Содержание к диссертации
Введение
1. Накопитель ВЭПП-2М и детектор КМД-2 11
1.1 Накопитель ВЭПП-2М 11
1.2 Детектор КМД-2 13
1.3 Триггер и регистрирующая электроника детектора КМД-2 15
2. Электроника торцевого калориметра 19
2.1 Торцевой калориметр детектора КМД-2 19
2.2 Технические требования к электронике торцевого калориметра в целом 20
2.3 Электроника торцевого калориметра 27
2.4 Зарядочувствительныепредусилители 32
2.5 Передача сигналов от ЗЧУ к УФ 40
2.6 Усилители-формирователи 42
2.7 Триггер торцевого калориметра 48
2.8 Блок Амплитудных Дискриминаторов и Сумматора 50
2.9 Блок Геометрии 57
2.10 Блок финального решения 60
2.11 Питание ЗЧУ и высоковольтное питание фототриодов . 62
2.12 Результаты 66
3. Электроника системы измерения светимости 70
3.1 Система измерения светимости детектора КМД-2 70
3.2 Метод измерения светимости 72
3.3 Технические требования к электронике системы измерения светимости в целом 75
3.4 Электроника системы измерения светимости 83
3.5 Аналоговый тракт 87
3.6 Защита от помех 96
3.7 Обработка логических сигналов 98
3.8 Настройка и тестирование электроники системы измерения светимости 100
3.9 Результаты 104
Заключение 107
Литература 109
- Триггер и регистрирующая электроника детектора КМД-2
- Технические требования к электронике торцевого калориметра в целом
- Питание ЗЧУ и высоковольтное питание фототриодов
- Настройка и тестирование электроники системы измерения светимости
Введение к работе
Криогенный Магнитный Детектор КМД-2 предназначен для работы на встречных электрон-позитронных пучках в диапазоне энергий 340-г1400МэВ в системе центра масс [1,2, 3]. В 70-х годах эксперименты на встречных пучках в этой области энергий проводились с детекторами M3N и DM1 на накопителе АСО и с детекторами ОЛЯ [4,5], КМД [6,7] и НД [8] на накопителе ВЭПП-2М. Типичные параметры этих детекторов: телесный угол регистрации частиц - примерно 0.6*4я, гранулярность калориметра - около 100. В 1992-2000 гг. на модернизированном накопителе ВЭПП-2М работали детекторы с телесным углом регистрации, близким к 471 - Криогенный Магнитный Детектор КМД-2 и Сферический Нейтральный Детектор СНД [9]. Калориметры этих детекторов содержали более 1500 кристаллов. Улучшение параметров детекторов в совокупности с увеличением светимости накопителя позволило выйти на новый уровень точности проводимых экспериментов.
Детектор КМД-2 является первым универсальным магнитным детектором с близким к 4тс телесным углом регистрации частиц, работающим в диапазоне энергий 340-И400 МэВ. Он представляет собой магнитный спектрометр, окруженный электромагнитным калориметром. Многие из физических процессов, изучаемых с помощью КМД-2, характеризуются наличием двух и более гамма-квантов в конечном состоянии. Для регистрации таких процессов важно иметь телесный угол калориметра максимально близкий к 4л:. У детектора КМД-2 телесный угол цилиндрической части калориметра составляет 0.65*4я, а телесный угол полного калориметра (цилиндрической и торцевой частей) составляет 0.94*4тс. Для примера приведем увеличение эффективности регистрации нескольких процессов при использовании полного калориметра по сравнению со случаем, когда используется только цилиндрический калориметр :
ф->Т|'у, Г['-»7С+7Гт|, rj->YY примерно в 2 раза [10],
e+e"->7t+7C"7C7C0, tc->yy более чем в 3 раза [11].
Таким образом, использование торцевого калориметра позволяет существенно улучшить параметры детектора в целом.
