WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Лубсандоржиев Баярто Константинович Фотоника в космомикрофизических экспериментах 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Акимов Юрий Константинович доктор физико-математических наук Мерзон Габриэль Израилевич.

доктор физико-математических наук Ростовцев Андрей Африканович

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ””

Защита состоится «_»2009 г.

в _часов _мин. на заседании Диссертационного совета Д 002.119.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312 Москва, проспект 60-летия Октября, дом 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН.

Автореферат разослан «»_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.119.01 кандидат физико-математических наук Б.А.Тулупов 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Фотоника – наука об излучении, детектировании и распространении фотонов, получившая бурное развитие за последние 30 лет. Практически все элементы фотоники широко применяются в ядернофизических экспериментах. Особенно активно элементы фотоники используются в экспериментах относительно новой области физики Astroparticle Physics или космомикрофизики, как называют эту область у нас в стране. Элементы фотоники и фотонные методы используются в подавляющем большинстве современных космомикрофизических экспериментов. Как правило, детекторы фотонов являются базовыми детектирующими элементами в этих экспериментах и зачастую используются в огромных количествах. Например, в подземном нейтринном эксперименте Super-Kamiokande используются более 13 тысяч крупногабаритных детекторов фотонов, в эксперименте по исследованию космических лучей ультра высоких энергий Pierre Auger Observatory - в общей сложности около 15 тысяч детекторов фотонов, а в таких будущих нейтринных экспериментах как Hyper-Kamiokande или MEMPHIS планируется использовать уже ~200 тысяч детекторов фотонов, подобных используемым в Super-Kamiokande. Практически во всех экспериментах, где применяются детекторы фотонов, используются и источники фотонов (лазеры, лазерные диоды, светодиоды, разрядные источники света и т.д.) для калибровки экспериментальных установок и тестирования как детекторов в целом, так и отдельных детекторных элементов. Разнообразные сцинтилляторы (твердотельные, жидкие и газовые, органические и нерганические) являются основой многих космомикрофизических экспериментов. Различные оптические среды используются в космомикрофизических экспериментах не только как детектирующие вещества, но и как среды, в которых фотоны распространяются к детекторам фотонов.

Следует особо подчеркнуть, что использование элементов фотоники в таких экспериментах имеет свою яркую специфику. Действительно, только в космомикрофизических экспериментах используются разнообразнейшие детекторы фотонов с размерами от 1 мм до 0,5 м в диаметре. Вряд ли можно найти какую-то другую область экспериментальной физики, где бы использовались такие гигантские объемы оптических сред. В качестве примера можно привести глубоководные и подледные нейтринные телескопы, просматривающие природные объемы воды и массивы льда км3, или детекторы космических лучей высоких и ультра высоких энергий, использующие всю толщу атмосферы в качестве рабочего вещества. Только в космомикрофизических экспериментах используются источники фотонов с таким широким диапазоном амплитуд световых импульсов - от единичных фотонов до 1016 фотонов в импульсе при длительности импульсов от ~10-11c до 10-8с. При этом, эти эксперименты охватывают колоссальный диапазон энергий – от долей эВ, как эксперименты по поиску темной материи и исследованию свойств нейтрино, до 1020 эВ и выше, как эксперименты по изучению космических лучей ультра высоких энергий. Сегодня можно уже с уверенностью говорить, что, как когда-то в 50-е годы прошлого века из недр активно развивавшейся в то время электроники выделилась ядерная электроника, так и в наши дни из не менее активно развивающейся фотоники зарождается новая область экспериментальной науки – ядерная фотоника.

Цель работы.

Целью данной диссертации была разработка и создание элементов фотоники для космомикрофизических экспериментов: детекторов фотонов разного класса, различных наносекундных источников фотонов, калибровочных систем, а также всесторонние исследования этих детекторов и источников фотонов, а также различных физических сред, в которых рождаются и распространяются фотоны.

Научная новизна и практическая ценность работы.

В диссертации приведены результаты работ по разработке и созданию целого ряда элементов фотоники для космомикрофизических экспериментов.

