Флуоресцентный детектор космических лучей сверхвысоких энергий проекта EUSO-SPB2

Аннотация

Описан баллонный эксперимент EUSO-SPB2 для исследования космических лучей сверхвысоких и предельно высоких энергий, а также астрофизических нейтрино высоких энергий, приведены основные характеристики флуоресцентного и черенковского телескопа проекта. В рамках предполетной подготовки проведена калибровка многоканального фотоприемника.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

EUSO-SPB2 (The Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon 2) — стратосферный баллонный эксперимент, реализуемый в рамках программы JEM-EUSO [1] в целях верификации методики регистрации космических лучей сверхвысоких и предельно высоких энергий (E > 1 ЭэВ) методом измерения флуоресценции широкого атмосферного ливня (ШАЛ), а также нейтрино высоких энергий (E > 10 ПэВ) по черенковскому излучению ШАЛ [1]. Для решения этих задач в состав научной аппаратуры проекта входят два телескопа: флуоресцентный, направленный в надир, и черенковский — на лимб. Планируемое время запуска стратосферной обсерватории — весна 2023 г. Измерения будут проводиться на высоте 33 км в течение ~100 дней при движении баллона в циркумполярном вихре.

Флуоресцентный телескоп проекта EUSO-SPB2 позволит провести первые измерения ШАЛ от космических лучей предельно высоких энергий (КЛ ПВЭ) из суборбитального пространства, что является важным шагом перед запуском более масштабных космических миссий, таких как K-EUSO (“КЛПВЭ”) [2, 3] или POEMMA (Probe of Extreme Multi-Messenger Astrophysics) [4].

Второй телескоп предназначен для регистрации черенковского свечения восходящих ШАЛ, вызванных космическими лучами высоких энергий, проходящих атмосферу по касательной или нейтрино, прошедших через земную кору. Эти измерения позволят измерить фоновые сигналы в целях обнаружения нейтрино-индуцированных восходящих ШАЛ для дальнейших проектов, а также осуществить поиск нейтрино от транзиентных астрофизических событий (например, при слиянии двойных нейтронных звезд) [5].

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕСКОПОВ

Флуоресцентный телескоп построен по схеме камеры Шмидта и имеет сегментированное зеркало с радиусом кривизны 1659.8 мм и эффективным фокусным расстоянием 860 мм (рис. 1). Диаметр входного отверстия телескопа составляет 1 м [6]. Фокальная поверхность состоит из трех модулей фотоприемника и представляет собой матрицу многоанодных фотоэлектронных умножителей (МАФЭУ), общее количество каналов регистрации — 6912 [7]. Каждый модуль состоит из 36 МАФЭУ фирмы Hamamatsu, собранных по четыре единицы в элементарные ячейки, имеющие единую систему высоковольтного питания. Временное разрешение телескопа составляет 1 мкс, поле зрения — 37.4° × 11.4°, поле зрения отдельного канала фотоприемника — 0.2° × 0.2°. Ожидаемая частота регистрации событий при таких параметрах детектора составляет 0.12 ± 0.01 соб./ч, или ~0.6 событий за ночь (“окно” наблюдений — 5 ч) при энергетическом пороге 10^18.2 эВ [5, 8].

Рис. 1. Слева — схема флуоресцентного телескопа EUSO-SPB2, справа — фото модуля фотоприемника, состоящего из 36 МАФЭУ с общим числом каналов регистрации, равным 2304

Электроника модулей EUSO-SPB2 содержит модуль аналогово-цифрового преобразования сигнала, который осуществляет счет фотоэлектронов с помощью СБИС SPACIROC-3, блок цифровой обработки данных БЦОД на основе системы на кристалле Zynq фирмы XILINX и модуль высокого напряжения (HVPS). SPACIROC3 — это специализированная микросхема, предназначенная для осуществления счета фотоэлектронных импульсов за определенное время. Основа микросхемы — амплитудный дискриминатор, который обеспечивает отбор однофотоэлектронных импульсов в соответствии с выставленными порогами детектирования. Есть два вида порогов: DAC10, который задается для каждого МАФЭУ, и DAC7, индивидуальный для каждого канала регистрации. Установка индивидуальных порогов позволяет оптимизировать эффективность регистрации каждого канала отдельно.

БЦОД отвечает за прием и обработку данных, буферизацию, настройку SPACIROC-3 и реализацию алгоритмов запуска программы измерений. Этот блок также управляет источником высокого напряжения, чтобы в режиме реального времени управлять усилением МАФЭУ при резком изменении интенсивности светового сигнала.

