Использование Si-ФЭУ в детекторе нейтрино сверхвысоких энергий
Введение
Одной из актуальных задач современной экспериментальной астрофизики является регистрация сверхэнергетических космических лучей с помощью хорошо известных методов (методе, основанном на эффекте Черенкова-Вавилова, методе наблюдения флюоресценции атмосферы и методе регистрации радиоволн). Большинство проведенных ранее экспериментов были сфокусированы на регистрации потоков космических лучей нисходящих из атмосферы, направленных вертикально или под углом. Ни одна из существующих экспериментальных методик не использует временную информацию для различения частиц, движущихся в восходящем и нисходящем направлении, используя времяпролетный (Time Of Flight (TOF)) метод. Вакуумные фотоумножители (ФЭУ) являются традиционными детекторами фотонов. Не так давно изобретенные кремниевые фотоумножители (Si-ФЭУ) являются альтернативой традиционным ФЭУ. Детекторы Si-ФЭУ представляют собой массив лавинных фотодиодов, работающих в гейгеровском режиме. Si-ФЭУ обладают преимущественными характеристиками, такими как: компактный размер, высокая квантовая эффективность, хорошее энергетическое разрешение, быстрое время отклика (<100 пс), высокие коэффициенты усиления (~106), а также очень низкой потребляемой мощностью и рабочим напряжением смещения. В настоящей работе представлены результаты исследования прототипа детектора, установленного в высокогорной (~3800 метров над уровнем моря) обсерватории Сфинкса в Швейцарии в ноябре 2012 года.
Описание прототипа детектора и характеристик используемых Si-ФЭУ
Прототип детектора, установленного в обсерватории Сфинкса, состоит из двух идентичных сцинтилляционных блоков, получивших название «башни», размещенных на расстоянии 160 см друг от друга, как показано на рисунке 1. Каждая башня включает в себя панель из органического сцинтиллятора (с размерами 20 x 20 см2 и толщиной 1.4 см) от компании Kuraray (Япония). Телесный угол каждой башни составляет ~ 4*10-2 ср, при этом зенитный угол составляет ±7.5°. Геометрический фактор каждой из башен равен 255 см2ср.
Рисунок 1. Прототип детектора, установленного в обсерватории Сфинкса для тестирования методики, позволяющей определять траекторию движения частиц (восходящая/нисходящая), а также для исследования детектора в суровых климатических условиях.
Используемый сцинтиллятор обладает превосходными свойствами с точки зрения получения прецизионной синхронизации. Пик на спектре излучения сцинтиллятора располагается на длине волны 430 нм. Каждая сцинтиляционная панель обернута нетканным материалом Tyvek компании DuPont (США) для рассеяния отраженного света. Для считывания сигнала со сцинтиллятора использовались кремниевые фотоумножители компании SensL с размером активной области 3x3 мм2. Эти кремниевые фотоумножители чувствительны к УФ-области спектра, а также обладают малой шириной импульса (полная ширина на половине высоты (ПШПВ) <2 нс). Рабочее напряжение смещения использованных Si-ФЭУ составляло 29.5 В с динамическим диапазоном после напряжения пробоя ~ 1 В, в температурном диапазоне от -20 0С до 20 0С. Коэффициент усиления составлял 2.3*106. Сигнал с Si-ФЭУ был оцифрован с помощью АЦП «Domino Ring Sampler Board (DRS4)». Обработка данных была основана на дискретизации формы сигнала с частотой дискретизации 2 Гвыб/с в течение временного окна 2.5 мкс. Предназначение данного детектора – отбирать частицы, движущиеся горизонтально времяпролетным методом для детектирования тау-ливней, образованных в результате взаимодействия нейтрино с земной корой. Разрешение используемого в работе времяпролетного метода ~0.5 нс. Стоит отметить, что детектор находился в жестких климатических условиях. Кремниевые фотоумножители компании SensL были установлены на одну плату со считывающей электроникой, соединенной с усилителем S454+ компании Mini-Circuits (США), работающим в диапазоне частот 0.05- 4 ГГц, обладающим ультранизким шумом, рабочими температурами от -40 0С до 85 0С и генерирующим 390 мВт тепловой энергии. Компоненты детектора, в частности усилитель, генерируют тепло внутри корпуса, поэтому для предотвращения замерзания компонентов детектора, теплота может быть задержана с помощью теплоизолятора. В работе использовался экструдированный пенополистирол (XPS) от компании Jakodur (Германия) с теплопроводностью 0.034 Вт/(м•K).
