Отчет о научно-исследовательской работе
Скачать 397.41 Kb.
|
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА МОСКОВСККОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА УДК 537.591 № госрегистрации 01.9.80004286 Инв. № 01/07-01 «УТВЕРЖДАЮ» Директор НИИЯФ МГУ профессор ________________М.И.Панасюк _ _июня 2007 г. ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ Проведение исследований в области рационального природопользования с использованием уникальных установок Поиск предела ускорения космических лучей в Галактике и мониторинг состояния атмосферы и ближнего космоса на Астрофизическом комплексе МГУ-ИГУ для исследования космических лучей сверхвысоких энергий (установки Тунка и ШАЛ-МГУ) (Астрофизический комплекс МГУ ИГУ) (Шифр: 2007-7-1.8-00-05-131 Государственный контракт. № 02.518.11.7073 от 18 апреля 2007 г.) (промежуточный) Руководитель НИР д.ф.-м.н. профессор М.И. Панасюк Москва 2007 СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Руководитель работ, Директор НИИЯФ МГУ профессор ___________________ М.И. Панасюк Исполнители темы: Зав. отделом, профессор ___________________ Н.Н. Калмыков Зав. лаб, д.ф.-м.н. ___________________ Л.А. Кузьмичев Зав. отделом, к.ф.-м.н. ___________________ И.В. Яшин Вед. научн. сотр. ___________________ Г.В. Куликов Вед. научн. сотр ___________________ Ю.А. Фомин Ст. научн. сотр. ___________________ М.Ю. Зотов Ст. научн. сотр. ___________________ А.В. Скурихин Ст. научн. сотр. ___________________ В.В. Просин Ст. научн. сотр. ___________________ В.П. Сулаков Ст. научн. сотр. ___________________ А.А. Силаев Зам. зав. отделом, к.ф.-м.н. ___________________ А.Я. Варковицкая Научн.сотр., к.ф.-м.н. ___________________ Е.Е. Коростелева Научн.сотр., к.ф.-м.н. ___________________ С.А. Шаракин Мл. научн. сотр. ___________________ А.А. Силаев (мл) Вед. программист ___________________ А.В. Широков Вед. программист ___________________ В.А. Кожин Вед. электроник ___________________ В.И. Назаров Вед. электроник ___________________ С.Б. Игнатьев Вед. электроник ___________________ П.Г. Щепкин Вед. инженер ___________________ А.В. Игошин Электроник 1 кат ___________________ А.В. Заблоцкий Нормоконтролер Вед. программист ___________________ З.В. Ярочкина РЕФЕРАТ Отчет 49 с., 9 ч., 26 рис. ШИРОКИЙ АТМОСФЕРНЫЙ ЛИВЕНЬ, ПЕРВИЧНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР, ЧЕРЕНКОВСКИЙ ДЕТЕКТОР, СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР, ДЕТЕКТОРНЫЙ ПУНКТ, ОПТОВОЛОКОННЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ, ФОТОУМНОЖИТЕЛЬ. Объектом исследования является первичное космическое излучение сверхвысоких энергий. Цель работы - создание установки для исследования первичного космического излучения (ПКЛ) сверхвысоких энергий методом регистрации черенковского излучения ШАЛ (Тунка-133) и расширения установки для исследования ПКЛ методом регистрации заряженных частиц ШАЛ (ШАЛ-МГУ). В процессе работы были протестирована совместная работа двух крейтов электроники кластеров, связанных с центром сбора данных длинными оптоволоконными линиями. Показано, что точность синхронизации таймеров кластеров равна 10 нс. Разработана и изготовлена триггерная система для автономной работы водного черенковского детектора. Проведена разметка положений размещения контейнеров для электроники кластеров и начаты работы по развертыванию кабелей оптоволоконной системы сбора данных установки Тунка-133. Восстановлена, разрушенная ураганом в мае 2007 года крыша дома, где расположена система сбора данных установки Тунка-133. Выбрана оптимальная геометрия нейтронного детектора. Разработана конструкция мюонного телескопа. Разработана конструкция измерителя электростатического поля применительно к установке ШАЛ МГУ. Проведена обработка экспериментальных данных, полученных при эксплуатации черенковских установок на полигоне в Тора в зимний период 2006-2007 годов. Проведён расчёт сильной потоковой неустойчивости космических лучей и численное моделирование мгд процессов в предвестнике сильной ударной волны в остатке сверхновой. Проведён расчет максимальной энергии ускоренных частиц для сверхновых различных типов. Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: электроника детекторных пунктов и центральных пунктов астрофизического комплекса МГУ-ИГУ разработана на современной элементной базе и отличается низким потреблением, высокой точностью измерения амплитуды и времени сигнала с фотоумножителя. Эксплуатация действующей установки ШАЛ-МГУ и первого кластера установки Тунка-133 показали высокую надёжность и стабильность оборудования. Содержание Введение 6 1 Обработка экспериментальных данных, полученных при эксплуатации черенковских установок на полигоне в Тора в зимний период 2006-2007 годов 9 2 Астрофизические расчеты по исследованию ускорения и распространения космических лучей в галактике 14 2.1 Моделирование усиления магнитного