Электроника модулей фотоприемника более подробно описана в работе [7]. Модули с такой же конструкцией будут использованы в орбитальном проекте K-EUSO.

Оптическая система черенковского телескопа основана на системе Шмидта, как и у флуоресцентного телескопа, однако камера выполнена на основе кремневых фотоумножителей. Всего в камере 512 каналов регистрации, поле зрения каждого пиксела — 0.4° × 0.4° (общее поле зрения — 6.4° × 12.8°), временное разрешение — 10 нс. Энергетический порог регистрации — 1 ПэВ [9].

КАЛИБРОВОЧНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

На данном этапе работы над проектом была проведена сборка фотоприемника флуоресцентного телескопа, настройка пороговых дискриминаторов для каждого канала регистрации, а также исследования однородности матрицы и калибровка.

Калибровка проводится в специальном светонепроницаемом боксе, внутри которого установлен фотоприемник, источник света в интегрирующей сфере Labsphere (создающей равномерное освещение фотоприемника и выполняющей функцию делителя светового потока), измеритель мощности Ophir Laserstar с двумя калиброванными фотодиодами (один располагается внутри сферы, другой — рядом с фотодетектором, что необходимо для проведения кросс-калибровки фотодиодов), а также система прецизионного позиционирования, которая позволяет с высокой точностью (10 мкм) направлять коллимированный световой поток в отдельные пикселы и их части. Интегрирующая сфера имеет внутренний диаметр 10.16 см (4 дюйма) и три выходных окна — для светодиода, фотодиода и коллиматора.

Проводятся измерения либо в режиме полной засветки (световой поток попадает на все пикселы одновременно), либо в режиме засветки одного пиксела (с коллиматором на интегрирующей сфере, диаметр выходного отверстия коллиматора — 0.1 мм). Первый тип измерений позволяет определить эффективность всех пикселов одновременно и найти оптимальные значения порогов дискриминатора. Второй тип измерений используется для процедуры сканирования, которая позволяет определять фактические границы каждого пиксела и их внутреннюю структуру. Процедура сканирования выполняется в автоматическом режиме с помощью разработанной программы на ПК.

Примеры измерений показаны на рис. 2. В левой части рисунка — результаты абсолютной калибровки модуля фотоприемника EUSO-SPB2, полученные в режиме сканирования. Цветом отображены эффективности каждого пиксела (отношение числа зарегистрированных импульсов к числу фотонов на площадь пиксела в единицу времени). Хорошо видны как мертвые зоны между МАФЭУ, так и внутренняя неоднородная структура пикселов. Для некоторых краевых пикселов МАФЭУ наблюдаются значения выше квантовой эффективности фотокатода, что объясняется дополнительными шумовыми импульсами, возникающими при большой суммарной засветке фотосенсора. В правой части рисунка показаны зависимости числа фотоэлектронов (или эффективности детектирования) от порога дискриминатора DAC10 (так называемые кривые S-curve), снятые в режиме с индивидуальными порогами DAC7. Обращает на себя внимание существенный разброс полученных кривых по вертикальной шкале, что связано с индивидуальными характеристиками каналов регистрации, отличающихся даже в рамках одного МАФЭУ). С этим связана необходимость прецизионной попиксельной калибровки камеры. Индивидуальные пороги фотоприемника найдены для общего порога DAC10 = 800. Одновременное возникновение пьедестала демонстрирует установку оптимальных индивидуальных порогов на данном фотоприемнике, при которых эффективность регистрации является максимальной.

Рис. 2. Слева — результат сканирования матрицы модуля фотоприемника. Цветом отображены эффективности каждого пиксела. Темные области — границы между МАФЭУ. Разрешение сканирования — 200 × 200 точек на сторону фотоприемника (длина стороны 167 мм), длина волны светодиода — 375 нм. Справа — зависимость эффективности пиксела от порога дискриминатора (калибровочные кривые s-curve). Выставлены индивидуальные пороги, при которых эффективность детектирования при общем пороге 800 является максимальной

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

EUSO-SPB2 планируется к запуску весной 2023 г., и полученные в ходе эксперимента данные помогут подтвердить и усовершенствовать методы детектирования ШАЛ. Эксперимент также является важным этапом в разработке орбитальных детекторов космических лучей предельно высоких энергий и нейтрино K-EUSO и POEMMA. В ходе предполетной подготовки научной аппаратуры проекта разработана и применена методика калибровки многопиксельной камеры, работающей в режиме счета фотонов. Определены оптимальные пороги регистрации и эффективности всех 6912 каналов матрицы фотоприемника. Эти значения будут использованы как для более детального моделирования работы аппаратуры, так и при анализе данных (реконструкции параметров событий).