широких атмосферных ливней. 4
Фотоэлектронный умножитель. 5
Усилитель-формирователь. 6
Считывающее оборудование. 7
Сборка счетчиков. 8
Заключение. 10
Используемая литература. 10
Введение
Космические лучи – это заряженные и нейтральные частицы, которые приходят к верхней границе атмосферы Земли, родившиеся и ускоренные до высоких энергий в космических объектах или в космическом пространстве [1]. Для того чтобы ответить на вопросы об источниках, механизмах ускорения и распространения космических лучей высоких и сверхвысоких энергий во Вселенной, необходимо знать их энергетический спектр и массовый состав. Единственным источником информации о характеристиках потока и взаимодействия КЛ в области энергий выше 1015 эВ являются широкие атмосферные ливни (ШАЛ), формирующиеся в результате развития ядерно-каскадного процесса в атмосфере. Широкие атмосферные ливни рождаются в столкновениях частиц первичных космических лучей с ядрами атомов воздуха на высотах 15 – 20 км, определяемых длиной ядерного взаимодействия. При этом вторичные частицы, образовавшиеся в первом акте взаимодействия, рождают мягкую (электронно-фотонную), проникающую (мюонную) и ядерно-активную компоненты (рис.1) [2].
На поверхности Земли электроны и позитроны составляют наибольшее число заряженных частиц. Количество мюонов составляет менее 10 % от числа электронов.
Рисунок 1. Компоненты ШАЛ.
Проект портативного детектора широких атмосферных ливней
Задача проекта – создание портативного кластера из 4 сцинтилляционных счетчиков для регистрации ШАЛ, пригодного для размещения в любых жилых и производственных помещениях. Данная работа направлена на решение проблемы создания крупномасштабных установок для регистрации ШАЛ в городских условиях. С одной стороны, в пределах города в любой точке доступно питание для детекторов и системы связи, с другой требуется специально подготовленное место для установки детекторов и разрешения на подключения к сетям. Созданная на основе таких кластеров сеть может превзойти все существующие установки по регистрации ШАЛ по диапазону энергий регистрируемых первичных космических лучей.
Для регистрации мюонной и электронной компоненты ШАЛ в данных счетчиках используется сцинтиллятор – это особое вещество, обладающее способностью излучать свет при прохождении ионизирующего излучения. Свет регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).
Блок пластикового сцинтиллятора
Основным детектирующим элементом является блок пластикового сцинтиллятора с канавками, в который помещается спектросмещающее оптическое волокно. Светосбор с блока осуществляется с помощью оптоволокна– это нити из оптически прозрачного материала (пластик), используемые для переизлучения и передачи света на большие расстояния за счёт слоистой структуры. Блок пластикового сцинтиллятора приведен на рис.2.
Рисунок 2. Блок пластикового сцинтиллятора.
Фотоэлектронный умножитель
В качестве фотоприёмника в данном детекторе используется фотоэлектронный умножитель ФЭУ-85, способный регистрировать слабые вспышки света, преобразуя их в электрические сигналы[3]. На рис.3 показана фотография и устройство ФЭУ. ФЭУ представляет собой стеклянную вакуумную колбу, внутри которой располагаются фотокатод, система динодов и анод. Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженных частиц, по оптоволокну достигают ФЭУ и через стекло входного окна попадают на фотокатод. В результате фотоэффекта из фотокатода вылетает фотоэлектрон. Ко всем электродам ФЭУ приложена разность потенциалов т.о, фотоэлектроны, ускоренные электрическим полем, направляются в систему динодов, где выбивают ещё электроны и образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, приходящую на анод. Обычно число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного фотоэлектрона составляет 105 – 107, что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс.
а) 
б) 
Рисунок 3. Фотография (а) и схема устройства ФЭУ-85 (б).
Усилитель-формирователь
Для отбора сигналов, поступающих с ФЭУ, по амплитуде и дальнейшей работы с ними был разработан усилитель-формирователь (рис.4). Он состоит из трех основных компонентов: операционного усилителя (ОУ), компаратора и ждущего мультивибратора. Операционный усилитель увеличивает амплитуду выходного сигнала с ФЭУ в ~4 раза. Это способствует более корректной и стабильной работе следующего элемента – компаратора.
Рисунок 4. Схема усилителя-формирователя.
На порог компаратора подключен переменный резистор в виде резистивного делителя R3 и R4, при помощи которого можно плавно изменять пороговое напряжение. В случае если амплитуда сигнала с операционного усилителя превышает данное пороговое значение, компаратор на своем выходе выдает 5-вольтовый импульс (логическую единицу), такой же длительности, как исходный сигнал.
Последний компонент схемы - ждущий мультивибратор – увеличивает длительность этого импульса в соответствие со схемой подключения (рис.) в 
раз (в схеме реостат отрегулирован на длительность 10 мкс).
Считывающее оборудование
Оборудование для считывания, обработки сигнала и передачи информации представлено электронной платформой Arduino Uno с wi-fi модулем esp8266. Arduino-это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств с простым языком программирования[4]. Плата оснащена множеством портов входы/выходов, включающие цифровые и аналоговые. Технические характеристики Arduino являются причиной, по которой необходимо было разработать усилитель-формирователь. Тактовая частота работы Arduino не позволяет ей корректно считывать сигналы с выхода ФЭУ (их длительность составляет всего ~12нс). Поэтому с помощью усилителя-формирователя сигнал преобразуется в цифровой и удлиняется до необходимой длительности 10 мкс. К Arduino подключается wi-fi модуль esp8266. Когда платформа считывает электрический импульс с усилителя-формирователя, по wi-fi соединению на удаленный сервер отправляется информация о срабатывании счетчика.
Рисунок 5. Arduino uno (слева) и wifi модуль esp8266 (справа).
Сборка счетчиков
По эскизам на основе 3D-модели были сделаны детали корпуса детектора, в качестве материала использовались листы фанеры толщиной 8 мм. Корпус детектора – короб, размерами 270×460×66 мм3, поделенный креплением ФЭУ на два отсека: в одном закреплен сцинтиллятор, упакованный в светоотражающую плёнку, с оптоволокном, в другом размещено все остальное оборудование. Питание компонентов детектора обеспечивает свинцовый аккумулятор с выходным напряжением +12В. С помощью генератора Кокрофта на ФЭУ подается высокое напряжение (~1кВ).
Рисунок 6. Вид собранного счетчика.
Таким же образом были собраны еще 3 счетчика для образования кластера, способного к непосредственной регистрации ШАЛ.
Рисунок 7. Вид собранного кластера, готового к работе.
По результатам трехчасовой работы кластера было построено распределение числа событий по скорости счёта регистрации ШАЛ (Рис.8). Полученная средняя частота ШАЛ ~ 3,4 мин-1.
Рисунок 8. Распределение числа событий ШАЛ по скорости счета.
Заключение
В результате работы собраны и протестированы четыре портативных сцинтилляционных счетчика, образующих детектор широких атмосферных ливней. Данная конструкция не требует никакого внешнего оборудования и проста в транспортировке и размещении. По данным, полученным в ходе тестирования детектора, построено распределение числа событий и получена средняя частота ШАЛ.
Используемая литература
1. Гальпер А.М. Космические лучи. - 2-е изд., исп. и доп. М.: МИФИ, 2002.
2. Peter K.F. Grieder. Cosmic rays at Earth. Elsevier, Science B.V. (2001) p. 22.
3. Групен К. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск. 1999
4. https://www.arduino.cc/