Утеплитель состоит из трех слоев: первый слой – Jakodur с толщиной 10 см, второй слой - двусторонний ПВХ с толщиной 3 мм, с теплопроводностью 0.19 Вт/(м•K), третий слой - Jakodur с толщиной 5 см. Термическое сопротивление первого слоя Rt1 = (0.1 м)/(0.034 Вт/(м•K)) = 2.94 м2 K/Вт; второго слоя Rt2 = (2•3•10-3 м)/(0.19 Вт/(м•K)) = 0.032 м2 K/Вт; термическое сопротивление третьего слоя Rt3 равно половине значения термического сопротивления Rt3= 1.47 м2 K/Вт. Суммарное термическое сопротивление теплоизолятора Rs=4.44 м2 K/Вт, а суммарный коэффициент теплопроводности теплоизолятора K= 1/ 4.44 = 0.23 Вт/(м2•K).
Полная площадь поверхности корпуса составляет 0.15 м2. Принимая генерируемую тепловую мощность внутри детектора около 390 мВт, поток тепла в ваттах из каждого детектора составляет Φ = A × U × [Tin-Tout], где А - площадь в м2, U - скорость переноса тепла в Вт/м2, Tin,Tout - температуры внутри и снаружи корпуса соответственно. Разница температур может быть найдена по формуле:
Tin− Tout= 390 × 10– 3 Вт / 0.15 м2•0.23 Вт/(м2•K) = 11.3 K
За время проведения эксперимента внешняя температура менялась от -25 0С до -5 0С, что отвечает колебаниям температуры внутри корпуса от -13 0С до 6 0С.
Влияние температуры на работу Si-ФЭУ
В работе использовались Si-ФЭУ серии 30035 компании SensL с активной площадью 3x3 мм2 и размером микроячейки 35 мкм. Кросстолк (вероятность дублирования заряда микроячейки) составлет 20%, время восстановления микроячейки равняется 130 нс, квантовая эффективность составляет 14%. Использовались Si-ФЭУ как с быстрым выводом (серия F), так и со стандартным выводом (серия S). Была исследована зависимость коэффициента усиления от температуры. Результаты исследований представлены на рис. 2 и 3. Зависимость напряжения пробоя от температуры была оценена с помощью изменения температуры, исходя из расстояния между двумя первыми пиками на одноэлектронном спектре, показанном на рисунке 2, снятом при 0 0С путем изменения напряжения.
Рисунок 2. Одноэлектронной спектр Si-ФЭУ SensL 30035, полученный при -5 0С. Точечными линиями выделены первый и второй фотоэлектроны, причем расстояние между пиками, измеренное в мВ пропорционально коэффициенту усиления Si-ФЭУ. Максимальное значение на оси абсцисс соответствует 2 мВ. Сверху представлена соответствующая осциллограмма.
Рисунок 3. Зависимость чувствительности Si-ФЭУ от температуры. Из наклона аппроксимирующей линии, построенной по экспериментальным точкам следует, что чувствительность падает с повышением температуры на 10% каждые 10 0С.
Результаты показаны на рисунке 4. Полученная зависимость является линейной с наклоном ~30 мВ/0С (зависимость включает изменение параметров усилителя с температурой). В проведенных тестах мы не использовали датчик температуры для подстройки напряжения при изменении температуры. Прототип платы с контролируемым напряжением с помощью аппаратной вычислительной платформы Arduino с помощью последовательного периферийного интерфейса (SPI) был разработан на физическом факультете Римского университета Ла Сапиенца.
Рисунок 4. Зависимость рабочего напряжения от температуры. Наклон аппроксимирующей линии, построенное по экспериментальным точкам соответствует 50 мВ/0С.
Система сбора данных (DAQ) и измерение событий
Сигналы с Si-ФЭУ обрабатывались с помощью АЦП DRS4. АЦП запускается передним фронтом импульса с Si-ФЭУ. При этом любой импульс с Si-ФЭУ, превышающий установленную амплитуду импульса, вызывает срабатывание триггера. Данные экспериментов сохранялись на диск компьютера для дальнейшего анализа. Импульсы, вызванные космическими лучами, элементарно отличались от шума Si-ФЭУ, т.к. имели намного превосходящую амплитуду, представлявшие собой отрицательные пики напряжения. Когда космические лучи попадают в оба детектора, сигналы с Si-ФЭУ детекторов будут регистрироваться в определенном временном окне. Такие «совпадения» принимаются за детектирование космических лучей. Алгоритм отбора - важный вопрос, когда существует возможность «случайно совпадающих событий». В этой работе использовались следующие критерии для поиска ожидаемых событий регистрации космических лучей; первое - амплитуды сигналов на обоих детекторах должны быть больше предустановленного порогового напряжения; второе - оба события должны регистрироваться в течение временного окна 516 нс. В работе было найдено оптимальное предустановленное напряжение, при котором триггер не срабатывал на события, связанные с шумом. За 474 часа непрерывной съемки, триггер сработал 31 раз, передачи были зарегистрированы (зенитный угол составлял θ= 93.3°).
