WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В данных ФЭУ используются 10-, 11- и 13-каскадные ковшеобразные динодные системы с жесткими или гибкими выводами, а сами диноды изготовлены либо из сплава Al-Mg-Ti-Sr либо имеют напыленный состав CsSb3. Отношение пик/долина зарядовых распределений однофотоэлектронных импульсов составляет 1.31.5. Время нарастания импульса анодного тока - ~2 нс. Разброс времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода - ~1.6 нс (FWHM).

В целях улучшения параметров детектора фотонов КВАЗАР-370 были разработаны и созданы ряд его модификаций. Эти модификации связаны, в первую очередь, с использованием новых сцинтилляционных материалов в составе люминесцентного экрана детектора фотонов КВАЗАР-370.

Наилучшие результаты на сегодняшний день достигаются в модификациях с сцинтилляторами YAP, SBO и LSO (КВАЗАР-370YAP, КВАЗАР-370SBO, КВАЗАР-370LSO): временное разрешение при однофотоэлектронной засветке ~11,2 нс (FWHM) и однофотоэлектронное разрешение ~3040% (FWHM). Эти детекторы фотонов наиболее полно на сегодняшний день отвечают требованиям к фотодетекторам для нейтринных телескопов следующего поколения. На рис. 3а показаны зависимости разброса времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода от ускоряющего напряжения для различных модификаций детектора фотонов КВАЗАР-370. Для детектора фотонов КВАЗАР-370LSO разброс времен пролета фотоэлектронов составляет ~1 нс (FWHM). Зарядовое распределение многофотоэлектронных импульсов фотодетектора КВАЗАР-370LSO показано на рис. 3б. (FWHM).

Рис. 3. а) Зависимость разброса времени пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода от ускоряющего напряжения для различных модификаций детектора фотонов КВАЗАР-370. 1 – КВАЗАР370Y; 2 – КВАЗАР-370SBO; 3 – КВАЗАР-370LSO. б) Зарядовое распределение многофотоэлектронных импульсов фотодетектора КВАЗАР370LSO.

Еще один вид модификаций детектора фотонов КВАЗАР-370 связан с созданием крупногабаритных многоканальных фотодетекторов для нейтринных телескопов следующего поколения. Существующие проекты будущих нейтринных телескопов предполагают многократное увеличение числа базовых фотодетекторов. Таким образом, общая стоимость фотодетекторов становится одной из основных проблем в осуществлении таких проектов. Использование многоканальных фотодетекторов позволило бы не только уменьшить общую стоимость фотодетекторов, но и повысить информативность индивидуальных оптических модулей нейтринных телескопов. Руководствуясь данными соображениями, был разработан и создан двухканальный оптический модуль, основанный на двухканальной модификации детектора фотонов КВАЗАР-370 – КВАЗАР-370-II. Основным элементом этой модификации являются двухканальные фотоэлектронные умножители серии “ФЭУ-Байкал-2”, разработанные в ИЯИ РАН совместно с ОАО МЭЛЗ для использования именно в составе двухканальных детекторов фотонов КВАЗАР-370-II.

Временное разрешение вакуумных фотодетекторов играет важную роль в космомикрофизических экспериментах. Основными факторами, влияющими на точность временных измерений с вакуумными фотодетекторами, являются предымпульсы, задержанные импульсы и послеимпульсы. Задержанные импульсы – это те же основные импульсы, но задержанные на примерно двойное время пролета фотоэлектрона в катодной камере. В этом их принципиальное отличие от послеимпульсов. Возникновение задержанных импульсов объясняется обратным, упругим или неупругим, отражением фотоэлектронов от первого динода, фокусирующих электродов или элементов конструкции ФЭУ. Вероятность появления задержанных импульсов не превышает ~3-4%. Такие же задержанные события наблюдаются в фотоумножителях с микроканальными пластинами (ФЭУМКП) и гибридных вакуумных фотодетекторах. В детекторах фотонов КВАЗАР-370 предымпульсы практически отсутствуют, а вклад задержанных импульсов и послеимпульсов существенно подавлен в силу конструкционных особенностей детектора.

Таким образом, детекторы фотонов КВАЗАР-370 обладают временными и амплитудными характеристиками, сравнимыми с параметрами лучших малогабаритных ФЭУ. Практически отсутствуют предымпульсы, а вероятности появления задержанных импульсов и послеимпульсов существенно подавлены по сравнению с ФЭУ классического типа. Высокая однородность анодной чувствительности этих детекторов фотонов достигается в широком телесном угле (~2). Наконец, характеристики детекторов фотонов КВАЗАР-370 не зависят от магнитного поля Земли. Все вышеперечисленное делает эти детекторы фотонов наиболее близкими к идеальному фотодетектору для гигантских нейтринных детекторов следующего поколения, активно обсуждающихся в последнее время.