Для оперативного измерения светимости на детекторе КМД-2 в период с осени 1991 г до лета 1998 г использовалась отдельная система измерения светимости. Главной задачей этой системы было не достижение высокой точности измерения светимости, необходимой для получения физического результата, а оперативное измерение светимости с целью подстройки режимов работы накопителя для получения максимальной светимости, а также для примерного учёта набранного интеграла светимости. Наиболее часто для оперативного измерения светимости выбирается процесс упругого рассеяния электронов и позитронов на малые углы. Однако конструкция экспериментального промежутка такова, что места для размещения детекторов рассеянных электронов и позитронов недостаточно, и поэтому в данной системе измерения светимости используются процессы однократного и двойного тормозного излучения и двухквантовой аннигиляции. Регистрирующими устройствами системы являются два счётчика полного поглощения, которые регистрируют частицы, вылетевшие из накопителя вдоль оси пучков (в основном это фотоны от вышеуказанных процессов).
Общим в устройстве торцевого калориметра и счетчиков полного поглощения, используемых в системе измерения светимости, является то, что они построены на основе кристаллов германата висмута ВцСезО^ (BGO), а в качестве фотоприемников используются вакуумные фототриоды. Применение нового для того времени сцинтиллятора и относительно нового типа фотоприемников обусловлено рядом специфических требований, предъявляемых к чувствительным устройствам обеих систем.
Долгое время спектрометрические тракты калориметров строились на основе кристаллов Nal(Tl) с регистрацией сцинтилляционного света с помощью фотоумножителей. Благодаря большому коэффициенту усиления
фотоумножителей в таких системах электрический сигнал на входе
электроники получался уже достаточно большим, поэтому, во-первых, шумы
электроники были незначительны по сравнению с сигналом, и во-вторых,
преобразования, выполняемые над аналоговым сигналом до его оцифровки,
были простыми. В 70х-80х годах был достигнут значительный прогресс в
технологиях производства фотоприёмников. Были созданы два новых типа
фотоприемников - вакуумные фототриоды и полупроводниковые фотодиоды.
Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными
фотоумножителями: более стабильны, работоспособны в магнитных полях,
компактны, дёшевы. Однако, оба этих типа фотоприёмников имеют общий
недостаток - их коэффициент усиления (примерно 10 у фототриодов и 1 у
фотодиодов) значительно меньше, чем коэффициент усиления
фотоумножителей (106-107). В связи с этим потребовалась электроника
принципиально нового уровня сложности: малошумящие
зарядочувствительные усилители, формирователи сигналов и другие устройства, обеспечивающие регистрацию малых входных сигналов с высокой точностью. Применение фототриодов и фотодиодов в многоканальных калориметрах современных детекторов стало возможным только в результате появления компактной и недорогой малошумящей электроники, которое было обусловлено совершенствованием технологии изготовления электронных приборов и компонентов: малошумящих транзисторов, серийных интегральных микросхем, а затем и заказных специализированных интегральных микросхем (ASIC). Параметры электронного тракта стали играть заметную роль в энергетическом разрешении современных калориметров.
Массовое применение в калориметрах вакуумных фототриодов и полупроводниковых фотодиодов в комплекте с соответствующей малошумящей электроникой началось в 90-х годах. В качестве примеров
наиболее крупных калориметров, устроенных таким образом, молено привести следующие. Калориметр детектора CLEOII [12, 13] (Cornell, США) состоял из 7800 кристаллов Csl, его особенностью являлось то, что каждый кристалл был оборудован четырьмя комплектами "полупроводниковый фотодиод + зарядочувствительный предусилитель". Торцевой калориметр детектора OPAL [14] состоял из 2264 кристаллов свинцового стекла, каждый из которых был оборудован вакуумным фототриодом и зарядочувствительным предусилителем. Калориметр детектора L3 [15, 16] состоял из -10800 кристаллов BGO, каждый из которых был оборудован двумя полупроводниковыми фотодиодами и двумя зарядочувствительными предусилителями. Оба эти детектора работали на накопителе LEP (CERN, Швейцария). В России в то время торцевой калориметр детектора КМД-2 и калориметр детектора СНД были единственными работающими крупными установками, в калориметрах которых были применены вакуумные фототриоды и малошумящая электроника.
