Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Конструкция мюонного годоскопа на сцинтилляционных стрипа х 16
1.1. Сцинтилляционный стрип 16
1.2. Многоанодный ФЭУ 20
1.3. Базовый модуль 22
1.4. Координатная плоскость 24
1.5. Супермодуль детектора 27
Раздел 2. Технологическая линия сборки СцМГ 29
2.1. Стенды для тестирования элементов СцМГ 29
2.1.1. Стенд для тестирования стрипов 29
2.1.2. Стенд для измерения характеристик многоанодных ФЭУ 38
2.1.3. Стенд для тестирования плат ФЭУ 44
2.1.4. Стенд для БМ на основе СМ мюонного годоскопа УРАГАН 49
2.2. Настройка супермодулей СцМГ 58
Раздел 3. Система регистрации и обработки данных 61
3.1. Плата ФЭУ базового модуля 62
3.2. Система сбора данных 65
3.3. Система триггирования 66
3.4. Структура DAQ 70
3.5. Программа экспозиции СМ 73
3.6. Данные СцМГ
3.6.1. Структура данных кадра СМ 81
3.6.2. Обработка данных СцМГ в режиме реального времени 84
Раздел 4. Характеристики СцМГ 95
4.1. Мониторинг работы СМ 95
4.2. Зависимость эффективности регистрации от азимутальной ориентации 98
4.3. Барометрический и температурный эффект в матричных данных СцМГ 101
4.4. Расчет дифференциальных температурных коэффициентов 102
4.5. Учет барометрического и температурного эффектов 103
4.6. Сравнение данных СцМГ и УРАГАН 106
4.7. Форбуш-эффект по данным СцМГ, УРАГАН и МНМ 108
4.8. Отклик в данных СцМГ и УРАГАН во время грозы 109
4.9. Перспективы использования сцинтилляционных мюонных годоскопов 110
Заключение. Основные результаты. 113
Список сокращений 115
Список литературы 116
- Базовый модуль
- Стенд для измерения характеристик многоанодных ФЭУ
- Система триггирования
- Расчет дифференциальных температурных коэффициентов
Введение к работе
Актуальность
Солнечно-земные связи и их исследования являются в настоящее время одним из наиболее бурно развивающихся научных направлений. Прежде всего, это изучение различных аспектов влияния гелиофизических процессов, вызванных солнечной активностью (вспышки, корональные выбросы масс и т.д.), на геофизические процессы. Не менее важным является воздействие солнечной активности на функционирование различных технических систем (связь, навигация, интернет, линии электропередач и трубопроводы, электронная аппаратура самолетов и спутников), а также на безопасность жизнедеятельности людей. В этой связи активно развиваются методы мониторинга и прогноза космической погоды.
В настоящее время мониторинг гелиофизической обстановки в основном осуществляется спутниками, расположенными в точке либрации L1 и контролирующими вспышки на Солнце, состояние межпланетного магнитного поля и характеристики солнечного ветра, а также мировой сетью нейтронных мониторов (НМ), регистрирующих в различных точках земного шара вариации вторичных космических лучей, вызванные процессами модуляции в межпланетном пространстве и в магнитосфере. Однако спутниковая аппаратура, которая находится в точке Лагранжа, дает достоверный прогноз возникновения возмущения магнитосферы не ранее, чем за час до прихода возмущенной области к Земле, а нейтронные мониторы не могут определять направление прихода частиц, и данные НМ относятся к потоку первичных космических лучей (ПКЛ) невысоких энергий (2-Ю ГэВ).
Для исследования вариаций ПКЛ более высоких энергий можно использовать мюонную компоненту вторичных космических лучей. Для этих целей в основном используют многонаправленные мюонные телескопы. Мюоны сохраняют направление движения родивших их первичных частиц,
поэтому оценка траекторий их движения с хорошей угловой точностью дает информацию о пространственных характеристиках ПКЛ. Однако мюонные телескопы не являются трековыми детекторами и дают только информацию о потоках мюонов в некотором наборе телесных углов с угловым раствором~10.
Этого недостатка лишен мюонный годоскоп УРАГАН, созданный в НОЦ НЕВОД НИЯУ МИФИ. Детектор УРАГАН с высокой угловой точностью (< 1) регистрирует в режиме реального времени каждый трек, пришедший с любого направления небесной полусферы. Создание годоскопа УРАГАН явилось основой для развития мюонной диагностики — нового метода удаленного мониторинга и изучения динамических процессов в околоземном пространстве и в атмосфере Земли.
