«Определение оптимального временного интервала для измерения вариации

«Определение оптимального временного интервала для измерения вариации
интенсивности частиц космических лучей на уровне земли»
Гридин Андрей Олегович
г. Ставрополь, ГОУ ДОД Центр Поиск, 11 класс,
науч. рук.: Шелков Георгий Александрович, кандидат физико-математических наук, зам
директора по науке Лаборатории Ядерных Проблем ОИЯИ (г. Дубна), зам зав базовой
кафедрой МФТИ в ОИЯИ, старший научный сотрудник.
Космическое излучение – поток частиц высоких энергий, прилетающих на Землю из глубин
Космоса, названных позже космическими лучами, было экспериментально обнаружено в 1912
году. Это явление продолжает быть предметом научного исследования до сих пор.
От Солнца и из глубин Космоса на Землю непрерывно прилетают частицы различной (до 10 21
эВ) энергии. Некоторые летят несколько тысяч лет, так что такой путь могут проделать только
стабильные частицы – прежде всего электроны, протоны и дейтроны - ядра водорода и
дейтерия. Этот поток частиц называют первичным космическим излучением. Атмосфера
Земли, толщина которой составляет 1 кг/см 2 , защищает планету от этого потока. Частицы
малых энергий целиком поглощаются в атмосфере, а частицы высоких энергий образуют целый
конус вторичных частиц, которые принято называть Широкими Атмосферными Ливнями
(ШАЛ).
Частица первичных космических лучей, двигаясь в атмосфере Земли, рано иди поздно
сталкивается (взаимодействует) с ядрами газов атмосферы. В этом столкновении рождается
множество вторичных частиц, а энергия первичной частицы уменьшается. Эти рожденные
частицы также испытывают соударения с ядрами газов атмосферы, и в итоге образуется ШАЛ.
Рис 1. Явление Широкого Атмосферного Ливня
Важно, что все частицы ШАЛ движутся со скоростями близкими к скорости света и достигают
поверхности Земли практически одновременно.
Этот продолжающийся уже почти сто лет научный интерес в сочетании с важной особенностью
космических лучей – их доступностью (они непрерывно падают на поверхность Земли в любой
ее точке, и поэтому для их получения не трубуется создания каких-либо специальных
1
устройств) привели к появлению идеи создания физиками специализированых установок для
регистрации КЛ и организации специальных научно-учебных проектов, использующих
получаемую информацию для вовлечения школьников в актуальные научные исследования.
В 2005 году идею создания установки для регистрации Широкого Атмосферного Ливня (ШАЛ)
- потока вторичных частиц космических лучей подхватили ученые Объединенного Института
Ядерных Исследований (г. Дубна).
На сегодняшний день подобные проекты действуют в нескольких странах (США, Канада,
Германия и др.).
Особенность проекта, который получил название «Ливни Знаний» в том, что он не только
первый в России, но и открытый, т.е. принять участие в исследовании космических лучей могут
все желающие со всего мира, в отличие от других проектов, в которых установки
устанавливаются в школах и привлекают прежде всего учащихся именно той школы.
Работа и общение с физиками происходит с помощью интерактивного сайта, http://livni.jinr.ru,
который собирает данные с Распределенной Установки для регистрации Атмосферных Ливней
(РУСАЛКИ) и позволяет в режиме реального времени выбирать инетресующие участника
данные и анализировать их строя всевозможные гистограммы и графики, с помощью которых
можно исследовать самые разные эффекты как работы самой установки, так и ШАЛ.
В задачи проекта «Ливни Знаний» входит:
- Дать учителям и школьникам представление о современных проблемах науки.
- Проект позволит участвовать школьникам и их учителям на конференциях (в том числе
международных) со своими научными результатами.
- Пропаганда научной деятельности и привлечение молодежи к участию ней.
Исследования проводятся на Распределенной Установке для регистрации Атмосферных Ливней
(РУСАЛКА), которая расположена в Дубне (ОИЯИ). Регистрация вторичных космических
лучей происходит с помощью сцинтилляционных детекторов. Вся установка сейчас
представляет собой кластер из 7 станций, но при успешном развитии проекта планируется как
добавления новых станций в этом кластере, так и создание новых кластеров. Станция включает
в себя два расположенных рядом детектора (сцинтилляционный счетчик размером 60х80 см)
приемник системы глобального позиционирования GPS/ Глонасс, блок электроники и
одноплатный компьютер для временного хранения информации и дальнейшей передачи и
непрерывного накопления в центральный сервер установки.