Всего в общей сложности в рамках выполнения диссертационной работы разработано и создано более 30 вакуумных фотодетекторов разного класса, ряд наносекундных источников света различной мощности. Разработаны калибровочные системы ряда экспериментов. Все эти разработки активно используются в ведущих космомикрофизических экспериментах: в глубоководном нейтринном эксперименте на оз.Байкал, в черенковских экспериментах по исследованию первичного космического излучения ТУНКА и QUEST, в эксперименте по поиску двойного безнейтринного бетараспада GERDA.

Впервые разработаны и созданы крупногабаритные детекторы фотонов с полусферическим фотокатодом диаметром 37 см с временным разрешением ~1 нс (FWHM) и однофотоэлектронным разрешением ~30% (FWHM).

Впервые разработан и создан двухканальный оптический модуль для нейтринных телескопов следующего поколения.

Впервые измерена дисперсия света в глубинных водах оз.Байкал.

Впервые измерена кинетика свечения большой серии ультра ярких светоизлучающих диодов, основанных на структурах InGaN/GaN, при прохождении наносекундных импульсов тока большой амплитуды.

Впервые разработаны и созданы источники световых импульсов на базе InGaN/GaN светодиодов с числом фотонов в импульсе 10101012 и с длительностями ~15 нс (FWHM).

На защиту выносятся следующие основные положения:

Разработка и создание методологии измерения характеристик основных элементов фотоники, использующихся в космомикрофизических экспериментах: источников и детекторов фотонов, сред зарождения и распространения фотонов.

Результаты разработок и создания более 30 детекторов фотонов разного класса для космомикрофизических экспериментов. Среди них: серия крупногабаритных вакуумных детекторов фотонов, ставших базовыми фотодетекторами в глубоководном нейтринном телескопе НТ-200 на озере Байкал, наледного черенковского детектора ШАЛ, черенковских детекторов ШАЛ ТУНКА и QUEST; серия классических фотоэлектронных умножителей “ФЭУ БАЙКАЛ” для использования в составе гибридных фотодетекторов.

Разработка и создание оптического модуля Байкальского глубоководного нейтринного телескопа НТ-Разработка и создание глубоководного двухканального оптического модуля для нейтринных телескопов следующего поколения.

Разработка и создание серии крупногабаритных полусферических гибридных детекторов фотонов с временным разрешением ~1 нс (FWHM) и однофотоэлектронным разрешением 30% (FWHM).

Результаты предложенного и выполненного эксперимента по измерению дисперсии света в глубинных водах оз. Байкал в месте расположения глубоководного нейтринного эксперимента.

Разработка и создание калибровочных систем ряда космомикрофизических экспериментов.

Разработку и создание серии наносекундных источников света для калибровочных измерений в черенковских и сцинтилляционных детекторах.

Результаты исследования факторов, влияющих на точность временных и амплитудных измерений с вакуумными фотодетекторами в космомикрофизических экспериментах.

Вклад автора По предложению автора и под его руководством разработаны и созданы более 30 детекторов фотонов различного типа для космомикрофизических экспериментов. Вклад автора был определяющим в разработке и создании серии модификаций детектора фотонов КВАЗАР-370, ставших базовыми фотодетекторами Байкальского глубоководного нейтринного эксперимента и эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА, в проведении исследований разработанных фотодетекторов, в изучении свойств ультра ярких светоизлучающих диодов при прохождении импульсов тока большой амплитуды наносекундной длительности. Вклад автора был решающим в разработках и создании ряда наносекундных источников света различной мощности на основе таких диодов для различных космомикрофизических экспериментов, в разработках и создании калибровочных систем экспериментов ТУНКА-25 и QUEST. Автором предложены методы исследования, отбора и тестирования фотодетекторов для различных космомикрофизических экспериментов.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались на Российской и международных конференциях по космическим лучам в Москве, 1994, Дурбане, ЮАР, 1997, Гамбурге, Германия, 2001; на международных конференциях по новым тенденциям в фотодетектировании в Боне, Франция, 1999, 2005, и Акс-ле-Бане, Франция,2008; на международных конференциях по фотодетекторам в Берлине, Германия, 1998, Париже, Франция, 2000, Эйлате, Израиль, 2006, Замке Рингберг, Германия, 2007; на международной конференции “Advanced Technology & Particle Physics” в Комо, Италия, 2001;

на международных конференциях RICH2002 в Пилосе, Греция, 2002, RICH2004 в Плайя дель Кармен, Мексика, 2004, RICH2007 в Триесте, Италия, 2007; на международной конференции по нейтринным телескопам VLVnT2008 в Тулоне, Франция, 2008.