Детектор УРАГАН существует в единичном экземпляре и воспроизвести его невозможно. Стримерные трубки, на основе которых создан годоскоп, в настоящее время не производятся. Кроме того, эффективность работы стримерных трубок зависит от внешних метеопараметров (температура, давление, влажность); для работы УРАГАН требуется достаточно высокое напряжение питания (4.5 кВ) и автоматизированная система газоподготовки. Поэтому для дальнейшего развития метода мюонной диагностики необходимы мюонные годоскопы нового типа.
Разработка простого, надежного, удобного в обслуживании и в транспортировке в любую точку земного шара годоскопа на основе современных комплектующих является актуальной научной проблемой.
Цель работы
Разработка и создание аппаратуры нового поколения для исследования и
мониторинга состояния гелиосферы, магнитосферы и атмосферы Земли методом мюонной диагностики.
Научная новизна
Разработан и создан первый в мире мюонный годоскоп модульного типа
на сцинтилляционных стрипах с оптоволоконным светосбором, специально
предназначенный для исследования динамических процессов в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли по пространственно-временным вариациям потока мюонов. Экспериментально показано, что минимальное количество координатных плоскостей мюонного годоскопа такого типа равно четыре. Разработан и реализован новый метод on-line реконструкции треков в мюонных годоскопах, основанный на поиске прямолинейного участка среди всех сработавших каналов детектора.
Достоверность
Достоверность полученных результатов определяется тем, что базовые модули сцинтилляционного мюонного годоскопа были протестированы на сертифицированном оборудовании с помощью аттестованной методики. Фотоумножители и блоки электроники системы регистрации тестировались с использованием сертифицированного измерительного оборудования. Значения оцениваемых параметров анизотропии потока мюонов были подтверждены данными мюонного годоскопа УРАГАН.
Практическая значимость
Созданная установка используется для непрерывного мониторинга состояния околоземного пространства в реальном времени. Годоскоп прост в эксплуатации и технологичен, что позволяет рассматривать его в качестве типового детектора при создании сети мюонных годоскопов для дистанционного заблаговременного обнаружения опасных явлений (магнитные бури, ураганы и т.д.). Разработанные при его создании методы и технологические решения могут быть использованы в других детекторах трекового типа.
Личный вклад
Автор участвовал во всех этапах разработки и создания сцинтилляционного мюонного годоскопа с оптоволоконным светосбором (СцМГ). Непосредственно автором была разработана конструкторская и технологическая части проекта СцМГ, созданы большинство стендов и
методик для тестирования элементов годоскопа, собраны и протестированы все базовые модули (БМ) СцМГ. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, получении методических и физических результатов, в написании всех статей по детектору и результатам проведённых на СцМГ исследований.
Автор защищает
-
Многослойный мюонный годоскоп СцМГ модульного типа с оптоволоконным светосбором, обеспечивающий годоскопический режим регистрации мюонов, приходящих с любого направления небесной полусферы, в режиме реального времени.
-
Систему автоматизированных стендов для тестирования основных элементов базовых модулей.
-
Технологическую линию по изготовлению и отбору стрипов, тестированию элементов детектирующей системы и сборке базовых модулей СцМГ.
-
Методику исследования характеристик БМ в потоке мюонов, выделяемых супермодулем МГ УРАГАН.
-
Характеристики созданного мюонного годоскопа СцМГ.
Апробация
Результаты работы были доложены на российских и международных конференциях: Международной конференции по космическим лучам - ICRC (2009, 2011), Международной конференции Vulcano Workshop (2012), Баксанской молодежной школе экспериментальной и теоретической физики (2008, 2009, 2010), Всероссийской конференции по космическим лучам (ВККЛ 2010), Европейском симпозиуме по космическим лучам (ECRS 2010), Международной школе по инструментам физики элементарных частиц (ICFA 2010), научных сессиях НИЯУ МИФИ (2009, 2010, 2011, 2012, 2015), Международной конференции по физике частиц и астрофизике (ICPPA-2015) и опубликованы в их трудах, а также в статьях в журналах: "Известия РАН.
Серия физическая", "Краткие сообщения по физике", "Ядерная физика и инжиниринг", "Physics Procedia", "Journal of Physics: Conference Series". В процессе работы над СцМГ разработан и получен патент на изобретение №2461903 от 20.09.2012 «Способ калибровки мюонных годоскопов».
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка сокращений, списка литературы и приложения. Объём диссертации: 132 страницы, 100 рисунков, 9 таблиц, 97 наименований цитируемой литературы и электронных источников.