Во второй главе представлены детекторы фотонов, разработанные для экспериментов в физике космических лучей. Для широкоугольных черенковских детекторов широких атмосферных ливней (ШАЛ) был разработан гибридный вакуумный детектор фотонов КВАЗАР-370G. Данный фотодетектор представляет собой специальную модификацию детектора фотонов КВАЗАР-370. Основным отличием этой модификации является использование нового сцинтиллятора Y2SiO5:Ce+BaF2 в люминесцентном экране детектора фотонов и применение специализированного ФЭУ, разработанного именно для таких приложений в ИЯИ РАН совместно с ОАО МЭЛЗ. Была разработана целая серия этих ФЭУ - “ФЭУ-ТУНКА” с малым числом каскадов умножения (68) и с повышенным максимально допустимым постоянным анодным током (~250 мкА). Небольшое добавление (23% по весу) BaF2 в сцинтиллятор Y2SiO5:Ce приводит к значительному улучшению его радиационной и химической стойкости без существенного ухудшения его сцинтилляционных параметров.

Детектор фотонов КВАЗАР-370G стал базовым фотодетектором таких экспериментов как наледный черенковский детектор ШАЛ, созданный для изучения углового разрешения Байкальского нейтринного телескопа НТ-200, эксперименты ТУНКА-25 и QUEST для исследования первичного космического излучения в области энергий ~10141017 эВ. Основным элементом оптических пунктов этих экспериментов является детектор фотонов Квазар-370G, размещенный в специальном контейнере (рис. 4а).

Кроме детектора фотонов Квазар-370G с высоковольтными источниками питания в контейнере устанавливаются светодиод для амплитудной калибровки, делитель напряжения питания ФЭУ и предусилитель анодных импульсов ФЭУ. Для увеличения эффективной площади детектора фотонов используются конусные концентраторы света, изготовленные из алюминированного пластика. Все эти эксперименты работают в условиях светового фона ночного неба, приводящего к высоким значениям постоянного анодного тока детекторов фотонов. Поэтому используется активный делитель напряжения питания ФЭУ, обеспечивающий стабильность коэффициента усиления ФЭУ в широком диапазоне изменения светового фона ночного неба.

Рис. 4. Оптический модуль черенковского детектора широких атмосферных ливней на основе детектора фотонов КВАЗАР-370G (а). Схема расположения черенковского детектора широких атмосферных ливней ТУНКА-25 (б).

Детектор ТУНКА-25 расположен в Тункинской долине Республики Бурятия в 3 км от пос. Торы и в 50 км от южной оконечности оз. Байкал.

Детектор состоит из 25 основных и 4 дополнительных оптических пунктов, рис. 4б. Основные оптические пункты в детекторе ТУНКА равномерно распределены в квадрате 340 340 м2, расстояние между ближайшими пунктами составляет 85 м. Условием выработки триггерного сигнала установки является срабатывание любых четырех основных оптических пунктов во временном окне 1 мкс. Энергетический порог детектора - ТэВ. Четыре дополнительных оптических пункта созданы для регистрации формы черенковского излучения ШАЛ. Они основаны на быстрых фотоэлектронных умножителях Thorn-EMI D668 с полусферическим фотокатодом диаметром ~ 20 см.

Временной отклик основных оптических пунктов и детекторной электроники определяют угловое разрешение всей установки. Исследование влияния светового фона ночного неба и его флуктуаций на временной отклик основных оптических пунктов и детекторной электронной системы показывает, что смещение временной отметки, вырабатываемой фотодетектором и электронной системой установки, и изменение их суммарного временного разрешения не превышают 0.2 нс при изменении среднего постоянного анодного тока фотодетектора в пределах 0100 мкА.

При этом средний анодный ток фотодетекторов в установке ТУНКА составляет ~30 мкА. Кроме этого, в эксперименте ТУНКА с применением детектора фотонов КВАЗАР-370G достигается высокая линейность при измерении амплитуд сигналов (вплоть до 5104 ф.э.), что позволяет вести исследования первичного космического излучения в диапазоне энергий 10141017 эВ.

Использование детекторов фотонов КВАЗАР-370G позволяет проводить исследования первичных космических лучей в области излома их энергетического спектра. Детекторы фотонов КВАЗАР-370G это самые большие фотодетекторы, когда-либо использовавшиеся в черенковских детекторах ШАЛ, а эксперимент ТУНКА единственный эксперимент в этой области, применяющий гибридные детекторы фотонов. Успешная эксплуатация детекторов фотонов КВАЗАР-370G в эксперименте ТУНКА на протяжении более 15 лет в довольно суровых (до -40°С в зимнее и до +35°С в летнее время) климатических условиях показывает высокие амплитудные и временные характеристики и высокую надежность этих детекторов фотонов.

Для повышения устойчивости к световому фону ночного неба и улучшения быстродействия классических ФЭУ, разработанных для детекторов широких атмосферных ливней, в настоящее время в мировой практике существует тенденция уменьшения числа каскадов умножения, как в “ФЭУ-ТУНКА”. Соответствующее пониженное усиление ФЭУ (~104105) компенсируется использованием быстродействующих трансимпедансных усилителей с высоким коэффициентом усиления.

