Супер-Каміоканде (, повна назва: Супер-каміокський експеримент виявлення нейтрино, скорочено Super-K або СК) — нейтринна обсерваторія під горою Ікено в підземеллі шахти Мозумі в Каміокській частині міста Хіда у префектурі Ґіфу в Японії. Обсерваторія була призначена для пошуку розпаду протона, дослідження сонячних нейтрино і атмосферних нейтрино, а також для спостереження за надновими в Чумацькому Шляху.

Опис Обсерваторія Супер-Каміоканде розташована на глибині 1000 метрів під землею в шахті Мозумі в Каміокській частині міста Хіда у префектурі Ґіфу в Японії. Вона складається з циліндричного резервуара з нержавіючої сталі 41,4 метрів заввишки і 39,3 метрів у діаметрі й містить 50 000 тонн . Обсяг бака розділений надбудовою з нержавіючої сталі на область внутрішнього детектора 33,8 метрів у діаметрі і 36,2 м заввишки та на область зовнішнього детектора, який складається з решти обсягу бака. На надбудові встановлено фотоелектронні трубки 50 см у діаметрі, які облицьовують внутрішній детектор, і ФЕП-трубки діаметром 20 см, які облицьовують зовнішній детектор. Внутрішній та зовнішній детектори оптично відокремлені прикріпленим до надбудови синтетичним матеріалом тайвеком, нетканим поліетиленовим волокном високої щільності, і бар'єром із чорного листового матеріалу.

Взаємодія нейтрино з електронами або ядрами води може створити заряджену частинку, що рухається швидше, ніж швидкість світла у воді (не слід плутати з перевищенням швидкості світла у вакуумі). Це створює конус світла, відомий як черенковське випромінювання, оптичний еквівалент звукового удару. Черенковське випромінювання проектується у вигляді кільця на стінці детектора і реєструється ФЕП-трубками. Точка взаємодії, кільцевий напрямок і аромат нейтрино визначається завдяки інформації про час і заряд, записані кожною ФЕП-трубкою. Від різкості краю кільця можна зробити висновок про тип частинки. Багаторазове розсіювання електронів велике, тому електромагнітні дощі викликають нечіткі кільця. Високорелятивістські мюони, на відміну від цього, подорожують майже прямо через детектор і викликають кільця з гострими краями.

Детектор Супер-Каміоканде — це черенковський детектор, що використовується для вивчення нейтрино з різних джерел, включаючи Сонце, наднові, атмосферу і прискорювачі для розпаду протона. Експеримент почався в квітні 1996 року і був закритий на технічне обслуговування в липні 2001 року, в період, відомий як SK-I. Оскільки аварія сталася під час технічного обслуговування, експеримент відновлено в жовтні 2002 року лише з половиною від свого початкового числа ФЕП-трубок внутрішнього детектора. Для того, щоб запобігти подальшим нещасним випадкам, усі ФЕП-трубки внутрішнього детектора були покриті пластиковолокном з акриловими передніми вікнами. Ця фаза з жовтня 2002 року аж до наступного закриття для повної реконструкції в жовтні 2005 року називається SK-II. У липні 2006 року експеримент поновлено з повним числом ФЕП-трубок і припинено у вересні 2008 року для модернізації електроніки. Цей період був відомий як SK-III. Період після 2008 року відомий як SK-IV. Фази та їхні основні характеристики наведено в таблиці 1.

+ Таблиця 1Фаза SK-I SK-II SK-III SK-IV Період Початок Квітень 1996 Жовтень 2002 Липень 2006 Вересень 2008 Кінець Липень 2001 Жовтень 2005 Вересень 2008 (діючий) Кількість ФЕП-трубок Внутрішній детектор 11146 (40%) 5182 (19%) 11129 (40%) 11129 (40%) Зовнішній детектор1885Антиімплозивний контейнер Відсутній Присутній Присутній ПрисутнійСегментація зовнішнього детектора Відсутня Відсутня Наявна НаявнаІнтерфейсна електроніка Аналоговий модуль синхронізації (Вн. детектор) QBEEЕлектроніка з технологією Ethernet на основі перетворювача заряду у час Перетворювач заряду у час зовнішнього детектора