В связи с массовым использованием малошумящей электроники определились области применения различных технологий изготовления электроники для установок различного масштаба. Для систем с числом каналов примерно до тысячи электроника изготавливается из дискретных элементов, монтируемых на печатные платы (к этой группе относится и торцевой калориметр детектора КМД-2, состоящий из 680 каналов). Для систем с числом каналов порядка нескольких тысяч становится целесообразным изготавливать различные функциональные узлы электроники в виде гибридных микросхем или (и) заказных специализированных микросхем (например, зарядочувствительные предусилители калориметра детектора CLEOII [12], зарядочувствительные предусилители калориметра детектора L3 [15], а также зарядочувствительные предусилители для калориметров детекторов СНД и КЕДР [33]).
В связи со спецификой применённых в чувствительных устройствах торцевого калориметра и системы измерения светимости сцинтиллятора и фотоприемников электроника этих систем должна удовлетворять очень жестким требованиям к величине шумов. Опыт работы нескольких детекторов, для которых также важна регистрация гамма-квантов с энергией порядка ЮОМэВ и используются фотоприемники с низким коэффициентом усиления [13, 15], показывает, что в этом случае типичная величина энергетического эквивалента шумов электроники составляет 1МэВ. При разработке торцевого калориметра детектора КМД-2 была поставлена задача получить величину энергетического эквивалента шумов не более 1 МэВ. Это необходимо для того, чтобы торцевой калориметр наряду с выполнением своей основной функции - измерением энергии частиц - мог участвовать в триггере детектора. Увеличение величины шумов привело бы к заметным ухудшениям энергетического и временного разрешений и росту порога регистрации. Электроника системы измерения светимости, кроме малых шумов, должна удовлетворять еще ряду весьма специфических требований, обусловленных выбранной методикой измерения светимости. Поэтому для каждой из этих систем потребовалось создать специальную электронику, согласованную по параметрам с чувствительными устройствами данной системы и оптимизированную для достижения наилучших физических параметров. Данная работа посвящена созданию электроники для торцевого калориметра и системы измерения светимости детектора КМД-2.
В Главе 1 дано описание накопителя ВЭПП-2М и детектора КМД-2. В описании детектора представлены его основные системы, а также приведены основные особенности аппаратуры системы сбора данных и триггера.
Триггер и регистрирующая электроника детектора КМД-2
В большинстве детекторов, работающих на встречных пучках, для временной привязки события к моменту столкновения пучков и для организации запуска сбора данных о событии используются специальные системы, основанные на микрополосковых детекторах или на быстрых сцинтилляционных счётчиках. Особенность детектора КМД-2 состоит в том, что эти функции выполняет Z-камера, которая, таким образом, является не только координатным устройством, но и одной из основных частей Первичного Триггера [26]. По её сигналам осуществляется привязка временных измерений к моменту столкновения пучков, необходимая для реконструкции треков по информации от Дрейфовой камеры. Временное разрешение Z-камеры позволяет точно определить, на каком именно столкновении пучков произошло событие. Z-камера.
Z-камера [20] состоит из цилиндрических катодных поверхностей, ось которых совпадает с осью пучков, и анодных проволочек, расположенных в зазорах между катодными поверхностями параллельно оси пучков. Катодные поверхности выполнены на трёх цилиндрах из фольгированного стеклотекстолита длиной 800 мм и диаметрами 611.5, 629.5 и 647.7 мм, закрепленных на посадочных кольцах. Средний цилиндр имеет обе сплошные фольгированные поверхности. У внутреннего и внешнего цилиндров фольгированные поверхности, обращенные к средним катодам, разделены на кольцевые полоски шириной 6 мм с зазорами 0.5 мм между полосками. Анодные проволочки натянуты между посадочными кольцами по образующим цилиндров диаметрами 620.7 мм и 638.7 мм Каждый слой содержит по 704 проволочки. Два зазора - между внутренним и средним цилиндрами и между внешним и средним цилиндрами - с расположенными в них анодными проволочками образуют два слоя Z-камеры. Для уменьшения числа каналов электроники проволочки объединены в сектора по 22 проволочки в каждом. Всего в каждом слое имеется 32 сектора. Сектора внешнего слоя сдвинуты (повернуты вокруг оси Z-камеры) относительно секторов внутреннего слоя на половину ширины сектора для повышения эффективности. Сигналы анодных секторов усиливаются токовыми предусилителями и используются в триггере, а сигналы катодных полосок усиливаются зарядочувствительными предусилителями и используются для измерения Z-координат треков. Временное разрешение Z-камеры для одного трека составляет 4.7 не.