Базовый модуль
Следующее поколение ММТ имеет больше выделяемых направлений и, соответственно, выше угловое разрешение (в среднем 7). Одними из наиболее известных представителей ММТ второго поколения являются детекторы Норикура и GRAPES-3 (Ооти).
Детектор Норикура [27, 28], расположенный на вершине одноимённой горы (2770 м выше уровня моря (в.у.м.), Япония), работает с 1998 г. Он создан на основе четырёх горизонтальных слоев пропорциональных счетчиков - круговых цилиндров диаметром 10 см и длиной 5 м с тонкой ( 50 мкм) анодной нитью, натянутой по оси. Смежные слои имеют взаимно ортогональное расположение счетчиков: первый и третий сверху слои ориентированы по направлению (Восток - Запад); остальные слои ориентированы по направлению (Север - Юг). Два верхних слоя составляют верхнюю координатную плоскость (КП), два нижних слоя - нижнюю КП. Расстояние между КП -80 см. Считывание информации о сработавших каналах происходит при срабатывании всех четырёх слоев. Угловая апертура детектора составляет по зениту от 0 до 55, по азимуту 360, среднее угловое разрешение около 7. Над сборкой счётчиков расположен свинцовый поглотитель мягкой компоненты КЛ толщиной 5 см.
ММТ эксперимента GRAPES-3 [29, 30, 31] расположенный в Ооти (Индия) на высоте 2200 м в.у.м., состоит из слоев пропорциональных счетчиков (PRC) размерами 600x10x10 см, по 58 PRC в каждом слое. Две пары слоев с ортогональной ориентацией счетчиков, проложенных бетонным поглотителем, называются модулем. Каждый модуль сверху также экранирован бетонными плитами. Четыре модуля, установленные рядом в одном здании, называются мюонной станцией. Весь телескоп состоит из четырех таких станций. Пороговая энергия установки 1.1 ГэВ для вертикальных мюонов. Триггерным условием срабатывания модуля является прохождение мюона через все четыре слоя PRC. Угловое разрешение детектора составляет 9, количество направлений - 225. В настоящий момент детектор оснащен системой быстрой записи мюонных событий, обеспечивающей скорость регистрации до 3 х 106 событий/мин. Данный мюонный детектор используется в составе установки регистрирующей ШАЛ для изучения состава ПКЛ, а с 2001 г. и для исследования вариаций солнечных КЛ.
Среди созданных в последнее десятилетие наземных детекторов КЛ, предназначенных для изучения солнечно-земных связей и космической погоды, можно выделить несколько проектов: TRAGALDABAS, MuSTAnG и SciCRT.
Детектор MuSTAnG [32, 33] созданный в 2006 - 2008 гг. в Университете Грейфсвальд (Германия), представляет собой двухплоскостной ММТ. Каждая плоскость состоит из 16-ти сцинтилляционных пластин размерами 50 см х 50 см х 5 см, расположенных квадратом (4 м2). Координатные плоскости, между которыми расположен свинцовый поглотитель, разнесены на 95 см по вертикали. Светосбор с каждой пластины осуществляется 17-ю спектросмещающими волокнами 1 мм в диаметре, которые заведены на ФЭУ (фотокатод 0 25 мм). Пластины светоизолированы друг от друга и обернуты диффузно-отражающим материалом. В 2014 г. MuSTAnG был перевезён в г. Киль (Германия) и продолжил свою работу с мая 2015 г [34]. Анализ данных с MuSTAnG ведётся по 13-ти направлениям приходя частиц [35]. Характерное угловое разрешение детектора около 20 - 30. Детектор TRAGALDABAS [36] расположен на территории Университета Сантьяго-де-Компостела (Италия) на высоте 260 м в.у.м., на первом этаже двухэтажного здания. С сентября 2013 проводится тестовый набор данных. TRAGALDABAS является первым прототипом установки Trasgo [37] и представляет собой трековый детектор на основе двух-зазорных резистивных плоских камер (РПК; RPC) [38]: величина зазора (1+0.002) мм; биполярное высоковольтное питание (+5600 В, -5600 В); газ - фреон (R134a). TRAGALDABAS состоит из двух координатных плоскостей РПК с эффективной площадью 1.2 х 1.5 м2 каждая, разнесённых на расстояние 1.2 м. Съем сигналов координатной плоскости осуществляется с 120-ти медных электродов размерами 111 х 116 мм2 расположенных на расстоянии 10 мм друг от друга. Одна сторона каждой координатной плоскости ориентирована в направлении Восток - Запад.
