WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

На рис. 6а-д показаны наиболее типичные формы световых импульсов ультра ярких синих, фиолетовых и ультрафиолетовых светодиодов. Световые импульсы этих светодиодов имеют самые разнообразные формы. Даже среди светодиодов одной марки выделяются группы светодиодов, демонстрирующие совершенно разную кинетику свечения, например, светодиоды NSPB500S фирмы NICHIA и L-53NBC фирмы KINGBRIGHT, рис. 6а и 6б соответственно. Еще большое разнообразие кинетики свечения показывают светодиоды GNL3014BC, среди которых выделены образцы с самой быстрой кинетикой свечения: длительности световых импульсов источников на их основе составляет <1 нс при световыходе источников ~фотонов в импульсе, при этом, медленная компонента у этих светодиодов отсутствует полностью. Все исследованные светодиоды можно разделить на три группы: “быстрые”, рис. 6в, “промежуточные”, рис. 6г, и “медленные”, рис. 6д. На рис. 6е показана форма светового импульса светодиода LXHLNB98 высокой мощности с яркостью ~200 кд.

Объединение светодиодов в матрицы позволяет значительно увеличить световыход источников света. При этом возможно два варианта – а) для каждого светодиода в матрице используется свой формирователь импульсов запуска; и б) все светодиоды матрицы запускаются от одного формирователя запуска. В обоих случаях тонкой регулировкой параметров формирователей импульсов запуска и тщательным подбором светодиодов с близкими параметрами удается достичь хорошего уровня одновременности срабатывания светодиодов матрицы. Удается также достичь высокой степени идентичности кинетики свечения индивидуальных светодиодов матрицы.

Форма светового сигнала всей матрицы практически не отличается от форм сигнала отдельных светодиодов матрицы. При использовании матриц светодиодов световыход источников достигает ~ 1010 и более фотонов в импульсе, при этом длительность импульсов остается такой же, как у отдельных светодиодов матрицы – 12 нс. Применение светодиодов высокой мощности позволяет получить источники с числом фотонов в импульсе ~при длительности импульса ~5 нс (FWHM).

Четвертая глава посвящена различным средам, в которых рождаются и распространяются фотоны – это сцинтилляторы, оптоволоконные кабели, спектросмещающие пленки и т.д..

Временное разрешение детектора фотонов КВАЗАР-370 определяется выражением:

W(t) exp(-(G/)t), (1) где G - коэффициент усиления предусилителя света детектора фотонов, а - время высвечивания сцинтиллятора в люминесцентном экране детектора фотонов. В свою очередь, величина G – определяется соотношением:

G = Y(Ee)э, (2) где Y(Ee) – число фотонов, рожденных в сцинтилляторе фотоэлектроном с энергией Ee, - коэффициент сбора фотонов на фотокатод ФЭУ детектора фотонов, э – эффективная квантовая эффективность ФЭУ. С учетом соотношений (1) и (2) работа по улучшению временного и амплитудного разрешения детектора фотонов КВАЗАР-370 была направлена на поиск сцинтилляционных материалов с возможно большим световыходом и меньшим временем высвечивания. К тому же, сцинтилляторы должны удовлетворять требованиям, возникающим из технологии производства детекторов фотонов КВАЗАР: длительные (порядка нескольких часов) нахождение при высоких температурах (~ 4000С) и пребывание в атмосфере паров щелочных металлов и, наконец, вакуумная совместимость. Таким требованиям отвечают только ряд неорганических сцинтилляторов.

Как было уже упомянуто выше, наилучшие результаты достигнуты с сцинтилляторами LSO(Lu2SiO5:Ce), YAP(YAlO3:Ce) и SBO(ScBO3:Ce).

Самые лучшие временное и однофотоэлектронные разрешения, 1 нс (FWHM) и 30% (FWHM) соответственно, достигается с монокристаллическим сцинтиллятором LSO (Lu2SiO5:Ce) (КВАЗАР-370LSO).

Следует отметить, что весьма перспективным является сцинтиллятор SBO (ScBO3:Ce), обладающий достаточно высоким световыходом, временем высвечивания ~2730 нс и малым значением величины эффективного атомного номера (Zeff ~ 17). Сцинтиллятор SBO синтезируется в виде порошкового люминофора и обладает повышенной химической устойчивостью, что делает его технологически весьма привлекательным для использования в детекторе фотонов КВАЗАР-370.

Еще одним интересным элементом фотоники являются тонкопленочные сместители спектра на полимерной основе, наносимые на фотокатоды фотодетекторов для увеличения их чувствительности к черенковскому свету Высокая прозрачность глубинного антарктического льда и чистой воды, применяющейся в подземных черенковских детекторах, позволяет эффективно использовать такие пленки. Для оптических модулей подледного телескопа AMANDA была разработана спектросмещающая пленка на основе сополимера этилметакрилата Paraloid B72 с добавкой 5% Butyl PBD и 0.1% POPOP. Нанесение такой пленки на поверхность оптического модуля повышает чувствительность модуля к черенковскому свету на 48%.