Рис 3. Схема станции установки РУСАЛКА
Рис 2. Станция установки
2
Исключение составляет станция №1, имеющая иную конструкцию, которая сейчас находится в
стадии запуска. С помощью приемника GPS системы (возможен переход и к системе
ГЛОНАСС) становится возможным определить точное (с точностью нескольких десятков
наносекунд) абсолютное время (в шкале Всемирного времени) появления сигнала в каждой
отдельной станции. В дальнейшем, при обработке, это даст возможность выделять события
появивишиеся в разных станциях одновременно (случаи пояления ШАЛ) и, кроме того
выделять случаи временных совпадений сигналов от станций, расположенных в любой точке
Земли. Вся информация о событиях временно накапливается в компьютере каждой станции, раз
в 2 часа передается на центральный сервер, где перерабатывается в события формата ROOT и
постоянно хранится на дисковой памяти центрального сервера установки. Любой участник
проекта через интернет получает доступ к этим данным, а также к ряду готовых программ (с
интерактивным управлением) с помощью которых он может анализировать выбранные им
данные и получать результаты в виде одномерных и двумерных гистограмм. Особенность
данного проекта состоит в том, что авторы проекта дают доступ не только к конечным данным
о регистрации ШАЛ, но и данные методических измерений, цель которых состоит в
демонстрации особенностей работы установки и методов ее диагностики и настройки.
Для выделения случаев образования ШАЛ в атмосфере, в установке Русалка используется
следующий способ. На полу в помещениях Лаборатории Ядерных Проблем ОИЯИ
устанавливается два сцинтилляционных счетчика размером (60х80) см. каждый. В
сцинтилляторе (особый вид пластмассы) такого счетчика частица ШАЛ дает слабую световую
вспышку. Этот свет с помощью волоконной оптики собирается на фотоумножитель (ФЭУ) в
котором свет образует электрон и усиливается.
Рис 4. Передача света через оптоволокно в ФЭУ
Таким образом, после попадания на сцинтиляционный счетчик заряженной частицы ШАЛ, на
выходе ФЭУ появляется короткий электрический сигнал. Специальная электронная схема,
анализируя сигналы, поступающие с этих двух детекторов, выбирает события, в которых
сигналы от счетчиков появляются достаточно близко по времени (в нашей установке в
диапазоне +- 1,2 мксек). Такие события очень похожи на искомые события ШАЛ, в которых на
Землю одновременно падает множество частиц и имеется достаточная вероятность
одновременного попадания в оба счетчика. Таким образом, в установке Русалка происходит
предварительный отбор событий для дальнейшего анализа. Как это реально происходит?
Сигналы со счетчиков поступают в блоки дискриминаторов для преодоления порога. Порог это разделительный уровень, для «принятия решения» дискриминатором о поступившем на
него сигнале от счетчика. Сигналы ниже уровня порога игнорируются. Превышающий уровень
порога (который надо правильно выбрать), сигнал поступает на 2 выхода. Один сигнал
стандартной амплитуды идет в схему совпадений, в которой сигналы с обоих детекторов
сопоставляются во времени в указанном выше временном интервале ±1,2 мксек, а второй
сигнал идет в блок оцифровки, где определяется длительность сигнала с детектора на уровне
пересечения им порогового уровня и с помощью GPS/Глонасс системы определяется время
появления сигналаов с обоих детекторов с точностью 5 нсек. Отобранные и сформированные
таким образом данные записываются в память одноплатного компьютера, с которого
3
периодически через компьютерную сеть ОИЯИ переписываются в память центрального
сервера, на котором они пстоянно сохраняются. Несколько раз в сутки накопленные данные
преобразуются в принятый у специалистов физиков Root data формат и также сохраняются в
дисковой памяти центрального сервера. Именно эти данные используются при выполнении
заданий по заказам пользователей.
Рис 5. Блок схема работы электроники для отбора событий
Рис 6. Блок с электроникой станции
Работа и общение экспертов (физиков) с участниками ведется с помощью интерактивного сайта
http://livni.jinr.ru. Создатели сайта сделали специальную программу, с помощью которой даже
малоподготовленномый посетитель сайта имеет возможномть выбирать данные, набранные
установкой в интересующий его временной период, и строить некоторый (постоянно
расширяющийся) набор зависимостей в виде гисторгамм, котрые после выполнения созданного
посетителем задания появляются на экране его компьютера. Анализируя эти зависимости
можно выполнять ряд интерсных исследований, что прежде всего дает возможность
ознакомиться с методами анализа и представления данных, принятых в современной науке.
Задача участников – анализ полученных графиков и описание явлений. Пример такого
исследования описан в данной работе.
На данный момент доступны следующие основные задачи: (список задач будет со временем
увеличиваться)
- Rate(time) - Зависимость скорости счета выбранной станции в заданный период времени.
- dT in one station - Распределение временных интервалов между сигналами в двух детекторах
одной и той же станции в отобранных триггером событиях.