Несмотря на высокую эффективностью регистрации заряженных частиц ( 99 %) в РПК и малое временное разрешение 280 пс, TRAGALDABAS регистрирует всего 80 событий/с. Угловое разрешение детектора 2 - 3. Уровень темнового тока изменяется с температурой в помещении (около 15 %/С), при этом корреляций с изменением атмосферного давления и влажности не обнаружено [37].
На данный момент одним из немногих сопоставимых с МГ УРАГАН детекторов является годоскоп SciCRT [39] детектирующая часть которого, является детектором SciBar эксперимента K2K [40] демонтированным в 2011 г. и установленным горизонтально на каркас в Национальном институте Астрофизики, оптики и электроники в Мехико. С сентября 2013 г SciCRT установлен на высоте 4600 м в.у.м. (вулкан Сьерра Негра, Мексика) [41]. Конструктивно детектор представляет собой сцинтилляционный колориметр, состоящий из 64х координатных плоскостей площадью 3 х 3 м2 каждая. Координатная состоит из двух слоев сцинтилляционных стрипов размерами 1.3 см х 2.5 см х 300 см каждый: 118 Y-стрипов и 116 Х-стрипов. 8 координатных плоскостей плотно прилегающих друг к другу объединены в суперблок, 8 суперблоков уложены стопкой с зазором 82 мм. Расстояние между крайними плоскостями SciCRT 2.2 м [42].
Светосбор осуществляется с одной стороны стрипа с помощью спектросмещающих волокон диаметром 1.5 мм, вставленных в отверстие (0 1.8 мм) по центру стрипа. Каждое оптоволокно заведено на свой канал (2 х 2 мм) многоанодного ФЭУ (Н8804, Hamamatsu). Система быстрого сбора данных позволяет считывать амплитуды со сработавших каналов. Система триггирования даёт возможность использовать внешние стрипы детектора для организации антисовпадательного триггера, и т.о. улучшить идентификацию частиц. Предполагается, что в регулярной экспозиции SciCRT будет работать, в основном как спектрометр солнечных нейтронов и мюонный годоскоп [43]. По данным моделирования, средний угол скрещивания исходного и реконструированного модельных треков мюона составляет 1.6 [42]. К сожалению, масс-габаритные характеристики суперблоков SciRT (0.29 х 3.5 х 4.0 м3; 2 т.) ограничивают его транспортабельность, а использование в качестве детектирующих элементов компонент демонтированного детектора, делает его уникальным.
Детектором мюонов ВКЛ с одним из самых высоких угловых разрешений (-2) можно считать многонаправленный мюонный телескоп - ТЕМП [44], созданный в НИЯУ МИФИ в 1995 г. Детектор представляет собой две пары координатных слоёв, разнесенных на расстояние 1 м. Каждый координатный слой состоит из 128 сцинтилляционных счетчиков, которые представляют длинные узкие полоски-стрипы из пластического сцинтиллятора с размерами: 1 х 2.5 х 300 х см3. Малогабаритный ФЭУ-85 с одного из торцов стрипа обеспечивает надежную регистрацию вспышки света в детекторе от мюона. Координатная плоскость состоит из двух смежных слоев, в которых продольные оси счетчиков повернуты на 90. Под нижней координатной плоскостью расположен свинцовый поглотитель и слой широких сцинтилляционных пластин, который использовался для повышения надёжности селекции мюонов при тестовых сериях, но в регулярной экспозиции не участвовал. Координатные плоскости детектора содержат 512 узких сцинтилляционных счётчиков. Рабочая площадь детектора ТЕМП около 9 м2. Общий вид установки приведен на рисунке 3 [44]. ТЕМП установлен в помещении с экранировкой перекрытиями здания эквивалентной около 2 м в.э. на поворотной раме, позволяющей наклонять нормаль детектора до зенитного угла 45. С помощью детектора ТЕМП были получены физические результаты, показавшие возможность наблюдения внутренних гравитационных волн, связанных с отдаленной грозовой активностью в атмосфере Земли [45] и вариаций потока мюонов связанных с динамическими процессами в гелиосфере [46].
