Ανίχνευση και μελέτη εκτεταμένων ατμοσφαιρικών καταιονισμών με χρήση καινοτόμων ανιχνευτών και αλγορίθμων

Abstract

Η παρούσα διατριβή αναφέρεται στην εγκατάσταση και λειτουργία του κατανεμημένου τηλεσκοπίου ανίχνευσης κοσμικών ακτίνων HELYCON, το οποίο βρίσκεται στις εγκαταστάσεις του Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου στην Πάτρα. Η ανίχνευση των κοσμικών ακτίνων έγινε με υβριδικό τρόπο, μέσω ανίχνευσης των δευτερευόντων σωματιδίων των Εκτεταμένων Ατμοσφαιρικών Καταιονισμών με χρήση ανιχνευτών σπινθηρισμού και μέσω ανίχνευσης της ραδιοκυματικής εκπομπής της ηλεκτρομαγνητικής συνιστώσας του καταιονισμού με χρήση κεραιών. Πριν την εγκατάσταση του τηλεσκοπίου αναπτύχθηκαν μέθοδοι, τεχνικές και οργανολογία προκειμένου να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας και να βαθμονομηθούν οι ανιχνευτικές διατάξεις. Για την ορθή παραμετροποίηση των χαρακτηριστικών λειτουργιάς, της βαθμονόμησης αλλά και για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του τηλεσκοπίου, εκτελέστηκε μεγάλης κλίμακας προσομοίωση για την εξέλιξη των καταιονισμών στην ατμόσφαιρα με χρήση του λογισμικού Corsika και για την απόκριση των ανιχνευτικών διατάξεων με χρήση του λογισμικού HOURS. Η εγκατάσταση του τηλεσκοπίου αφορά 3 αυτόνομους ανιχνευτικούς σταθμούς, με τον κάθε έναν από αυτούς να αποτελείται από 3 ανιχνευτές σπινθηρισμού σε τριγωνική διάταξη και μία κεραία ανίχνευσης ραδιοκυμάτων στο μέσο του κάθε σταθμού. Η λήψη των πειραματικών δεδομένων των ανιχνευτών σπινθηρισμού βασίζεται στην τεχνική της μέτρησης του χρόνου πάνω από το κατώφλι (Time over Threshold – ToT), απαιτώντας τριπλή σύμπτωση μεταξύ των ανιχνευτών του σταθμού, ενώ παράλληλα παράγεται σήμα εξωτερικού σκανδαλισμού για την κεραία του σταθμού. Για να επαληθευθεί η πιστότητα των μεθόδων προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν όσον αφορά στην περιγραφή φυσικών διαδικασιών και λειτουργικών χαρακτηριστικών, αλλά και για να αναπτυχθούν μέθοδοι εκτίμησης των φυσικών χαρακτηριστικών των καταιονισμών χρησιμοποιώντας αποκλειστικά την πληροφορία χρονισμού που καταγράφεται από το σύστημα ψηφιοποίησης, έγινε συλλογή δεδομένων υπό ειδικές συνθήκες. Η επεξεργασία του σήματος των ανιχνευτών σπινθηρισμού με χρήση τεχνικών στατιστικής ανάλυσης και σε συνδυασμό με την προσομοίωση, συντέλεσαν σε χρονισμό σήματος μεγάλης ακρίβειας που συνέβαλε στην εκτίμηση των φυσικών χαρακτηριστικών των καταιονισμών. Στο ραδιοκυματικό σήμα εφαρμόσθηκε μέθοδος σύγκρισης των χαρακτηριστικών του με πρότυπα της ραδιοκυματικής εκπομπής και επιβεβαιώθηκε η προέλευση του από τον κοσμικό καταιονισμό σε αντίξοες συνθήκες λειτουργίας λόγο του τεράστιου ανθρωπογενούς υποβάθρου θορύβου.

The present dissertation refers to the installation and operation of the HELYCON cosmic ray detector array, located at the Hellenic Open University campus in Patras. The detection of cosmic rays was performed in two modes, by detecting the secondary particles of the Extensive Air Showers using scintillator counters and by detecting the radio emission of the electromagnetic component using antennas. Before the installation of the telescope, methods, techniques and instrumentation were developed, in order to study the functional features and to calibrate the detection arrays. For the proper parameterization of the functional features, of the calibration but also for the confirmation of the proper functionality of the telescope, a large-scale simulation of the evolution of the shower in the atmosphere with the use of Corsika software package and of the response of the detector array with the use of HOURS software package were performed. The telescope comprises 3 autonomous stations, each one of them consisting of 3 scintillator detectors in a triangular configuration and a radio antenna in the middle of each station setup. The data acquisition for the scintillator counters is based in the Time over Threshold (ToT) technique, demanding triple coincidence between the counters of a station, also providing signal as external trigger to the antenna of that station. In order to verify the fidelity of the developed simulation method, concerning the physical processes and functional characteristics, as well to develop evaluation methods for the physical characteristics of the showers, by using exclusively the information recorded by the digitization system, a special data set was collected. The signal processing of the scintillator counters with the use of statistical analysis techniques in conjunction with the simulation, resulted signal timing of high resolution, that contributed to the estimation of the physical characteristics of the showers. For the radio signal characteristics, applied a comparison method with the standards of radio emission and confirmed the origin from the cosmic shower in adverse operating conditions due to huge anthropogenic noise background.