Для натурных испытаний образцов новых разработок фотодетекторов, детекторной электроники и для отработки новых методов детектирования была разработана и создана многоцелевая глубоководная экспериментальная гирлянда. В рамках работ с экспериментальной гирляндой был предложен, подготовлен и выполнен эксперимент по измерению дисперсии света в глубинных водах оз. Байкал в месте расположения нейтринного телескопа НТ-200. Использовались светодиодные источники света на трех длинах волн 370 нм, 470 нм и 520 нм. Длительность импульсов составляла ~1 нс. Число фотонов в одном импульсе - ~108109. Измеренные значения групповой скорости света составляют: Vгр=(2,148±0,010)108 м/с для =370±6 нм, Vгр=(2,193±0,009)108 м/с для =470±11 нм и Vгр=(2,206±0,009)108 м/с для =520±17 нм. На рис. 7а представлены расчетные кривые зависимостей группового и фазового показателей преломления воды и экспериментальные значения группового показателя преломления, полученные из измеренных значений групповой скорости света. Как видно из рисунка, наблюдается достаточно хорошее согласие экспериментальных и расчетных данных. На рис. 7б показаны зависимости временной задержки фотонов, обусловленной различием групповой и фазовой скоростей света, от расстояния до точечного источника фотонов для разных длин волн. На расстоянии ~100 м задержка фотонов с =370 нм от фотонов с =520 нм составляет ~8 нс.

Рис. 7. а) – Зависимость группового (кривая 1) и фазового (кривая 2) показателей преломления воды от длины волны; точки – экспериментально измеренные значения группового показателя преломления глубинных вод озера Байкал в месте расположения нейтринного телескопа НТ-200. б) – Зависимость временной задержки, обусловленной различием групповой и фазовой скорости света, для фотонов разных длин волн от расстояния до точечного источника фотонов; 1 – для 520 нм; 2 – 470 нм; 3 - 370 нм.

Элементы фотоники, разработанные для использования в калибровочных системах космомикрофизических экспериментов описываются в пятой главе диссертации. Калибровочные системы экспериментов ТУНКА-25, QUEST и наледного черенковского детектора широких атмосферных ливней состоят из наносекундного источника света и пластикового оптоволоконного кабеля на основе полиметилметакрилата длиной ~220 м. Источник света располагается в центральном электронном пункте детектора. В этом источнике света используется формирователь импульсов запуска на основе двух последовательно включенных лавинных транзисторов и одного ультра яркого синего светодиода. Для временной калибровки детектора каждый оптический пункт детектора последовательно засвечивается от одного и того же источника световыми импульсами длительностью 12 нс (FWHM) через один и тот же оптоволоконный кабель. Измеряются времена срабатывания отдельных оптических пунктов, при этом триггерным сигналом является синхронизирующий импульс наносекундного источника света.

Для калибровки черенковского детектора мюонного вето эксперимента по поиску двойного безнейтринного бета-распада GERDA предложена система, состоящая из двух частей. В первой части оптические модули детектора засвечиваются от одного наносекундного источника света через систему пластиковых оптоволоконных кабелей, к каждому модулю подводится отдельный кабель. Источник света основан на быстром ультра ярком синем светодиоде. Длительность световых импульсов источника составляет ~2,2 нс, а амплитуда световых импульсов регулируется в диапазоне 0108 фотонов в импульсе. Во второй части системы засветка оптических модулей детектора осуществляется через воду. Для этого в объеме детектора устанавливаются 4 диффузных рассеивателя света, к которым подводятся световые импульсы от второго источника света с помощью таких же оптоволоконных кабелей, как в первой части системы. В этом случае источник света использует синий светодиод высокой мощности.

Длительность световых импульсов источника – 5 нс (FWHM). Амплитуда световых импульсов соответствует ~1012 фотонов в импульсе.

В заключении приводятся основные выводы диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Разработана и создана методология измерения характеристик основных элементов фотоники, использующихся в космомикрофизических экспериментах: источников и детекторов фотонов, физических сред, в которых рождаются и распространяются фотоны. Для этого разработана, создана и эксплуатируется серия измерительных стендов, что позволяет активно сотрудничать с промышленностью в разработках практически всех элементов фотоники для космомикрофизических экспериментов.