Оновлення SK-IV На попередніх етапах ФЕП-трубки внутрішнього детектора обробляли сигнали виготовленими на замовлення електронними модулями, що мають назву аналогових модулів синхронізації. В цих модулях містяться зарядно-аналогові перетворювачі (ЗАП) і часо-аналогові перетворювачі (ЧАП), які мали динамічний діапазон від 0 до 450 пікокулонів з роздільною здатністю 0,2 пКл для заряду і від -300 до 1000 наносекунд з роздільною здатністю 0,4 нс для часу. Наявність двох пар ЗАП/ЧАП для кожного вхідного сигналу ФЕП запобігала часу простою і дозволяла зчитування кількох послідовних ударів, які можуть виникнути, наприклад, від електронів, що є продуктами розпаду зупинки мюонів.

Система SK була модернізована у вересні 2008 року з метою підтримки стабільності в наступному десятилітті і поліпшення пропускної здатності систем збору даних, перетворювачів заряду в час на основі електроніки з технологією Ethernet (). QBEE забезпечує обробку сигналу високої швидкості за рахунок комбінування конвеєрних компонентів. Ці компоненти нещодавно розроблені на замовлення перетворювач заряду в часу (ПЗЧ — ) у вигляді спеціалізованої інтегральної схеми (СІС — ), багатоударного часо-цифрового перетворювача (ЧЦП — ) і програмованого масиву вентилів, (ПМВ — ). Кожен вхід ПЗЧ має три діапазони посилення — «Малий», «Середній» і «Великий». Роздільні здатності для кожного з них наводяться в таблиці.

+ Перелік діапазонів ПЗЧ для отримання заряду. Діапазон Вимірювальний регіон Роздільна здатність Малий 0—51 пКл 0,1 пКл/кількість Середній 0—357 пКл 0,7 пКл/кількість Великий 0—2500 пКл 4,9 пКл/кількість

Для кожного діапазону аналого-цифрове перетворення здійснюється окремо, але єдиний діапазон, який не може бути насичений, це діапазон з найвищою роздільною здатністю. Загальний динамічний діапазон заряду ПЗЧ становить 0,2 — 2500 пКл, в п'ять разів більше, ніж у попередній версії. Роздільна здатність заряду і часу QBEE на одному фотоелектронному рівні становить 0,1 фотоелектронів і 0,3 нс відповідно, обидві кращі, ніж роздільні здатності, притаманні ФЕП-трубкам. QBEE досягає хорошої лінійності заряду в широкому динамічному діапазоні. Вбудована лінійність заряду електроніки краща, ніж на 1%. Пороги частотних детекторів у ПЗЧ встановлені на -0,69 мВ (що еквівалентно 0,25 фотоелектронам, що становить те ж саме значення, яке було для SK-III). Цей поріг було обрано, щоб відтворити поведінку детектора під час попередніх етапів на основі аналогових модулів синхронізації.

Водяний бак Зовнішня оболонка водяного резервуара являє собою циліндричний бак з нержавіючої сталі 39 м в діаметрі і 42 м заввишки. Бак підтримує себе, з бетонним наповненням біля стін з груботесаного каменю, щоб витримати тиск води заповненого бака. Ємність резервуара перевищує 50 000 тонн води.

ФЕП-трубки і пов’язана структура Основною одиницею для внутрішніх ФЕП-трубок є «супермодуль» — рамка, яка підтримує 3×4 матрицю ФЕП. Супермодульні рами 2,1 м заввишки, 2,8 м завширшки і 0,55 м завтовшки. Ці рами з'єднані між собою у вертикальному і горизонтальному напрямках. Потім уся структура підтримки прикріплена до нижньої частини бака і до верхньої конструкції. На додаток до діючих в ролі жорстких конструктивних елементів, супермодулі спрощують початкову збірку внутрішнього детектора. Кожен супермодуль був зібраний на дні резервуара, а потім піднятий у заплановане положення. Таким чином, внутрішній детектор фактично облицьований супермодулями. Під час установки внутрішнього детектора ФЕП були попередньо зібрані по троє для легкої установки. Кожен супермодуль має дві ФЕП-трубки зовнішнього детектора, прикріплені на його задній стороні. Опорна конструкція для нижніх ФЕП-трубок прикріплена до нижньої частини резервуара з нержавіючої сталі, з одним вертикальним променем на раму супермодуля. Опорна конструкція для верхньої частини резервуара також використовується як несуча конструкція для верхніх ФЕП-трубок.

