Ανάπτυξη οργανολογίας και μεθόδων ανίχνευσης ατμοσφαιρικών καταιονισμών κοσμικών σωματίων και εφαρμογές στη βαθμονόμηση υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων

Abstract

This thesis describes the design and construction of the prototype scintillation detectors of the HELYCON (HEIIenic LYceum Cosmic Observatories Network) extended atmospheric shower telescope, as well as the electric and electronic components for the control and monitor of the detector stations. In addition, it describes the methodology developed for the systematic calibration of photomultipliers and detectors on a large scale and its utilisation for the calibration of the HELYCON prototype detectors. A software simulation package was developed for the simulation of the operation of the detectors and the results were compared and found to be in very good agreement with data accumulated with the HELYCON detectors. For the needs of the data acquisition, a system of full digitization of the photomultipliers and detectors waveforms was developed, based on the use of high sampling rate oscilloscopes and the development of software for fast acquisition, analysis and monitor of the data. In parallel, the Time over Threshold technigue was examined and evaluated for the digitization of the data of the HELYCON detectors, as well as for the Optical Modules (OM) of a large underwater neutrino telescope. In addition, a prototype device for the implementation of the technigue was calibrated and evaluated. The ToT technigue bears significant advantages regarding the amount of data to be transferred and recorded and its use is being considered for the digitization of the data of the large volume underwater neutrino telescope KM3NeT, to be constructed in the Mediterranean. For the evaluation of the HELYCON detectors in recording cosmic ray showers and reconstructing their characteristics, data were acquired with two prototype detector stations (each with 3 detectors) at the Physics Laboratory of the School of Science & Technology of the Hellenic Open University. The results are in accordance with results from similar experiments and with the prediction of the theoretical models. Finally, a methodology for the calibration and optimization of an underwater neutrino telescope using floating arrays of HELYCON cosmic ray detectors, was developed and evaluated by means of full simulation, employing the different underwater neutrino telescope geometries under consideration for the KM3NeT neutrino telescope.

Στη διατριβή αυτή περιγράφεται η σχεδίαση και κατασκευή των πρωτοτύπων ανιχνευτών σπινθηρισμού του τηλεσκοπίου εκτεταμένων ατμοσφαιρικών καταιονισμών HELYCON, καθώς και των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων ελέγχου των ανιχνευτικών σταθμών και απεικόνισης της λειτουργίας τους. Επίσης, περιγράφεται η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για τη συστηματική βαθμονόμηση φωτοπολλαπλασιαστών και ανιχνευτών σε ευρεία κλίμακα και η εφαρμογή της στις πρωτότυπες ανιχνευτικές διατάξεις του HELYCON. Για την προσομοίωση της λειτουργίας των ανιχνευτών και των ανιχνευτικών σταθμών αναπτύχθηκε λογισμικό προσομοίωσης και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με δεδομένα που έχουν ληφθεί με τους ανιχνευτές του HELYCON, παρουσιάζοντας πολύ καλή συμφωνία. Για τη λήψη και καταγραφή των δεδομένων των φωτοπολλαπλασιαστών και των ανιχνευτών του HELYCON, αναπτύχθηκε σύστημα πλήρους ψηφιοποίησης των δεδομένων, που βασίζεται σε παλμογράφους υψηλού ρυθμού δειγματοληψίας και την ανάπτυξη λογισμικού για την ταχεία λήψη των δεδομένων, τον έλεγχο, την ανάλυση και την απεικόνισή τους. Παράλληλα, αξιολογήθηκε και βελτιστοποιήθηκε η τεχνική Χρόνου πάνω από Κατώφλι για την ψηφιοποίηση δεδομένων των ανιχνευτών του HELYCON αλλά και υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων. Επιπλέον, βαθμονομήθηκε και αξιολογήθηκε ηλεκτρονική διάταξη για την εφαρμογή της τεχνικής. Η τεχνική Χρόνου πάνω από Κατώφλι παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα όσον άφορα τον όγκο των δεδομένων που απαιτείται να μεταφερθούν και να αποθηκευτούν και εξετάζεται η χρήση της για την ψηφιοποίηση των δεδομένων του υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων μεγάλου όγκου KM3NeT που θα κατασκευαστεί στη Μεσόγειο. Για την αξιολόγηση των ανιχνευτών του HELYCON όσον αφορά τη λήψη δεδομένων ατμοσφαιρικών καταιονισμών και την ανακατασκευή των χαρακτηριστικών τους, πραγματοποιήθηκε πιλοτική λήψη δεδομένων με δύο πρωτοτύπους ανιχνευτικούς σταθμούς στο Εργαστήριο Φυσικής της Σχολήςθετικών Επιστήμων & Τεχνολογίας του Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστήμιου και αναπτύχθηκε λογισμικό για την ανάλυση των δεδομένων. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης βρίσκονται σε συμφωνία με τα αποτελέσματα άλλων αντίστοιχων πειραμάτων και με τις προβλέψεις των θεωρητικών μοντέλων. Τέλος, αναπτύχθηκε μεθοδολογία για τη βαθμονόμηση και βελτιστοποίηση υποθαλάσσιου τηλεσκοπίου νετρίνων με τη χρήση πλωτών συστοιχιών ανιχνευτών του HELYCON και αξιολογήθηκε βάσει επισταμένης προσομοίωσης για διάφορες γεωμετρίες υποθαλάσσιων τηλεσκοπίων νετρίνων, που προτείνονται για το υποθαλάσσιο τηλεσκόπιο νετρίνων KM3NeT.