Стенд для измерения характеристик многоанодных ФЭУ
Спектрометрический канал состоит из многоанодного 16-канального ФЭУ H8711 (Hamamatsu [62]), на который с помощью оптического разъема заведены оптоволокна тестируемых стрипов, и аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) – 4-канального цифрового осциллографа CAEN VME V1729 (12 бит, полоса пропускания 300 МГц, частота дискретизации 2 ГГц) [76], подключенного к ПК через контроллер крейта. Как показали дополнительные измерения, разницей между каналами АЦП стенда можно пренебречь. Электроника логического канала и источники высоковольтного питания (HV) ФЭУ выполнены на базе блоков стандарта «Вектор».
Конфигурация стенда позволяет проводить измерения в режимах самозапуска и внешнего триггера. В первом случае считывание параметров сигнала проводиться при превышении сигналом в спектрометрическом канале выставленного порога по напряжению. Во втором случае АЦП считывает сигнал со спектрометрического входа во время прихода сигнала на триггерный вход. В качестве источника триггера на данном стенде обычно используются следующие устройства: мюонный телескоп, используемый для выделения мюонов КЛ; источник электронов (спектрометр) на основе изотопа 90Sr, используемый в процедуре тестирования стрипов; контроллер светодиодной подсветки.
Контроллер LED, управляемый ПК, в свою очередь может работать с драйвером LED, позволяющим локально подсвечивать волоконный световод (с помощью него изучалась длина ослабления WLS оптоволокна; см. п.п. 1.1, стр. 16), и блоком двух драйверов LED ФЭУ, используемым для измерения характеристик ФЭУ, например, при калибровке стенда.
Общий для всех каналов ФЭУ выход с 12 динода, подключенный через усилитель (CAEN V974) и формирователь (Ф-133) к счетчику импульсов, позволяет контролировать уровень светоизоляции стенда.
Калибровка спектрометрического канала стенда
Основным детектирующим элементом стенда для тестирования стрипов является многоанодный ФЭУ Н8711 [62]. Этот фотоумножитель был выбран для использования в стенде, т.к. по своим спектрометрическим характеристикам он идентичен ФЭУ Н8804 [62], который используется в БМ СцМГ. Для корректной интерпретации данных, получаемых при измерении характеристик стрипов, была осуществлена калибровка Н8711. Блок подсветки LED и контроллер LED позволяют измерить основные характеристики ФЭУ.
Измерения показали, что установленная ширина временных ворот (100 нс) позволяет регистрировать более 99.9 % сигналов в режиме тестирования как ФЭУ, так и сцинтилляционных стрипов.
Коэффициент усиления каждого канала ФЭУ измерялся методом одноэлектронной подсветки при паспортном напряжении питания (- 800 В). На рисунке 22 слева приведён пример одноэлектронного распределения зарядов-откликов одного канала ФЭУ Н8711. На рисунке 22 справа представлено распределение каналов ФЭУН8711 по величине коэффициента усиления. Как видно из приведённого распределения, средняя величина М составляет около 1.9106, а разброс достигает примерно 20 %. 1400 1200 1000 800 600 400 200
Слева – одноэлектронное распределение зарядов-откликов канала ФЭУ H8711. Справа – распределение каналов ФЭУ H8711 по коэффициенту усиления M. Граница диапазона линейности измерялась методом парных подсветок (см. п.п. 2.1.2, стр. 38). Граница линейности канала с наибольшим коэффициентом усиления соответствует величине около 60 ф.э. Аналогично ФЭУ H8804, частота шумовых импульсов с любого канала H8711 при пороге примерно 1/3 ф.э. не превышает 1 имп./с.
Процедура проверки стрипов в стенде предполагает однократную установку оптоволокон всех стрипов в раме в соответствующие каналы оптического разъема перед началом тестирования. Поэтому для адекватного сравнения характеристик стрипов, измеренных на разных каналах многоанодного ФЭУ, необходимо, чтобы каналы ФЭУ имели как можно более близкие значения интегральной чувствительности. Измерительные каналы стенда отличаются не только коэффициентами усиления, но и по целому ряду других параметров: квантовая чувствительность, коэффициент сбора фотоэлектронов на первый динод, коэффициент ослабления света оптическим разъёмом. Нет необходимости определять каждый из этих параметров в отдельности, но важно оценить их совокупный вклад в неоднородность каналов стенда и получить соответствующий набор нормировочных коэффициентов Kiотн (для канала номер i).
Данные коэффициенты были получены для двух уровней калибровочной подсветки и их величины составили 16 ф.э. и 5 ф.э., которые близки к откликам со стрипов при пролёте мюонов через ближнюю и дальнюю от ФЭУ части стрипов. На рисунке 23 представлен световыход в отн. ед. для разных каналов ФЭУ H8711 с коррекцией на относительную интегральную чувствительность и без коррекции. Как видно из распределения, использование таких коэффициентов уменьшает разброс откликов каналов на одинаковую подсветку с 20 % до 5 %. Коэффициенты Kiотн использовались для сравнения между собой откликов со стрипов, измеренных на разных каналах ФЭУ.