поля в остатках сверхновых при потоковой неустойчивости космических лучей 14 2.2 Максимальная энергия ускоренных частиц для сверхновых различных типов 18 3 Разработка конструкции мюонного телескопа 21 4 Выбор оптимальной геометрии нейтронного детектора 24 5 Разработка конструкции измерителя электростатического поля 28 6 Развертывание на полигоне НИИПФ ИГУ оптоволоконных кабелей системы электропитания и сбора информации с установки Тунка-133 32 7 Проведение сеансов регистрации ШАЛ и одиночных мюонов закрытым водным черенковским детектором большой площади в грозовую погоду 36 8 Испытание нового варианта оптического детектора установки Тунка-133 39 9 Разработка и тестирование отдельных узлов электронной системы сбора данных установки Тунка-133 43 Заключение 48 Список использованных источников 49 Введение Космические лучи являются одним из важнейших источников фундаментальных знаний как о микромире - природе и взаимодействиях элементарных частиц и ядер, так и о крупномасштабных процессах, происходящих не только в нашей Галактике, но и за ее пределами. Спектр космических лучей не солнечного происхождения простирается более, чем на 10 порядков от 1010 эВ до 1020 эВ. К настоящему времени космические лучи относительно низких энергий достаточно хорошо изучены прямыми методами регистрации на высотных аэростатах. Исследования космических лучей высоких и сверхвысоких энергий ведутся на нескольких установках (TIBET, KASCADE, AGASA, ЯКУТСК и др.), однако, до сих пор сохраняются значительные, расхождения, в экспериментальных данных, в особенности, относительно химического состава космических лучей, получаемых разными группами с помощью различных методик. Это в значительной степени препятствует правильному пониманию природы источников и механизмов ускорения космических лучей в разных диапазонах высоких энергий, что является одной из нерешенных фундаментальных проблем современной астрофизики. Главный признак приближения к предельной для Галактических источников энергии – утяжеление массового состава космических лучей с ростом энергии и, возможно, рост анизотропии. В настоящее время существует ряд теоретических и экспериментальных указаний на то, что переход от галактических к внегалактическим источникам происходит в диапазоне 1017–1018 эВ. Из-за низкого потока космических лучей сверхвысоких энергий единственным методом их изучения является регистрация широких атмосферных ливней (ШАЛ), образующихся при прохождении первичных космических лучей через атмосферу Земли. В рамках выполнения Государственного контракта мы планируем провести исследование на установках, взаимодополняющих друг друга по методам восстановления важнейших характеристик космических лучей: энергетического спектра и массового состава. При этом будет осуществлен единый подход к моделированию эксперимента, обработке и анализу данных. Исследование космических лучей будет проводиться на калориметрических установках (Тунка-25 и Тунка-133), использующих поток черенковкого света от ШАЛ как меру энергии первичной частицы, и на установках, регистрирующих электронно-фотонную компоненту ШАЛ на уровне наблюдения (ШАЛ-МГУ). Экспериментальная работа будет дополнена теоретическими исследованиями и численным моделированием процессов ускорения и переноса космических лучей в Галактике. Природа источников галактических частиц высоких и сверхвысоких энергий, несмотря на существенный прогресс в теории их ускорения и распространения, до конца не ясна. Основными источниками космических лучей в Галактике считаются остатки сверхновых. Это следует из интерпретации их радио, нетеплового рентгеновского и гамма-излучения. Установлено, что в остатках сверхновых имеются частицы вплоть до энергий порядка 1014 эВ. Возможность ускорения до больших энергий остается гипотетической, как с экспериментальной, так и с теоретической точек зрения. Весьма существенным для понимания природы источников явились бы надежные экспериментальные данные об энергетическом спектре, массовом составе и анизотропии в диапазоне 1015–1018 эВ. Этот диапазон включает как классический излом при энергии 31015 эВ, открытый сотрудниками НИИЯФ МГУ под руководством С.Н. Вернова и Г.Б. Христиансена, так и область энергий 1017Z эВ, по-видимому максимально достижимых космическими лучами в оболочках сверхновых звезд. Установки, предназначенные для изучения космических лучей высоких энергий представляют собой сеть отдельных детекторов, регистрирующих заряженные частицы или черенковское излучение частиц широких атмосферных ливней (ШАЛ), возникающих при взаимодействии первичной частицы высокой энергии с атмосферой. Восстановление параметров первичной частицы: направления прихода, энергии, массы осуществляется с использованием различных моделей взаимодействия космических лучей с атмосферой и развития ШАЛ. Точность восстановления зависит, как от экспериментальной методики, так и качества используемых теоретических моделей. В соответствии с требованиями технического задания целью выполнения первого этапа данного Государственного контракта является развертывание оптоволоконной системы сбора данных установки Тунка-133 и подготовительные работы по расширению установки ШАЛ МГУ, включающие подготовку к созданию системы мониторинга состояния приземного слоя атмосферы с помощью нейтронного детектора, мюонного телескопа и измерителя электростатического электричества. 