Система регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней Российский патент 2018 года по МПК G01T1/22 

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для измерения параметров широкого атмосферного ливня от космических лучей сверхвысоких энергий.

В настоящее время Якутская установка широких атмосферных ливней (ШАЛ) является ведущей в России и одной из крупнейших установок в мире для исследования космических лучей с энергией выше 10¹⁵ электрон-вольт (эВ). При этом только на Якутской установке ШАЛ реализовано одновременное измерение трех главных компонент ливня: потоков электронов, мюонов и черенковского излучения ШАЛ. Это позволяет получить наиболее надежные оценки массового состава космических лучей в широком диапазоне энергий. Аналогичные зарубежные установки для изучения ШАЛ имеют ряд ограничений. Например, установки KASCADE-GRANDE (Германия, закрыта в 2009), Tibet (Китай) измеряют частицы с предельными энергиями до 10¹⁷ эВ. Обсерватория Pierre Auger - построена международной коллаборацией институтов из 17 стран в южном полушарии, в Аргентине, планировалось строительство второй части в северном полушарии, но остановлено на неопределенный срок. Южная установка состоит из 1600 детекторов заряженной компоненты (водные баки, обозреваемые фотоэлектронными умножителями), размещенных на площади 3000 кв. км с раздвижением 1.5 км между детекторами. Пространство над установкой просматривается 4 детекторами флуоресцентного свечения от ливня в атмосфере. Характеристики ШАЛ восстанавливаются по измерениям распределения заряженных частиц на поверхности земли и по измерениям продольного развития ливня в атмосфере (сайт установки https://www.auger.org). Установка Telescope Array в штате Юта создана коллаборацией университетов из разных стран (сайт установки http://www.telescopearray.org). В эксперименте Telescope Array, также, как и в обсерватории Pierre Auger, используется «гибридный» метод измерения заряженной компоненты ливней и флуоресцентного свечения. Отличие в том, что наземные детекторы – сцинтилляторы площадью 3 кв. м, размещенные на площади 700 кв. км с раздвижением 1.2 км. На этих двух установках исследуются КЛ предельных энергий, выше 10¹⁷ эВ. Якутская установка ШАЛ имеет ограниченные возможности исследования КЛ с энергиями Е>10¹⁹ эВ по причине значительно меньшей площади (8 кв. км в настоящее время). Строящаяся в настоящее время группой институтов из России, Германии и Румынии установка TAIGA в долине Тунка имеет меньшую площадь (Установка Тунка-133 с дополнительными 6 кластерами имеет эффективую площадь для 10¹⁷ эВ и выше около 3 кв. км), чем Якутская и измеряет черенковское излучение ШАЛ. В комбинации с детекторами гамма-излучения HiSCORE (планируемая площадь установки 100 кв. км) группа планирует искать гамма-источники в диапазоне энергий выше 10 ТэВ и источники космических лучей в области 10¹⁴<E <10¹⁸ эВ. Из всех упомянутых установок только Якутская позволяет охватить измерениями область энергий от 10¹⁵ до 10¹⁹ эВ с помощью одного прибора, единой методикой, в пределах которой происходит переход от галактической к внегалактической компоненте космических лучей. Поэтому экспериментальные результаты по энергетическому спектру и оценка массового состава, выполненные единой методикой во всем этом интервале энергий, и сопоставление данных эксперимента с теоретическими предсказаниями позволяют сделать обоснованное заключение об основных источниках галактических космических лучей, и в то же время, провести исследования в переходной области от галактической компоненты космических лучей к внегалактической. Необходимо также отметить, что установки в Якутске, обсерватория Pierre Auger и Telescope Array дополняют друг друга в исследовании направлений прихода космических лучей сверхвысоких энергий, поскольку области обзора небесной сферы у них разные.

Единственным способом изучения свойств космических лучей с энергией выше 10¹⁵ эВ является регистрация ШАЛ, порождаемых такими первичными частицами, различными способами. Наиболее проработанной и эффективной методикой регистрации ШАЛ является регистрация с помощью наземных установок. Преимущество наземных установок состоит в широком диапазоне регистрируемых энергий космических лучей, способности детектировать различные виды вторичных ливневых частиц (компоненты ливня), а также в их относительной дешевизне по сравнению с альтернативными методами (космические наблюдения). Черенковское излучение ШАЛ является одним из основных источников информации о свойствах космических лучей сверхвысоких энергий. Наземные установки ШАЛ требуют наличия коммуникаций различного рода, а значит подразумевают наличие населенного пункта. Одной из наиболее распространенных проблем во время регистрации оптическими методами является паразитная засветка фотоэлектронных умножителей, выступающих в качестве детекторов. Засветка уменьшает полезное время работы и апертуру детекторов или значительно повышает порог регистрации, затрудняет калибровку приборов, а значит - уменьшает статистику. Выходом из ситуации может быть изобретение «Способ регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней» № 2635408 дата регистрации 13 ноября 2017г. Однако у такого способа есть и свои недостатки, например, относительно высокая стоимость в следствии необходимости покупки беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в количестве равном необходимому числу детекторов.