Под научным руководством автора в рамках выполнения данной диссертационной работы выполнены и защищены 3 кандидатские диссертации.

Публикации. Всего по материалам диссертации опубликовано 71 статья в реферируемых журналах и 37 статей в трудах конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 247 страниц текста, включая 115 рисунков и таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 201 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении показывается, что элементы фотоники играют огромную роль в современных космомикрофизических экспериментах и по существу формируется новая область экспериментальной науки – ядерная фотоника, объединяющая все элементы фотоники и фотонные методы, использующиеся в ядерно-физических экспериментах. Обсуждается актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы. Приводятся основные положения, которые выносятся на защиту, и сведения о том, как данная диссертация прошла апробацию.

В первой главе диссертации описываются крупногабаритные детекторы фотонов серии КВАЗАР, разработанные для глубоководных нейтринных экспериментов. На рис. 1 показан эскиз детектора фотонов КВАЗАР-370Y, который в настоящее время является базовым фотодетектором Байкальского глубоководного нейтринного телескопа. Данный детектор фотонов является гибридным вакуумным фотодетектором, состоящим из электроннооптического предусилителя света с полусферическим фотокатодом диаметром 37 см и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) классического типа с фотокатодом малого диаметра (~3 см). Такой подход позволяет получить прекрасные временные и амплитудные параметры всего фотодетектора в целом: разброс времени пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода составляет 1,82,2 нс (FWHM) и однофотоэлектронное разрешение – 7080% (FWHM). Конструкция детектора фотонов КВАЗАР370Y обеспечивает его чувствительность в телесном угле ~2, при этом уровень неоднородности анодной чувствительности фотодетектора по всему чувствительному полю фотокатода не превышает 10%.

Рис. 1. Детектор фотонов КВАЗАР-370Y.

На базе детектора фотонов КВАЗАР-370Y в сотрудничестве с рядом отечественных предприятий и институтов был разработан и создан оптический модуль Байкальского глубоководного нейтринного телескопа НТ-200. На рис. 2 представлен эскиз оптического модуля. Защитный стеклянный корпус модуля выполнен из боросиликатного безкалиевого стекла С-49-1. Такой глубоководный защитный корпус используется для всех глубоководных модулей нейтринного телескопа НТ-200: как оптических модулей, так и модулей электроники. Оптический контакт детектора фотонов КВАЗАР-370Y с защитной стеклянной сферой осуществляется при помощи химически чистого глицерина или оптического геля. Подготовка и сборка глубоководных модулей требует особой тщательности для обеспечения высокой надежности модулей. Разработанная и хорошо отлаженная методика позволяет подготовить и собрать глубоководный модуль нейтринного телескопа НТ-200 за ~ 20 мин. Нейтринный телескоп НТ-200 состоит из оптических модулей, закрепленных на 7 гирляндах. Телескоп, расположенный в южной части оз.Байкал на расстоянии ~4 км от берега на глубине 1150 м, успешно функционирует с апреля 1998 г.

Рис. 2. Оптический модуль Байкальского нейтринного телескопа НТ-Руководствуясь физическими и конструкционными особенностями детектора фотонов КВАЗАР-370Y, в ИЯИ РАН совместно с ОАО МЭЛЗ была разработана и создана серия фотоэлектронных умножителей “ФЭУ-Байкал-1” на базе серийного ФЭУ-115. Фотоумножители “ФЭУ-Байкал-1” имеют стеклооболочку с внешним диаметром 30 мм при минимальном рабочем диаметре фотокатода 25 мм. В этой серии ФЭУ используются K2CsSb и Na2KCsSb фотокатоды, имеющие в диапазоне длин волн = 400450 нм максимум спектральной чувствительности. Применение в качестве материала входного окна стекла марки УТ-88 и кристаллов MgF2 обеспечивает область спектральной чувствительности фотокатодов этой серии ФЭУ – 150700 нм.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.