1. Обработка экспериментальных данных, полученных при эксплуатации черенковских установок на полигоне в Тора в зимний период 2006-2007 годов Исследование энергетического диапазона 1016-1018 эВ имеет существенное значение для понимания происхождения и распространения космических лучей в нашей Галактике. До энергий этого диапазона, согласно современно представлениям, космические лучи могут ускоряться в оболочках сверхновых [1]. Существуют серьезные аргументы в пользу того, что в этом диапазоне происходит переход от галактических к экстрагалактическим космическим лучам.[2]. К настоящему времени проведено значительное количество измерений энергетического спектра и химического состава первичных космических лучей в области энергий 1015- 1эВ особенно вблизи "колена" (установки Тунка, BASJE-MAS, EAS-TOP, KASKADE, CASA-BLANKA). Однако, имеется значительный разброс в результатах измерений на разных установках, в особенности, химического состава, а при энергиях выше 1017 эВ велики экспериментальные ошибки. В области энергий выше 1016 эВ ожидаются данные с новой установки KASKADE – Grande[3]. Эта установка была создана после установки сцинтилляционных детекторов установки EAS-TOP вокруг установки KASKADE. В силу плохих погодных условий использование черенковских детекторов в составе установки KASKADE - Grande практически не возможно. Важная информация о химическом составе будет также получена из совместного анализа данных установки SPACE и нейтринного телескопа AMANDA. Проект нейтринного телескопа IceCube включает установку ШАЛ площадью 1 км2 [4]. Метод изучения массового состава на перечисленных выше установках основан на изучении заряженной (электронной и мюонной) компоненты ШАЛ. В установке Тунка [5,6] используется другой - черенковский метод изучения химического состава первичных космических лучей. На рисунке 1.1 схематично представлены подходы к изучению космических лучей, описанные выше  Рисунок 1.1 − Три типа установок для исследования космических лучей сверхвысоких энергий Представляется крайне важным провести исследование массового состава принципиально различными методами. Исследования космических лучей ведутся несколько десятилетий, но ошибки измерений особенно массового состава при энергии больше 1016эВ остаются большими, имеется существенное расхождение результатов, полученных разными методами и в разных экспериментах. Качественно новые экспериментальные данные о космических лучах могут быть получены с помощью «плотной» черенковской установки площадью порядка квадратного километра. Создание такой установки позволит увеличить число регистрируемых событий, улучшить точность измерения параметров ШАЛ и расширить энергетический диапазон в область сверхвысоких энергий. Создаваемая установка Тунка-133 будет располагаться в Тункинской долине, в 50 км от озера Байкал, на научном полигоне НИИПФ ИГУ.(рисунок 1.2)  Рисунок 1.2 − Расположение установки Тунка-133 На этом полигоне проводятся исследования космических лучей с помощью черенковских установок ШАЛ начиная с 1993 года. За этот период были созданы установки Тунка-4 [7], Тунка-13, и, наконец, установка Тунка-25 [8,9]. За один год работы установки Тунка-133 (400 часов наблюдений) будет зарегистрировано свыше 300 событий с энергий выше 1017 эВ. Алгоритм калибровки и восстановления параметров ШАЛ, используемых в установке Тунка-25, был адаптирован к расположению оптических детекторов в новой установке. Для установки Тунка-133 ожидаемая точность восстановления положения оси составляет 6 м и точность определения энергии 15% . Ожидаемая точность восстановления положения максимума развития ШАЛ с использование функции пространственного распределения черенковского света и длительности сигнала – около 25 гсм2 . Конечно такой точности восстановление невозможно достичь с помощью 7 детекторов, но важно понять насколько наше понимание адекватно существующим экспериментальным данным. В течение зимы первый кластер эксплуатировался в течение 19-ти безлунных и безоблачных ночей . В обработку были включены данные набранные в течение 75 часов работы установки. За этот период было зарегистрировано более 16000 широких атмосферных линей. По 5400 событиям, с положениям осей внутри площади кластера восстановлен энергетический спектр космических лучей. Для каждого события записывалась форма сигнала с каждого детектора с шагом 5 нс. После прохождения 100 м коаксиального кабеля длительность фронта сигнала равна примерно 15 нс и ширина на полувысоте около 20 нс. Обычно для каждого сигнала мы имеем семь значений амплитуды, что вполне достаточно для определения полного интеграла. Для событий, с положением оси ШАЛ на большом расстоянии от детекторов (> 300 м), длительность сигнала на половине высоты может изменяться от 20 до более чем 100 нс. Пример такого “дальнего события” приведен на рисунке 1.3.  