4
- Rate(time) for classes A and B - Зависимость скорости счета выбранной станции в заданный
период времени для отобранных событий классов «А» (истинные совпадения) и «В»
(случайные совпадения).
- Rate for classes A and B for different stations - отношение скоростей счета событий классов А
и В для разных станций
- Signal duration - построение двумерного распределения длительностей сигналов с детекторов
выбранной станции
- Signal duration AB - построение двумерного распределения длительностей сигналов с
детекторов выбранной станции для событий классов «А» и «В»
Рассмотрим подробнее задачи dT in one station, Rate(time) и Rate(time) for classes A and B.
Назовем события, большая вероятность которых, что это события ШАЛ событиями класса «А».
Остальные (фоновые) события – событиями класса «В».
В результате выполнения задач Rate(time) и Rate(time) for classes A and B строятся графики
зависимостей скоростей счета (частоты регистрации) в заданный промежуток времени.
Отличие задач в том, что в результате выполнения второй задачи – строятся зависимости для
событий классов «А» и «В» раздельно. По горизонтальной оси этих гистограмм отложено
время (дата) набора данных , а по вертикали – количество событий за выбранный временной
интервал (цена канала гистораммы). Работая с этими гистограммами, можно определять
интенсивность регистрации частиц ШАЛ за указанный промежуток времени.
В частности, при запуске этих заданий, кроме указания времени начала и конца для
анализируемых данных и номеров изучаемых станций, необходимо указывать количество
каналов (бинов) в гистограмме, т.е количество частей, на которые разобьет программа
гистограмму.
Задача представленной работы – найти зависимость точности измерений от размера
единичного канала гистограммы и определить оптимальный размер канала для изучения тех
или иных зависимостей и наиболее ясного представления графика.
Построим графики задачи Rate (time) для станции №2 в период с первого по 7 февраля 2010
года с разной длиной канала: неделя, сутки, 8 часов, 1 час, 5 минут. Сравним точность
измерений для заданных значений канала.
Усреднение за неделю
Количество бинов: 1
Средняя частота регистрации вторичных частиц ШАЛ: ≈0,29 Гц
Количество событий: 7*24*60*60*0,29 = 175392
Ошибка измерения вычисляется по формуле N  N , где N – число событий
С учетом ошибки количество событий N=175392±419.
5
Обозначим процент ошибки  
N
* 100% ;  =0.2%
N
Усреднение за сутки
Количество бинов: 7
С этого момента и далее нет смысла писать значение средней частоты, т.к. оно не будет
меняться, ведь на следующих нескольких графиках будут показаны все те же события за
тот же промежуток времени, только с другой длиной бина.
Среднее количество событий в одном бине: 24*60*60*0,29 = 25056
Количество событий в одном бине с учетом возможной ошибки: 25056±158
 =0.6%
Усреднение за 8 часов.
Количество бинов: 21
Среднее количество событий в одном бине: 8*60*60*0,29 = 8352
Количество событий в одном бине с учетом возможной ошибки: 8352±91
 =1%
Усреднение за 1 час
6
Количество бинов: 168
Среднее количество событий в одном бине: 1*60*60*0,29 = 1044
Количество событий в одном бине с учетом возможной ошибки: 1044±32
 =3%
Усреднение за 5 минут
Количество бинов: 2016
Среднее количество событий в одном бине: 1*60*0,29*5=87
Количество событий в одном бине с учетом возможной ошибки: 87±9
 =10%
На основании полученных данных построим график зависимости точности измерения от длины
бина:
Зависимость точности измерения от длины бина:
ошибка измерения, %
12
10
8
6
4
2
0
168
24
8
1
Длина канала, ч
7
0.08
Длина бина
Ошибка измерения, %
168 часов (неделя)
24 часа (сутки)
8 часов
1 час
5 минут
0,2
0,6
1
3
10
Вывод:
На графике видно, что чем меньше длина бина, тем больше абсолютная ошибка измерения.
Если нас интересуют вариации космических лучей с временной шкалой несколько часов, то
построение графика с ценой канала в одни сутки бессмысленна, несмотря на высокую точность
полученных данных. Если мы хотим наблюдать эффекты вариации на уровне процента, то при
данной интенсивности регистрации ШАЛ мы сможем наблюдать эффекты с временем вариации
не менее 8 часов. Измерение вариации интенсивности ШАЛ на уровне 1 часа возможна лишь с
точностью 3 процента.
Наблюдения вариаций ШАЛ можно также наблюдать, строив и анализируя гистограммы задачи
Rate(time) for classes A and B. В полученных графиках отображается частота регистрации
событий классов «А» и «В» в заданный промежуток времени, что позволяет проводить
достаточно точную настройку станций, оценивать природу регистрируемых событий.
8