2. Разработаны и созданы совместно с рядом отечественных компаний в общей сложности более 30 детекторов фотонов различных типов для космомикрофизических экспериментов: глубоководных нейтринных экспериментов, экспериментов по исследованию первичного космического излучения, а также низкофоновых экспериментов. Среди них крупногабаритные вакуумные гибридные детекторы фотонов КВАЗАР-370Y и КВАЗАР-370G, ставшие базовыми фотодетекторами в Байкальском нейтринном телескопе НТ-200 и черенковских детекторах широких атмосферных ливней ТУНКА-25 и QUEST; серия фотоэлектронных умножителей традиционного типа “ФЭУ-БАЙКАЛ-1” для использования в составе гибридных детекторов фотонов; серия двухканальных фотоэлектронных умножителей “ФЭУ-БАЙКАЛ-2” и на их основе двухканальный гибридный детектор фотонов КВАЗАР-370-II, низкофоновый гибридный детектор фотонов КВАЗАР-370L, гибридный детектор фотонов КВАЗАР-370D с кремниевым диодом в качестве умножительной системы, фотоэлектронные умножители ФЭУ-184U и ФЭУ-184UM для использования во флуоресцентных детекторах широких атмосферных ливней, быстрый гибридный координатно-чувствительный детектор фотонов КАМЕРА для атмосферных черенковских телескопов гамма-квантов высоких энергий.

Изучены характеристики значительных серий выше перечисленных детекторов фотонов.

3. Разработана и создана cовместно с АООТ КАТОД г. Новосибирска серия вакуумных гибридных детекторов фотонов с полусферическим фотокатодом диаметром 37 см (КВАЗАР-370LSO, КВАЗАР-370SBO, КВАЗАР-370YAP) с временным разрешением ~ 11,2 нс (FWHM) и однофотоэлектронным разрешением 3040% (FWHM), наиболее полно на сегодняшний день отвечающие требованиям к фотодетекторам для планирующихся проектов нейтринных экспериментов следующего поколения.

4. Разработан и создан в сотрудничестве с рядом отечественных предприятий и институтов глубоководный оптический модуль Байкальского нейтринного телескопа НТ-200 на базе детектора фотонов КВАЗАР-370Y.

5. Разработан и создан двухканальный оптический модуль для глубоководных нейтринных экспериментов следующего поколения на базе двухканального детектора фотонов КВАЗАР-370-II.

6. Разработана методика проведения тестирования, исследования и эксплуатации классических фотоэлектронных умножителей с относительно малым усилением, разработанных для космомикрофизических экспериментов. Результаты исследований подтверждают обоснованность новых подходов в разработках фотоэлектронных умножителей: уменьшение числа каскадов умножения и использование быстродействующих трансимпедансных предусилителей для достижения хороших временных характеристик.

7. Проведены исследования факторов, влияющих на временное и амплитудное разрешение вакуумных фотодетекторов. Изучена природа задержанных импульсов в вакуумных фотодетекторах. Показано, что задержанные импульсы обусловлены обратным, упругим и неупругим, отражением фотоэлектронов от умножительной системы или элементов конструкции и являются характерной чертой всех вакуумных фотодетекторов. Однако, в детекторах фотонов КВАЗАР-370 предымпульсы практически отсутствуют, а вклады задержанных импульсов и послеимпульсов существенно подавлены в силу конструкционных особенностей этих детекторов.

8. Проведены исследования интенсивности, кинетики свечения и долговременной стабильности параметров большой серии ультра ярких светодиодов на основе соединений InGaN/GaN при прохождении через них импульсов тока большой амплитуды наносекундной длительности.

Выделены ряд типов светодиодов наиболее перспективных для использования в наносекундных мощных источниках света, предназначенных для калибровочных измерений в космомикрофизических экспериментах.

9. Разработаны и созданы наносекундные источники света на основе ультра ярких светодиодов из соединений InGaN/GaN с числом фотонов в импульсе до 1012 и длительностью имупльсов ~0,75 нс (FWHM) для калибровочных и тестовых измерений в экспериментах с вакуумными фотодетекторами. Эти источники активно используются в калибровочных системах Байкальского нейтринного эксперимента, наледного черенковского детектора ШАЛ, черенковских детекторов ШАЛ ТУНКА-25 и QUEST, в эксперименте по поиску двойного безнейтринного бета-распада GERDA, в тестовых измерительных системах подземного эксперимента по исследованию мюонов космических лучей EMMA.

10. Разработана и создана глубоководная многофункциональная комплексная экспериментальная гирлянда для проведения натурных испытаний глубоководной экспериментальной техники: детекторов и источников фотонов, систем передачи данных, элементов подводной инженерии. Предложен, подготовлен и проведен специальный эксперимент по измерению дисперсии света в глубинных водах озера Байкал с использованием этой гирлянды. Результаты эксперимента хорошо согласуются с расчетами. Показана необходимость учета дисперсии света при проектировании глубоководных нейтринных телескопов и детекторов фотонов для использования в таких экспериментах.

11. Разработаны методы повышения чувствительности оптических модулей нейтринных телескопов к черенковскому свету в воде или во льду с применением высокоэффективных спектросмещающих пленок на полимерной основе. Показаны основные пути повышения эффективности таких пленок для увеличения чувствительности детекторов фотонов к черенковскому свету во льду или в воде.

Pages:     | 1 | 2 || 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.