Система триггирования
Для каждого канала платы ФЭУ оценивалась величина кросс-канальных наводок -отношение числа срабатываний других каналов, при подаче сигналов на данный канал. На всех каналах устанавливалось единичное усиление (G16), порог компаратора составлял величину 48 фКл (около 1/3 ф.э.). Диапазон входных зарядов для каждого канала составлял от 80 фКл до 1360 фКл. Наводок в триггерном режиме не было обнаружено ни для одной из плат.
Уровень кросс-канальных наводок оценивался также в режиме АЦП. При единичном усилении, на каждый канал платы ФЭУ последовательно подавался набор входных зарядов (в фКл): 160, 480, 800, 1120, 1440 и измерялся зарядовый спектр со всех остальных каналов. Для всех плат ФЭУ у каналов, с номерами на 1 большими относительно текущего канала, изменения среднего заряда в спектре не превышают 1 % от среднего кода пьедестала. Для остальных каналов плат ФЭУ изменений в зарядовом спектре не наблюдалось.
Тестирование БМ в собранном виде осуществлялось в потоке мюонов с известными треками, выделяемыми одним из супермодулей координатно-трекового детектора УРАГАН [69]. В задачи тестирования БМ на СМ УРАГАН входило: проверка работоспособности всех 64 каналов; оценка эффективности и равномерности регистрации по площади БМ; оценка уровня оптических наводок с канала на канал.
Схема стенда для тестирования базовых модулей СцМГ с помощью супермодуля УРАГАН приведена на рисунке 40 [82]. Тестируемый БМ располагался над верхней координатной плоскостью СМ УРАГАН. Триггерная система мюонного годоскопа УРАГАН выделяла треки частиц, которые пересекали рабочую площадь БМ, при этом происходило считывание сигналов-откликов со всех каналов БМ [59].
Процедура тестирования включала следующие последовательные этапы: 1. мониторинг темпа счета и параметров пьедестала для каждого канала ФЭУ, чистка данных; 2. корректировка положения БМ на СМ (поворот и смещение); 3. оценка уровня оптических наводок канала на канал; 4. корректировка коэффициентов предусилителей каналов для обеспечения равномерности световыходов различных каналов; 5. оценка эффективности срабатывания БМ при пролете мюонов через его рабочий объем.
Данные тестовых наборов записывались в бинарные файлы. Статистика наборов определялась требуемой статистической обеспеченностью формируемых матриц. Перед анализом данных, проводилась проверка файлов тестовых наборов на корректность. Далее строились временные ряды значений пьедесталов (с шагом 10 мин.) и шумов (темпов счета – имп./с, с шагом 120 мин.) для каждого канала тестируемого БМ. При анализе временных рядов значений пьедесталов и шумов всех каналов, выявлялись периоды некорректной работы стенда (внешние наводки, нарушения светоизоляции БМ и пр.). Результаты измерений за эти периоды удалялись из дальнейшей обработки.
Схема тестирования БМ с помощью СМ УРАГАН. Файлы тестовых наборов содержали следующую информацию: параметры реконструированных треков мюонов, прошедших через триггируемую область СМ УРАГАН (азимутальный и зенитный углы - Ф и 0; координаты точки пересечения треком верхней плоскости СМ УРАГАН - X и Y); амплитуда отклика всех каналов БМ на каждое зарегистрированное событие. Перед переходом к оценке рабочих характеристик БМ, проводилась оценка и учет поворота и смещения системы координат (СК) БМ относительно СК СМ УРАГАН. Специальная процедура обработки данных позволяла оценить и учесть отклонение параллельности стрипов БМ от Х-стрипов СМ УРАГАН не хуже 2 мм на длине около 3500 мм. При работе с многоканальными ФЭУ, имеющими ячеистый фотокатод и общее для всех каналов входное окно, неизбежно возникают оптические наводки с канала на канал. Часть фотонов выходящих из торца файбера, после нескольких отражений во входном окошке ФЭУ, может попадать на фотокатод соседней ячейки и, выбивая фотоэлектроны, вызывать ложное срабатывание этого канала. Схема оптической наводки приведена на рисунке 41.