Сигналы анодных секторов Z-камеры поступают на входы регистрирующей электроники менее чем через один период обращения пучков после события. Первые сигналы с проволочек Дрейфовой камеры тоже могут поступить на входы регистрирующей электроники практически сразу после события. В то же время, сигнал положительного решения о запуске измерений может быть выработан Первичным Триггером (ПТ) не ранее чем через 1мкс после события. Поэтому для регистрирующей электроники Z-камеры и Дрейфовой камеры был выбран режим работы "с общим стопом": каждый канал активизируется поступившим входным сигналом индивидуально и начинает выполнять цикл измерения, ожидая при этом сигнала положительного решения ПТ. Если в течение установленного времени ожидания (в электронике КМД-2 оно равнялось 1280 нс, что немного больше времени работы ПТ) после активизации канала сигнал положительного решения ПТ будет выработан, цикл измерения выполняется далее, и входной сигнал будет зарегистрирован (сигнал положительного решения ПТ является также временной отметкой для измерения времени прихода входных сигналов); в противном случае канал приводится в исходное состояние готовности к приёму следующего входного сигнала. Для регистрации амплитуд и времен прихода сигналов с проволочек Дрейфовой камеры и анодных секторов Z-камеры применялись 4-канальные блоки Т2А. Более подробно об электронике, используемой в ИЯФ для регистрации сигналов проволочных камер, можно прочитать в [27,28].
Для регистрации амплитуд сигналов калориметров и координатных полосок Z-камеры применялись 32-канальные блоки А32 [29]. Эти блоки работают в режиме "с общим стартом": цикл измерения инициируется сигналом положительного решения ПТ.
В связи с необходимостью обеспечить работу регистрирующей электроники в режиме "с общим стопом", задача ПТ состоит в том, чтобы выработать сигнал положительного решения о запуске цикла измерений не более чем через 1280 нс после события, причем этот сигнал должен быть синхронизован с событием с точностью 1-2 нс.
Первичный Триггер детектора КМД-2 состоит из трёх независимых подсистем (локальных триггеров): "Заряженный Триггер" - подсистема, обеспечивающая запуск измерений по заряженным частицам; "Нейтральный Триггер" - подсистема, обеспечивающая запуск измерений по частицам, попавшим в цилиндрический калориметр; "Триггер Торцевого Калориметра" - подсистема, обеспечивающая запуск измерений по частицам, попавшим в торцевой калориметр. Сигналы срабатывания всех локальных триггеров поступают на входы программируемой схемы совпадения, которая формирует сигнал положительного решения о запуске измерений.
Задача каждого локального триггера в рамках общей задачи ПТ -выработать сигнал о наличии полезного срабатывания за время, меньшее, чем общее время работы ПТ, обеспечивая временную привязку этого сигнала к моменту события с наилучшей возможной точностью. Поскольку чувствительные устройства детектора не обладают временным разрешением, достаточным для обеспечения требуемой точности временной привязки сигналов срабатывания локальных триггеров, для более точной привязки используется специальный сигнал "Фазы" обращения пучков в накопителе, который синхронизован с ускоряющим напряжением накопителя (период повторения импульсов "Фазы" равен периоду обращения пучков). Временное разрешение Z-камеры позволяет выбрать единственный импульс "Фазы", с которым синхронизуются сигналы Заряженного Триггера; таким образом, его сигналы оказываются точно привязанными по времени к моменту, когда произошло событие.