Кабелі від кожної групи трьох ФЕП-трубок зв'язані разом. Усі кабелі прокладені до зовнішньої поверхні опорної конструкції для ФЕП-трубок, тобто на поверхні зовнішнього детектора, проходять через кабельні порти в верхній частині бака, а потім направляються в будку з електронікою.

Товщина зовнішнього детектора змінюється незначно, але в середньому становить близько 2,6 м на верхній і нижній частині і 2,7 м на стінці циліндра, що дає 18 кілотонн загальної маси зовнішнього детектора. Зовнішні ФЕП-трубки були розподілені в такий спосіб: 302 на верхньому шарі, 308 на дні і 1275 на стінці циліндра.

Для захисту від низькоенергетичного фону від продуктів розпаду радону в повітрі, дах порожнини і тунелі доступу були запечатані з покриттям під назвою Mineguard®, виробленого канадською компанією Urylon. Mineguard® — це нанесена розпиленням поліуретанова мембрана, розроблена для використання як система підтримки каменів і бар'єр від газу радону в гірничодобувній промисловості.

Середнє магнітне поле Землі становить близько 450 мг, і нахилене приблизно на 45° по відношенню до горизонту на ділянці детектора. Це становить проблему для великих і дуже чутливих ФЕП-трубок, які надають перевагу набагато нижчому полю навколишнього середовища. Сила і рівномірний напрямок геомагнітного поля може систематично зміщувати фотоелектронні траєкторії і синхронізації в ФЕП-трубках. Для протидії цьому 26 комплектів горизонтальних і вертикальних котушок Гельмгольца розташовані навколо внутрішніх поверхонь резервуара. З їхньою допомогою в робочому стані середнє поле в детекторі зменшується до приблизно 50 мг. Магнітне поле в різних місцях ФЕП-трубок було виміряно до наповнення резервуара водою.

Стандартний фідуціарний об'єм приблизно 22,5 кілотонн визначений як область всередині поверхні на відстані 2,00 м від стіни внутрішнього детектора, щоб звести до мінімуму аномальну реакцію, викликану природною радіоактивністю в навколишній породі каменів.

Система спостереження

Система спостереження в режимі реального часу Комп'ютер для спостереження в режимі реального часу знаходиться в диспетчерській і зчитує дані з комп'ютера системи збору даних через канал розподіленого волоконного інтерфейсу даних. Вона забезпечує оператори зсуву за допомогою гнучкого інструменту для вибору можливостей показу події, робить гістограми недавньої історії в режимі онлайн для стеження за продуктивністю детектора, а також виконує ряд додаткових завдань, необхідних для ефективного спостереження за станом та діагностикою детектора і проблем системи збору даних. Події в потоці даних можуть бути видалені і елементарні інструменти аналізу можуть бути застосовані для перевірки якості даних під час калібрування або після того, як відбулися зміни в апаратному або програмному забезпеченні.

Спостереження за спалахами наднових у режимі реального часу Для виявлення та ідентифікації таких спалахів, так ефективно і швидко, наскільки це можливо, Супер-Каміоканде оснащений системою спостереження за спалахами наднових у режимі реального часу. Загалом очікується близько 10000 подій вибуху наднових у центрі нашої Галактики в Супер-Каміоканде. Супер-Каміоканде може виміряти вибух без , до 30000 подій протягом першої секунди вибуху. Теоретичні розрахунки вибухів наднових припускають, що нейтрино випромінюються на загальній шкалі часу десятків секунд, причому близько половина з випущених нейтрино випускаються протягом перших однієї або двох секунд. Супер-К буде шукати кластери подій у певних часових вікнах 0,5, 2 і 10 сек. Дані передаються в процесі аналізу до аналізатора наднових в режимі реального часу кожні 2 хв і аналіз завершується, як правило, протягом 1 хв. Коли кандидати подій наднових знаходяться, обчислюється , якщо кратність події більша, ніж 16, де визначається як середня просторова відстань між подіями, тобто