Рисунок 1.3 − Пример события с положением оси на большом расстоянии от детектора. Разными цветами показаны сигналы в разных детекторах. Положение оси этого ливня от центра кластера приблизительно равно 600100 м, а энергия (52) 1017 эВ. Время прихода светового сигнала определяется интерполяцией формы фронта сигнала к уровню 0.25 от максимальной амплитуды. Точность синхронизации между отельными детекторами кластера 5 нс, определяется точность длин коаксиальных кабелй  Рис.1.4 − Предварительный интегральный спектр, полученный по данным первого кластера установки Тунка-133. Такой точности вполне достаточно для предварительного анализа. В дальнейшем эта точность будет существенно улучшена Относительная амплитудная калибровка детекторов проводилась путем сравнения спектров плотностей аналогично подходу , используемому ранее [10]. Абсолютная калибровка энергии проведена путем нормировки интегрального энергетического спектра к опорному интегральному спектру, полученному в эксперименте QUEST [11]. Восстановленный интегральный спектр приведен на рис.1.4. Опорная точка приведена на рисунке 1.4 черным квадратом. Спектр фитирован двумя степенными законами до и после 31015 эВ. Из поведения спектра хорошо видно, что энергетический порог установки 1015 эВ 2. Астрофизические расчеТы по ИССЛЕДОВАНИЮ УСКОРЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ГАЛАКТИКЕ. Выполняемая силами сотрудников ИЗМИРАН научно-исследовательская работа по теме «Расчеты ускорения и переноса космических лучей для установок ТУНКА и ШАЛ-МГУ» в основном была посвящена развитию теории сильной потоковой неустойчивости космических лучей и численному моделированию мгд процессов в предвестнике сильной ударной волны в остатке сверхновой, а также расчету максимальной энергии ускоренных частиц для сверхновых различных типов. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Отчет о научно-исследовательской работе Гост 32-2001. Межгосударственный стандарт. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской... | | Отчет о научно-исследовательской работе Межгосударственный стандарт (гост 32-2001). Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления (редакция 2005... |
 | Общие положения отчет Отчет о научно-исследовательской работе (нир) документ, который содержит систематизированные данные о научно-исследовательской работе,... | | Реферат Отчет о научно-исследовательской работе состоит Отчет о научно-исследовательской работе состоит из 33 рисунков, 8 разделов, 12 подразделов, 9 формул, 31 источника. Общий объем 48... |
| Отчет о научно-исследовательской работе «определение доступности... Ключевые слова: отчет, научно-исследовательская работа, заключительный отчет, кинопоказ, доступность, качество, цифровые технологии,... | | Отчет по научно-исследовательской работе студентов экономического факультета за 2012-2013 г Научно-исследовательская работа студентов является действенным средством повышения качества подготовки специалистов и проводится... |
| Отчет о научно-исследовательской работе Двухфакторная многокритериальная методика аттестации научно-педагогических работников спбгу на основе показателей эффективности их... | | Отчет о научно-исследовательской работе фгоу впо «Кемеровский гсхи» Ключевые слова: наука, инновации, инновационный потенциал, инновационный проект, финансирование научно-исследовательской работы,... |
| Отчет о научно-исследовательской работе за 2011 год Основные научные направления (по которым факультет осуществляет научно-исследовательскую деятельность) | | Отчет о научно-исследовательской работе Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области коллоидной химии и поверхностных явлений |
| Отчет о научно-исследовательской работе Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области коллоидной химии и поверхностных явлений | | Отчет о научной исследовательской работе студентов (магистрантов) Института Организация научно-исследовательской деятельности студентов и их участие в научных исследованиях и разработках в 2012 году |
| Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе Методические указания по выполнению контрольной работы одобрены на заседании Научно-методического совета взфэи | | Отчет о научно-исследовательской работе «научно-методическое сопровождение выполнения обязательств российской федерации по охране всемирного культурного и природного наследия... |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