Технические требования к электронике торцевого калориметра в целом
Торцевой калориметр (рис.2, поз.6) был собран осенью 1994 г, а с весны 1996 г информация, поступающая с торцевого калориметра, стала использоваться при реконструкции событий. Торцевой калориметр построен на основе кристаллов германата висмута (BGO). Выбор сцинтиллятционного материала обусловлен физическими требованиями к торцевому калориметру и конструктивными ограничениями на максимальную длину кристалла. Торцевой калориметр состоит из двух одинаковых торцов. Каждый торец является плотно упакованной матрицей из 340 кристаллов (общее число кристаллов 680). Кристаллы имеют форму прямоугольного параллелепипеда размером 25 25 150мм3. Расположение кристаллов показано на рис.2. Сцинтилляционный свет выходит из кристалла на фотоприёмник через меньшую грань, дальнюю от места встречи. Подробное описание торцевого калориметра приведено в [22, 23, 24]. Поскольку торцевой калориметр расположен в областях, где есть продольное магнитное поле, индукция которого достигает величины более 1 Тл, выбор применимых фотоприемных устройств ограничен. Рассматривалась возможность использования полупроводниковых фотодиодов и вакуумных фототриодов. Оценки показывали, что с любым из этих фотоприёмников достижимые параметры калориметра будут примерно одинаковы. Из экономических соображений были выбраны вакуумные фототриоды производства ИЯФ [30, 31], которые могут работать в продольном магнитном поле до 2 Тл.
Выбор фотоприёмников определил основные направления проработки вопроса об электронном тракте. В первую очередь была рассмотрена возможность применить устройства, уже разработанные в ИЯФ к тому времени: зарядочувствительпые усилители на базе заказных гибридных микросхем 04УИ6 [32] и макетный образец формирователя для торцевого калориметра детектора КЕДР [33] (оба устройства были разработаны в Лаборатории 3 ИЯФ). Однако, во время предварительных испытаний выявилась склонность микросхем 04УИ6 к самовозбуждению, а главное -неудовлетворительная помехоустойчивость этих ЗЧУ и формирователей в реальных условиях работы. По результатам испытаний были выработаны рекомендации по доработке аппаратуры, и принято решение разработать новую аналоговую электронику.
Общие технические требования к электронике калориметра определяются тем, чтобы она позволяла достаточно полно реализовать его физические возможности. Энергетическое разрешение калориметра ограничено в основном флуктуациями утечек электромагнитных ливней. Для фотонов с характерной энергией 100 МэВ величина флуктуации составляет -5%. Так как ливень распределяется по нескольким (5-ГІ2) соседним кристаллам, то при подсчёте энерговыделения суммируются оцифрованные значения сигналов с нескольких каналов. При этом шумы также складываются. Чтобы вклад шумов в энергетическое разрешение был незначителен, энергетический эквивалент шумов каждого канала должен быть не более 1МэВ. Это ограничение на энергетический эквивалент шумов электроники является базовым для всех дальнейших расчётов, касающихся энергетического разрешения.
Несмотря на то, что постоянная времени основной компоненты высвечивания BGO ( 300нс) значительно превышает период обращения пучков в накопителе (60 нс), была поставлена задача использовать сигналы калориметра не только для измерения энергии частиц, но и для определения, при каком именно столкновении пучков произошло событие. Это обусловлено следующим соображением. Для событий, в которых треки заряженных частиц проходят через Z-камеру, временная привязка триггера производится по её сигналам с точностью лучше 60 нс. Однако в значительной части событий треки, проходящие через дрейфовую камеру, не проходят через Z-камеру, а попадают в торцевой калориметр. Для правильной реконструкции таких событий необходимо определять момент появления сигнала в торцевом калориметре с точностью до 1-2 периодов обращения пучков. При проектировании электроники необходимо было предпринять специальные усилия, чтобы обеспечить реализацию этой возможности.
С учётом изложенных в литературе [35, 36, 38, 15] методик и результатов была проведена оптимизация параметров основных узлов проектируемой электроники с целью минимизировать влияние погрешностей, вносимых электроникой (шумы, нелинейности, нестабильности), на энергетическое и временное разрешения калориметра. Поскольку для обеспечения наилучших энергетического и временного разрешений требуются сильно различающиеся формировки сигналов, было решено сделать по 2 формирующих узла в каждом канале: один - для энергетических измерений, другой - для использования в триггере.