Целью изобретения является повышение эффективности экспериментального оборудования, используемого в решении задач фундаментального исследования. Это достигается тем, что детекторы черенковского света устанавливаются на мобильные платформы, транспортируемые БПЛА, либо другими способами, позволяющими произвольно варьировать конфигурацией системы.

Впервые в мире будет применена методика детектирования черенковского света от широких атмосферных ливней с помощью черенковских детекторов, установленных на мобильные платформы, транспортируемые беспилотниками. Это позволит оперативно менять конфигурацию имеющейся установки ШАЛ, меньшим числом БПЛА, так как один БПЛА может транспортировать несколько платформ с детекторами. Особенно актуальны мобильные детекторы в условиях соседства с населенными пунктами, создающими паразитный световой фон и как следствие уменьшающие полезное время наблюдений, уменьшающие статистику. Увеличив, расстоянием между детекторами и населенным пунктом мы увеличим время наблюдений и соответственно статистику. Непосредственно перед началом регистрации, беспилотный летательный аппарат будет доставлять детекторы к месту назначения и возвращаться назад за следующим. А после окончания забирать детекторы с указанных геоточек, и возвращаться в центральный пункт регистрации на подзарядку. Сведение времени нахождения в суровых полевых условиях до необходимого минимума что значительно уменьшить износ приборов, а также защитить от случайных инцидентов (разлив реки, повреждения от транспортных средств). Передача данных осуществляется по стандартам WiMax и GSM, для получения информации в реальном времени, кроме того накопленную информацию можно будет извлечь и вручную во время дневной зарядки аккумуляторов. Прибор GPS также будет использован для временной синхронизации. Предполагается использовать пассивные источники питания, в условиях низких температур разумно будет использовать LiFePO₄ аккумуляторы, обладающие меньшей емкостью, но устойчивые к низким температурам. В качестве наблюдающей камеры впервые на Якутской установке ШАЛ будут опробованы кремниевые твердотельные фотоумножители (например, http://www.ait-instruments.com), обладающие небольшой массой и низким энергопотреблением (низким напряжением питания 12 В по сравнению с обычными фотоэлектронными умножителями 1-2 кВ), цена на которые пока высока, но постоянно снижается. Таким образом, мы не только улучшаем потенциал уже имеющейся у нас комплексной установки широких атмосферных ливней, но и закладываем фундамент для будущей модернизации и возможно для нового типа установок, состоящих из детекторов, установленных на беспилотные летательные аппараты, которые могут быть применены в любом месте. Мобильные платформы могут быть перевезены к другим гигантским установкам ШАЛ и использованы для кросса калибровки (например, Tunka array, Telesope array, Pierre Auger observatory). Что позволит нормировать детекторы различных установок между собой и тем самым устранить разногласия между их данными.

Возможность двусторонней передачи данных на расстоянии позволяет наладить систему фильтрации событий, что позволит сэкономить места на носителях информации. Разработать сеть черенковских детекторов на радиоуправляемых квадрокоптерах.

Одной из нерешенных проблем происхождения космических лучей сверхвысоких энергий является массовый состав ядер в потоке космических лучей. Имеются противоречивые сведения о средней массе ядер, полученные по измерениям глубины максимума ШАЛ и ее флуктуаций по данным обсерватории Pierre Auger, Telescope Array и Якутской установки ШАЛ (E. Barcikowski et al., Mass composition working group report. EPJ Web of Conferences 53, 2013 01006). Измерения черенковского света детекторами на мобильной платформе будут проводится впервые в мире. Экспериментальное исследование космических лучей таких энергий возможно лишь, посредством регистрации ШАЛ – каскадов вторичных элементарных частиц, порождаемых частицами первичного космического излучения в результате сильных и электрослабых взаимодействий с ядрами атомов в атмосфере, так как интенсивность первичного космического излучения чрезвычайно низкая. Прежде всего, остаются не установленными состав и источники космических лучей. Данные экспериментов HiRes(США) и Telescope Array указывают на протонный состав космических лучей с энергией выше 10¹⁹ эВ. Тогда как данные Якутской установки ШАЛ, по доле мюонов, и обсерватории Pierre Auger по глубине максимума, указывают на увеличение доли тяжелых ядер с ростом энергии при этих энергиях. Несмотря на относительно небольшую статистику (несколько тысяч событий), это противоречие достаточно значимое.

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для измерения параметров широкого атмосферного ливня от космических лучей сверхвысоких энергий. Система регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней состоит из детекторов черенковского излучения, беспилотных летательных аппаратов, при этом детекторы черенковского излучения устанавливаются на мобильные платформы, которые можно транспортировать, в том числе, и беспилотными летательными аппаратами. Технический результат – повышение эффективности экспериментального оборудования.

Система регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней, состоящее из детекторов черенковского излучения, беспилотных летательных аппаратов, отличающаяся тем, что с целью увеличения эффективности детекторы черенковского излучения устанавливаются на мобильные платформы, которые можно транспортировать, в том числе, и беспилотными летательными аппаратами.