Разработанный для использования в камерах изображения атмосферных телескопов гамма-квантов высоких энергий быстрый координатночувствительный детектор фотонов КАМЕРА представляет собой гибридный вакуумный фотодетектор с прямой фокусировкой и люминесцентным экраном. Для считывания анодных импульсов данного фотодетектора возможно использование малогабаритных ФЭУ или лавинных фотодиодов.

Такой подход позволяет получить довольно хорошее пространственное разрешение 1 мм и временное разрешение на уровне временного разрешения фотодетекторов КВАЗАР. Разработанные для флуоресцентных детекторов ШАЛ фотоэлектронные умножители ФЭУ-1984U и ФЭУ-184UM характеризуются хорошей чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра и высокой устойчивостью к световому фону ночного неба.

В третьей главе описываются излучатели фотонов, разработанные для использования в различных космомикрофизических экспериментах. Эти источники созданы с использованием ультра ярких синих и ультрафиолетовых светодиодов на основе соединений InGaN/GaN.

Для тестовых и калибровочных измерений в космомикрофизических экспериментах была разработана серия наносекундных источников света на основе синих ультра ярких светодиодов. На сегодняшний день существуют два типа наиболее эффективных формирователей импульсов запуска светодиодов, обеспечивающих мощные и быстрые световые импульсы.

Первый из них основан на разряде конденсатора через комплементарную пару быстродействующих транзисторов. Максимальный световыход составляет 106108 фотонов в импульсе при использовании ультра ярких ультрафиолетовых, синих и зеленых светодиодов. При этом, длительность выходных импульсов составляет ~ 0,72,7 нс.

Для получения большего световыхода источников приходится использовать формирователи на лавинных транзисторах. На базе лавинных транзисторов и ультра ярких синих светодиодов удается создать источники световых импульсов с числом фотонов в импульсе 109 и длительностью импульса 12 нс. При использовании ультра ярких светодиодов NICHIA, KINGBRIGHT, G-nor и др. (например, NSPB500S, L-53NBC и GNL3014BC) с такими формирователями импульсов запуска удалось разработать мощные, стабильные источники световых импульсов наносекундной длительности с частотой повторения импульсов от одиночных импульсов и вплоть до МГц. Исследования долговременной стабильности таких источников света показывают, что интенсивность и длительность световых импульсов источников практически не изменяются при полном числе импульсов источника ~1010 и выше, при этом уровень флуктуаций световыхода источников не превышает 1%, рис. 5а и 5б. Температурный коэффициент изменения световыхода источников в диапазоне температур -5+50oС составляет ~(0,140,18)%/oC. Длительность же световых импульсов источников остается практически неизменной в этом температурном диапазоне.

Световыход, отн. ед.

1,(a) 1,0,109 Число импульсов Длительность импульса tFWHM, нс 2,(б) 2,1,109 Число импульсов Рис. 5. Зависимости световыхода (а) и длительности импульсов (б) наносекундного источника света, основанного на лавинных транзисторах, от полного числа импульсов источника. Светодиод – ультра яркий синий светодиод NSPB300S. Амплитуда наносекундных импульсов тока через светодиод – 2,2 А.

С помощью формирователя импульсов запуска на лавинных транзисторах была исследована кинетика свечения более 1000 образцов ультра ярких синих, фиолетовых и ультрафиолетовых светодиодов различных марок при прохождении через них наносекундных импульсов тока с амплитудой ~2,2 А. Следует отметить, что при таких больших импульсных токах в спектрах излучения ультра ярких синих светодиодов появляется быстрая коротковолновая компонента, в ультрафиолетовых светодиодах - медленная длинноволновая компонента с постоянной времени высвечивания ~4-5 мкс.

(б) (а) W, отн. ед.

W, отн. ед.

L7113NBC NSPB500S 0.0,0.0,0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 Время, нс Время, нс (г) (в) W, отн. ед.

W, отн. ед.

0.0,0.0,0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 20 40 60 80 Время, нс Время, нс (е) (д) W, отн. ед. W, отн. ед.

1 LXHL-NB0,0,0,0,0 50 100 150 200 0 20 40 60 80 Время, нс Время, нс Рис. 6. Типовые формы световых импульсов наносекундных источников света, использующих различного типа ультра яркие синие светодиоды из соединений InGaN/GaN. а) NSPB500S. Светодиоды этого типа разделяются на две группы –медленную и быструю. б) L7113NBC. Светодиоды этого типа также подразделяются на медленную и быструю. в) “быстрые” светодиоды.

г) “промежуточные” светодиоды. д) “медленные” светодиоды. е) светодиод высокой мощности LXHL-NB98 с яркостью ~200 кд.

Pages:     | 1 || 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.