Шумовые свойства различных фильтров характеризуются коэффициентом превышения шума, то есть отношением величины шума на выходе данного фильтра к величине шума на выходе оптимального ("CUSP-") фильтра при одинаковых постоянных времени формирования и при одинаковой мощности белого шума на входе. Для энергетических измерений был выбран квазигауссов фильтр, состоящий из дифференцирующей CR-цепи и интегрирующей цепи, содержащей Т-звено. Такой фильтр реализуется на одном ОУ, трёх резисторах и трёх конденсаторах и имеет коэффициент превышения шума 1.27. Фильтры большего порядка усложняют конструкцию, а отношение сигнал/шум улучшается незначительно. На рис. 3 приведены зависимости величины шумового заряда от постоянной времени формирования, измеренные на прототипе калориметра [39].
Питание ЗЧУ и высоковольтное питание фототриодов
На этих платах расположены ламели, к которым припаиваются провода питания модулей (по 5 проводов от каждого модуля), и дополнительные фильтры высоковольтных питаний. Остальная аппаратура калориметра расположена под полом ускорительного зала. Блоки усилителей-формирователей, а также блоки ТТК размещены в двух крейтах САМАС увеличенной высоты ("Big-CAMAC"). САМАС был взят за основу как наиболее подходящий стандарт, поскольку возможности по управлению блоками, предоставляемые им, вполне обеспечивают управление всей электроникой торцевого калориметра, и этот стандарт в ИЯФ широко поддерживается аппаратно и программно. Усилители-формирователи решено было сделать в виде 30-канальных блоков и разместить в двух крейтах, по 12 блоков в каждом крейте. Т.к. площади стандартной платы не хватало для размещения 30 каналов УФ, высота блока (и, соответственно, высота крейтов) увеличена на 100 мм. Такое решение - самое дешёвое, т.к. потребовалось всего два крейта, а стоимость изготовления высоких боковых панелей для крейтов мала.
Рядом с крейтами электроники находятся 4 "Путаницы" и 2 корзины стандарта "Вишня", в которых установлены источники питания ЗЧУ, источники высоковольтного питания фототриодов и специально разработанные источники дополнительных напряжений питания для электроники, расположенной в САМАС-крейтах.
Зарядочувствительные предусилители определяют уровень шумов электроники, так как остальные блоки работают уже с усиленными сигналами, причём основной вклад дают шумы входного каскада предусилителя. Параметры выбранных кристаллов и фототриодов таковы, что сигнал на входе ЗЧУ получается всего около ЗООе/МэВ. Чтобы удовлетворить установленным ограничениям на энергетический эквивалент шумов, величина приведенного ко входу эквивалентного шумового заряда должна быть не более 300 е при измерении с временем формирования 3 мкс, и не более 400 е при измерении с временем формирования 0.3 мкс. Эквивалентный шумовой заряд измерительного тракта, состоящего из ЗЧУ и оптимального фильтра, рассчитывается по формуле: где OQ- эквивалентный шумовой заряд, 1Р- суммарный ток, втекающий на вход ЗЧУ (он равен сумме тока утечки фототриода и тока базы или затвора входного транзистора), Rp- сопротивление, параллельное входу (обычно сопротивление резистора обратной связи), С- полная емкость на входе (сумма емкости детектора и входной ёмкости усилителя), Є5- эквивалентная ЭДС шума усилителя, Т- постоянная времени формирования, А/- фликкер-шум. Эту формулу можно применять для оценки вкладов различных источников шумов в величину эквивалентного шумового заряда реального измерительного тракта. Оценки показывают, что при выбранных постоянных времени в качестве входного транзистора лучше всего использовать полевой транзистор с затвором на основе p-n-перехода, так как у таких транзисторов ток утечки затвора составляет порядка 0.1 нА и фликкер-шумы меньше, чем у полевых транзисторов с изолированным затвором. Конкретный тип входного транзистора был выбран экспериментально - КП323 [47]. Его использование даёт наименьшие шумы по сравнению с другими малошумящими полевыми транзисторами (КП303 [47], КП307Ж[47], КП341А [47,45]). Например, несмотря на то, что крутизна транзисторов КП341А болыпе,чем у КП323 при том же режиме, они давали шумы (400-г450)е с обоими формированиями. Первый каскад ЗЧУ построен по широко применяемой каскодной схеме, обеспечивающей минимальную входную ёмкость [12, 14, 37].