Времяпролетный алгоритм и определение направления
Сохраненная информация совпадающих форм импульсов в 516 нс временном окне была проанализирована и каждой присвоена своя метка. Использовавшийся алгоритм, можно описать следующим образом: сначала ищется максимальное значение импульса, затем сохраняются 6 точек на спектре (с координатами время и напряжение) на переднем фронте импульса, начиная с точки, имеющей максимальное значение, в обратном направлении. После этого полученные точки аппроксимируются прямой линией, используя метод наименьших квадратов. Под меткой времени понимается точка пересечения касательной экспериментальных точек с временной шкалой. Как только время регистрации импульса установлено, время полета между двумя счетчиками может быть определено. На рисунке 5 проиллюстрирована эта методика на примере детекторов на основе органических сцинтилляторов Kuraray и Si-ФЭУ SensL.
Рисунок 5. Времяпролетная методика определения траектории движения частиц. На рисунке представлены сигналы с двух детекторов С1 и С2. Разница во времени регистрации частиц детекторами составила 5.2 ± 0.25 нс.
Цель данной работы - детектирование движущихся в нисходящем направлении космических лучей с зенитным углом 86 °. На рисунке 6 представлены различия во временах детектирования сигнала на каждом детекторе. Так как детектор обладает хорошим разрешением, прототип детектора способен различать направления траекторий ливней с помощью описанной времяпролетной методики. На рисунке 6 представлены три пика, отделенные один от другого. Пик на +5 нс является общим пиком, отвечающим частицам, движущимся в нисходящем направлении из атмосферы под углом 86.7°. Небольшие пики на 0 нс и +2 нс относятся к вертикально движущимся и движущимся в нисходящем направлении частицам соответственно.
Рисунок 6. Разница во времени регистрации частиц, направленных под зенитными углами 93.3°, детекторами С1 и С2.Представленная информация была получена в процессе непрерывной съемки в течение 484 часов. Небольшие пики на 0 нс и +2 нс относятся к вертикально движущимся и движущимся в нисходящем направлении частицам соответственно. Поток частиц, движущихся вертикально был ослаблен железной крышей толщиной 1.5 мм. Обозначение осей: Ось X- Разница во времени регистрации частиц, нс; Ось Y- Количество событий.
Тестирование триггера напряжения
Так как прототип детектора располагается на непоглощающей терассе, скорость срабатывания триггера на каждом детекторе очень высока, порядка 3 ± 0.2 мГц. Следуя изложенной выше методике поиска совпадающих событий, скорость счета совпадающих событий при указанном одиночном срабатывании счетчиков, равна ~0.2 мГц. Цель этой операции - исследовать зависимость предустановленного напряжения срабатывания на среднюю скорость срабатывания триггера. В работе было найдено, что если выставить напряжение срабатывания между 50 и 30 мВ, скорость срабатывания является константой в пределах ошибки.
Выводы и перспективы
В последние 10 лет кремниевые фотоумножители (Si-ФЭУ) были значительно усовершенствованны. Новое поколение детекторов фирмы SensL позволяет получать высококачественный аналоговый сигнал на выходе и достигать высокого временного разрешения благодаря очень быстрому отклику. Тесты проведенные на высоте порядка 3800 м над уровнем моря в обсерватории Сфинкса показали, что Si-ФЭУ являются хорошей альтернативой традиционным ФЭУ для использования их в детекторах космических частиц. Прототип детектора продемонстрировал возможность различения частиц, движущихся в восходящем и нисходящем направлении, используя времяпролетный (Time Of Flight (TOF)) метод. Результаты тестов показали, что прототип детектора может надежно и бесперебойно работать в жестких климатических условиях. В дальнейшем планируется разработать систему для подстройки рабочего напряжения при изменении температуры с помощью системы Maxim 1932, электронно-управляемой с помощью Arduino Mega board. Эта система уже была протестирована в лаборатории.