Механизм оптической наводки канал-на-канал. Для оценки смещения системы координат БМ относительно системы координат СМ УРАГАН, анализируются данные координат точек пересечения каждого трека с рабочей плоскостью БМ. Под рабочей плоскостью понимается плоскость, равноудаленная от больших граней стрипов. Для нескольких стрипов, которым соответствуют каналы ФЭУ, окруженные на фотокатоде другими каналами, строилось распределение количества треков по координате XСМ. На рисунке 42 представлена схема фотокатода ФЭУ H8804 (вид сзади – со стороны контактов цоколя ФЭУ; с указанием нумерации стрипов) с выделением четырёх таких каналов. На рисунке 43 приведен пример указанного распределения для канала №10.
Матрица ячеек фотокатода ФЭУ H8804 (вид с тыльной стороны). Цветом выделены тестовые каналы №№ 10, 15, 50, 55 и каналы смежные с ними по фотокатоду. На приведенной гистограмме хорошо видны пики, не только от десятого стрипа, но и от всех окружающих его по фотокатоду стрипов (№№ 1, 2, 3, 9, 11, 17, 18, 19). При увеличении диапазона значений XСМ, пики от остальных стрипов, соответствующих каналам ФЭУ не смежных с каналом № 10, не наблюдаются.
Далее, методом Левенберга–Маркварта [83] проводилось фитирование гистограммы (см. рисунок 43) суммой гауссианов с учетом статистического веса бинов. Каждый гауссиан соответствует пику от центрального, для данного канала, стрипа и смежным с ним восемью стрипам. Так как стрипы расположены с постоянным шагом (26.4±0.2 мм) по координате XСМ, то положение пиков гауссианов относительно друг друга в БМ однозначно задаются номерами соответствующих стрипов.
Расчет дифференциальных температурных коэффициентов
Блок «On-line контроль» проводит анализ корректности работы СМ в режиме реального времени, а также обеспечивает оператору возможности мониторинга работы СМ по локальной сети (ЛС) в том числе в режиме удаленного рабочего стола и предоставляет функцию мониторинга работы БМ с помощью LED.
Блок «Данные» реализует функции записи в зарегистрированных данных СМ; экспресс обработку данных и обеспечивает доступ для off-line обработки данных для мониторинга и физического анализа. Большой поток информации для обработки и предварительного анализа в режиме реального времени, а также требование высокого уровня автономности, обосновывают необходимость использования двухступенчатой реализации программного комплекса ПО DAQ – на двух компьютерах: ПК1 и ПК2 (см. рисунок 53, п.п. 3.2, стр. 65). На рисунке 58 представлена блок-схема реализации программного комплекса СМ с перечислением отдельных программ, входящих в его состав. ПО DAQ СМ написано на языке C++ и предназначено для работы под управлением операционной системы (ОС) Windows 7 SP1 Pro (и более новых версий).
Процедуру экспозиции – получение и запись данных СцМГ – обеспечивают программы выделенные жирным на рисунке 58. Программы автозапуска ПК1 и ПК2 обеспечивают запуск экспозиции (новый набор данных) при перезагрузке ПК1 или ПК2. Процедура LED-мониторинга БМ запускается с помощью средств удалённого управления. Контроль работы СМ в течение предыдущих 24-х часов экспозиции до текущего момента осуществляется программой «Текущий мониторинг СМ». Детальный анализ работоспособности СМ в течение любого интервала времени экспозиции может быть осуществлен с помощью программы «Off-line мониторинг».
Основу системы регистрации и первичной обработки данных составляет программа «Экспозиция СМ» (AMGTC4.exe). Основными функциями этой программы являются: прием информации о сработавших каналах регистрации от центрального блока СМ, реконструкция треков мюонов, передача данных серверному ПК, вывод контрольной информации на дисплей в режиме on-line, анализ и обработка нештатных ситуаций ПК1 и ПК2. Подробнее об обработке нештатных ситуаций см. Приложение Г, стр. 130.