Выбор ёмкости обратной связи Ср, тесно связан с основными собственными (без ООС) параметрами усилителя - коэффициентом усиления на низких частотах Ки и частотой единичного усиления/;. Емкость обратной связи определяет коэффициент преобразования ЗЧУ, а также, из-за конечной величины коэффициента усиления и ограниченного быстродействия усилителя, влияет на время нарастания и шумовые свойства ЗЧУ. Чем больше коэффициент преобразования ЗЧУ (а Ср,, соответственно, меньше), тем меньше требования к помехозащищённости остальной электроники. В то же время, уменьшение Cjb при заданных собственных параметрах усилителя приводит к увеличению времени нарастания ЗЧУ, а также к увеличению потерь входного заряда (заряд разделяется между суммарной ёмкостью на входе ЗЧУ и динамической ёмкостью обратной связи). По результатам испытаний нескольких макетов ЗЧУ с различными схемами усилителей и емкостями обратной связи были выбраны следующие значения для расчётных параметров усилителя и емкости обратной связи: коэффициент усиления на низких частотах Ки 300; частота единичного усиления /; 20 МГц; Cjb= 2.5 пФ, что задаёт коэффициент преобразования 0.4В/пКл.
При таких параметрах время нарастания выходного сигнала ЗЧУ составляет не более 50 нс. Такой усилитель может быть построен по достаточно простой схеме, и снижение расчетных параметров для её дальнейшего упрощения неэффективно. В то же время, при выбранном времени нарастания ЗЧУ требования к быстродействию остальных узлов аналогового тракта получаются вполне разумные.
Величина резистора обратной связи выбрана 220 МОм. При таком значении сопротивления вклад теплового шума этого резистора (2-е слагаемое в формуле (1)) в общие шумы составляет около 100 е, что примерно равно сумарному вкладу токов утечки фототриода и затвора входного транзистора (сумма токов утечки - около 0.2 нА), который выражен 1-м слагаемым в формуле (1). При дальнейшем увеличении сопротивления резистора обратной связи увеличивается различие смещений выходного каскада разных каналов ЗЧУ, что обусловлено разбросом токов утечки конкретных экземпляров ФТ и входных транзисторов.
Принципиальная схема одного канала зарядочувствительного предусили-теля приведена на рис.10. Первый каскад, как уже было упомянуто выше, устроен по каскодной схеме - сигнал из стока VT1 поступает в основном в эмиттер VT2. Активной нагрузкой первого каскада является генератор тока на полевом транзисторе VT3. Транзисторы пришлось предварительно отобрать так, чтобы при R3 = 4.3 кОм ток стока VT3 составлял 0.5 мА±10% во всех каналах. Полюс АЧХ, связанный с выходом первого/входом второго каскада, находится на значительно более низкой частоте, чем остальные полюса. Благодаря этому усилитель имеет большой запас устойчивости. На входах ЗЧУ устроены калибровочные ёмкости в виде полосок на печатной плате. Для цепей ООС были взяты предварительно отобранные конденсаторы ёмкостью 2.5-г2.6 пФ. ЗЧУ имеет парафазный выход, сигнал передается по витой паре с волновым сопротивлением ПО Ом. Такой способ передачи сигналов обеспечивает меньшие взаимные наводки в кабеле.
Настройка и тестирование электроники системы измерения светимости
Аналоговые сигналы с выхода ключей собираются на специальную линию (сумматор тока канала полного энерговыделения) и поступают в преобразователь ток- напряжение (здесь вычитается ток покоя ключей и формируется выход по напряжению). Полученный таким образом сигнал полного энерговыделения (на рис. 18 помечен "ІІсумм") подаётся на дискриминаторы полного энерговыделения, в аналоговую линию задержки и на выходной буфер-разветвитель.
Шесть дискриминаторов полного энерговыделения имеют различные пороги, устанавливыемые индивидуально. Дискриминаторы имеют управляющий вход, переводящий их из нормального режима работы в режим, в котором при срабатывании дискриминатора его состояние фиксируется и остается неизменным до снятия управляющего сигнала. Состояние дискриминаторов можно прочитать через магистраль САМАС. Эта функция полезна для обнаружения редких выбросов и при тестах.
Сигнал полного энерговыделения, подаваемый на АЦП (блок А32), необходимо задержать, чтобы он поступал в АЦП после сигнала запуска измерений. Для этого служит аналоговая линия задержки (обозначена "Ан.Л.З."), реализованная на двух модулях МЛЗ-1.0-600 (общая величина задержки - 2мкс). Сигнал с формировкой 300 нс, проходящий через такую линию, не только задерживается, но и заметно "размывается" по времени, облегчая работу сравнительно медленного УВХ блока А32. Этот сигнал выдаётся через выход "Сумма2".
Выходной буфер-разветвитель выдает сигнал полного энерговыделения в два выхода ("СуммаГ ): один - для передачи этого сигнала в сумматор полного энерговыделения всех калориметров, второй - для контроля сигнала с помощью осциллографа или быстрого АЦП.
Логические сигналы дискриминаторов "низкого" порога и "высокого" порога раздаются в несколько напрвлений. Во-первых, на соответствующую схему 24ИЛИ (на рис. 18 обозначены соответственно "24ИЛИ_низ." и "24ИЛИ_выс"). Выходные сигналы схем "24ИЛИ_низ." или "24ИЛИ_выс." используются для выработки сигнала "Старт", запускающего ТТК, и для самосброса АДиС. Сигнал одной из этих схем, пройдя через мультиплексор выбора источника самосброса, запускает одновибратор задержки самосброса, и через 1.5мкс генерируется импульс "Сброс", который раздается на все субплаты дискриминаторов. Этим импульсом АДиС приводится в готовность к приёму новых входных сигналов: во всех каналах сбрасываются триггеры Tpl и закрываются аналоговые ключи (если они работают в автоматическом режиме). Записью управляющего слова в статусный регистр можно выбирать источник самосброса (от высокого или низкого порога), разрешать/запрещать самосброс, разрешать/запрещать сброс по заднему фронту сигнала "Блокировка", разрешать/запрещать сброс от внешнего сигнала. "Сброс" можно генерировать по команде компьютера. В случае, если Первичным Триггером КМД-2 было принято решение о запуске измерений, он выдаёт сигнал "Блокировка", который поступает в АДиС примерно через 1.3 мкс после события (т.е. до возникновения импульса "Сброс"). "Блокировка" вызывает фиксацию состояний всех дискриминаторов и, таким образом, препятствует появлению новых запускающих импульсов. В этом случае "Сброс" вырабатывается по заднему фронту "Блокировки" или по внешнему сигналу.
Во-вторых, логические сигналы дискриминаторов "низкого" и "высокого" порогов поступают на мультиплексор временных отметок (24-канальный мультиплексор 2- 1). Через этот мультиплексор выбранный набор сигналов поступает на выход, а затем - на ВЦП.
В-третьих, сигналы дискриминаторов "высокого" порога передаются в БГ через последовательно-параллельный интерфейс (ПЛИ). ПЛИ с помощью мультиплексора коммутирует три группы сигналов по восемь каналов в одну 8-разрядную линию. Это сделано для уменьшения числа кабельных линий, что, в свою очередь, повышает надёжность системы. Процессом пересылки данных управляет БГ, получающий данные. Получив сигнал "Старт", он начинает отсчет разрешающего времени. Закончив ожидание, БГ запоминает первое 8-разрядное слово и посылает команду на смену направления мультиплексора в ПНИ. Таким образом БГ забирает все три слова, содержащие информацию о срабатываниях всех 24 групп. Надо иметь в виду, что время сбора данных для триггера (но не временных отметок) реально немного различается для разных восьмерок каналов, поскольку данные о состоянии каждой восьмёрки фиксируются в момент защёлкивания соответствующего 8-битного слова во входном регистре БГ. Поэтому разрешающее время устанавливается минимально необходимым для первых восьми каналов, для следующих восьми каналов оно на 16 нс больше, и для последней восьмёрки оно на 32 не больше минимального. В-четвёртых, сигналы дискриминаторов "высокого" порога через буферы выводятся на переднюю панель блока АДиС для контроля. Описание команд, используемых для управления блоком АДиС по магистрали САМАС, приведено в [41].