На рисунке 59 приведен интерфейс главного окна ПО Экспозиции СМ. С его помощью оператор может контролировать ход экспозиции. Интерфейс приведённого окна разделён на три части: 1. Главное меню; 2. Меню контрольной информации; 3. Поле визуализации проекций трека. В Главном меню расположены элементы, управляющие режимом работы СМ и открывающие дополнительные информационные окна. Среди них, для пользователя наиболее важны следующие: 1) кнопка Expozition запускает/останавливает режим экспозиции СМ (необходима запущенная процедура экспозиции на ПК2); 2) кнопка Kadr открывает окно подробной статистики предыдущего кадра; 3) кнопка Hit открывает окно графиков отображающих хиты – количество срабатываний каналов СМ по координатным слоям: хиты текущего кадра – Current и хиты, накопленные с момента старта текущей экспозиции – Summa;
В Меню контрольной информации отображаются краткая статистика (обновляется каждые 5 секунд) с сервисными сообщениями. К основным величинам этой статистики относятся: текущие дата и время по UT; номер текущего рана - период времени непрерывной экспозиции (Run); номер текущего события в текущем ране (Event); номер кадра в текущем ране (Kadr); частота триггерных событий в имп./с (F); эффективность реконструкции треков СМ в % (Eff); углы реконструированного трека в текущем событии в градусах (Reconstruction): зенитный угол (Theta), азимутальный угол (Phi), проекционный угол на ось Х (РгХ), проекционный угол на ось Y (PrY). Эта строчка отображается при условии успешной реконструкции трека в текущем событии.
Обновлённая информация в поле статистики выводиться поверх предыдущей.
В Области визуализации проекций трека зелёными линиями изображены ZX (сверху) и ZY (снизу) проекции КП СМ. Жёлтыми точками отображаются каналы, сработавшие в текущем событии. В правой части этого поля выводиться статистика срабатывания слоёв каждой КП (обновляется каждые 5 секунд): a) « » - маркер получения триггерного сигнала (LAM); b) эффективность срабатывания в %; c) частота срабатывания в имп./с. Метод реконструкции треков Одной из важнейших функций программы «Экспозиция СМ» является реконструкция треков в событии. СцМГ состоит из четырёх координатных плоскостей, что снижает эффективность алгоритмов реконструкции прямолинейных треков применяющихся в созданных ранее детекторах ДЕКОР [67, 68] и УРАГАН [47, 48, 69]. Специально для СцМГ был разработан новый метод реконструкции событий [70] - метод поиска прямолинейного участка.
Поиск ведётся отдельно по X и Y слоям. Так как в любой из плоскостей стрипы могут сработать от самой заряженной частицы, имитировать своё срабатывание от перекрёстных наводок или сработать от вторичной частицы, то необходимо находить прямолинейные участки независимо во всех следующих комбинациях плоскостей: (1,2,3,4), (1,2,3), (1,2,4), (1,3,4), (2,3,4). Несмотря на то, что проводится поиск всех возможных “прямолинейных” участков, для окончательной реконструкции трека используются координаты сработавших стрипов, наилучшим образом описываемых прямой линией и в большем количестве плоскостей. На рисунке 60 отображена иллюстрация поясняющая метод поиска “прямолинейного” участка по координатам сработавших стрипов. Каждому сработавшему стрипу ставится в соответствие точка, находящаяся в середине рассматриваемой проекции стрипа (прямоугольника). В качестве критерия нахождения сработавшего стрипа на ожидаемом “прямолинейном” участке используется ширина допустимой области w = к26.4 мм, где 26.4 мм - ширина стрипа плюс расстояние между двумя соседними стрипами в БМ (шаг расположения стрипов), к - целое число, показывающее количество стрипов входящих в допустимую область (кратность).
Поиск начинается с верхней сработавшей плоскости. Точки в каждой плоскости номеруются подряд от младших номеров сработавших стрипов к старшим. Рассматривается массив сработавших точек (i, j), где і - номер сработавшей точки в плоскости номер j. Для случая, приведённого на рисунке 60, берётся первая сработавшая точка на плоскости 4 (1, 4) и соединяется прямой линией с первой точкой на плоскости 3 (1, 3). Затем, проводится прямая линия от точки (1, 3) к точке (1, 2) плоскости 2. Для проверки “прямолинейности” используется разница Лх между координатой х точки (1, 2) и координатой хО пересечения пробного трека с серединой проверяемой плоскости (2): Лх =х-х0. Если точки (1, 2) не принадлежит допустимой области (выполняется условие Лх w), то берётся следующая точка на этой же плоскости 2 (см. рисунок 60), в нашем случае это точка (2, 2). Но, так как просмотр точек в плоскости идёт в сторону увеличения х, а значение Лх положительно и уже больше w, то возвращаемся к плоскости 3 и строим пробную прямую от точки (1, 4) уже к следующей точке (2, 3). И далее опять переходим к перебору точек на плоскости 2. Перебор точек делаем до тех пор, пока Лх не станет меньше или равным w (выполняется условие Лх w). В нашем случае это прямая линия между точками (2, 3) и (2, 2).