Содержание к диссертации
Введение
1. Выбор конструкции и изготовление сцинтилляционных счетчиков.
1.1 Конструкция счетчико в. 18
1.2 Сборка счетчиков. Тестовые испытания на этапе сборки. 20
1.3 Система для проверки качества сцинтилляционных счетчиков при массовом производстве. 22
1.4 Радиационные испытания сцинтилляционных счетчиков. 23
2. Методика и результаты тестовых измерений.
2.1 Проверка счетчиков. 23
2.2 Результаты измерений. 23
3. Автоматизированная система для проверки счетчиков при помощи космических мюонов.
3.1 Экспериментальная установка для проверки сцинтилляционных счетчиков с использованием космических мюонов. 24
3.2 Методика измерений. 27
3.3 Результаты измерений. 31
4. Монтаж счетчиков в детектор DO.
4.1 Установка счетчиков в детектор DO. 45
4.2 Подсоединение счетчиков к системе считывания. 46
5. Распределенная система сбора и обработки информации установки.
5.1 Организация электроники и триггера в установке DO. 51
5.2 Система сбора и обработки данных Аф. 53
5.3 Система калибровки счетчиков Аф. 60
5.4 Система конторля напряжения питания Аф счетчиков. 65
6. Результаты, полученные в результате эксплуатации системы.
6.1 Результаты использования счетчиков Аф для идентификации мюонов. 67
6.2 Измерение светимости. 68
6.3 Долговременная стабильность. 76
Заключение. 79
- Сборка счетчиков. Тестовые испытания на этапе сборки.
- Подсоединение счетчиков к системе считывания.
- Система конторля напряжения питания Аф счетчиков.
- Долговременная стабильность.
Введение к работе
В 1983 году в Национальной Ускорительной Лаборатории им Ферми (Фермилаб) начал функционировать ускоритель Теватрон, первоначально названный Удвоителем Энергии, протяженностью четыре мили в окружности (6.4 км). На тот момент и до настоящего времени он являлся самым высокоэнергичньтм ускорителем. Одним из основных детекторов Теватрона-является установка DO. Установка DO [1] предназначена для прецизионных измерений мюонов, электронов и фотонов, а также для измерения с высокой точностью адронов и адронных струй. В сентябре 1992 года на DO проведен первый физический пуск. Набор данных проводился вплоть до 1996 года. В течение этого времени (RUN I), точнее 2 марта 1995, были получены данные, позволяющие заявить о существовании Топ кварка, последнего неоткрытого кварка из шести, предсказанных, в соответствии со Стандартной моделью. Было принято решение продолжить эксперименты, предварительно проведя изменения в структуре ускорителя и соответственно в основных детекторах. Постройка дополнительного инжектора позволила увеличить число протон-антипротонных столкновений. Анализ работы одного из основных детекторов DO показал, что для работы с более высокой светимостью, практически все системы детектора требуют коренной модернизации. Все работы по улучшению установки проводились с 1996 по 2000 год.
В создании обновления установки участвовали более 550 физиков из 63 научных центров 17 стран, в том числе из ИТЭФ. Первый пуск в обновленном виде был произведен в январе 2001 года. Набор данных происходит и по настоящее время.
Одним из детекторов установки D0 является мюонная система, которая служит для измерения характеристик мюонов. Мюоны могут быть фоновыми, которые проникают извне и влияют на результат
измерений всего детектора. Нас же интересуют родившиеся в результате протон-антипротонных столкновений. Разделение этих мюонов очень важно для повышения уровня достоверности регистрации событий в столкновении частиц Теватрона.
Создаваемая система должна учитывать увеличение светимости до Зх1032см"~с"1, в связи с чем появилась возможность изучения процессов с сечениями на уровне 4-8 фемтобарн.
Исходя из новых параметров пучка, к системе центральных сцинтилляционных мюонных счетчиков, в дальнейшем называемой Аф, предъявляются определенные требования:
во первых, необходимо перекрыть детектором 100% поверхности в центральной части детектора в аксептансе |л|<1;
во вторых, обеспечить измерения времени пролета частиц с разрешением менее, чем 2,5 не;
в третьих, определить координату частицы по углу ср с сегментацией -4,5;
в четвертых, система должна быть радиационно устойчивой, так как работает в жестких радиационных условиях;
в пятых, обеспечить работу ФЭУ в сильном магнитном поле.
В окончательной конфигурации, вся центральная мюонная система, после модернизации представляет собой: один внутренний слой сцинтилляторов Аф, один внешний слой сцинтилляторов и три слоя дрейфовых трубок PDT Chambers А,В,С (рис.1).
Разработка и создание центральной части мюонной сцинтилляционной системы (Аф счетчики) проводилась в ИТЭФ в сотрудничестве с Северным Университетом штата Иллинойс (NIU) и Фермилабом.
Silicon Tracker
fa rt
П>
н о
-о
О о
!m) о
Preshower
Forward MDT Layers С
2T Solenoid
Electronics
Pixel Counter Layers ABC
Fiber Tracker
і L
(m)
Мюонная система не является открытием или новым детектором. В различных экспериментах, например таком как CLAS (TJNAF,USA) применяется система для регистации заряженных частиц электронов и мюонов. В этой установке используются узкие полосы сциытиллятора длиной несколько метров со считыванием сигнала с обоих концов посредством ФЭУ. При детектировании частиц в такой системе одна из координат определяется по разнице прихода сигнала на два ФЭУ, а другая по номеру сработавшей полосы. Регистрация нескольких частиц одновременно в таком детекторе невозможна, поэтому такой тип применим в системах с низкой загрузочной способностью. В центральной мюонной системе количество частиц регистрируемых на эквивалентной площади высоко и для такого типа детекторов неприемлема.
Исходя из новых требований[50], была предложена оригинальная конструкция всей системы и единичного счетчика. Построен прототип единичного детектора, проведены предварительные тесты и расчеты. Конструктивно система Аф представляет собой тонкостенную трубу прямоугольного сечения, разбитую на 9 частей (с разрывом). Длина Аф составляет 7600 мм, горизонтальный размер равен 5652 мм, вертикальный размер — 5775 мм. Каждое кольцо состоит из 70 счетчиков (всего 630 счетчиков). Общая площадь -174 м". Логическая схема расположения системы изображена на рис. 2. Конструкция расположения детекторов поперек пучка изображена на рис.3. Схематичекий вид на часть системы, расположенный вдоль пучка, изображен на рис.4.
Предложенный вариант расположения детекторов и их конструкция были приняты за основу для производства. В результате детектор DO приобрел новые свойства.
Рис.2. Структура мюонной системы
j» S.67 m <]
Рис.3. Конструкция системы Аф (вид вдоль пучка)
Рис.4 Расположение детекторов системы Аф (вид поперек пучка)
Теперь за счет включения в DO системы Аф стало возможным выполнить следующие задачи:
—отделение фоновых событий путем определения времени пролета
мюонов (<а> = 2,5 не. расчетное); —уточнение с сегментацией по углу ф -4,5 координаты мюонов,
зарегистрированных в системе координатного детектора на основе
сцинтиллирующих волокон, —при наличии сигнала в системе координатного детектора на основе
сцинтиллирующих волокон и одновременно сигнала в системе Аф
происходит выработка триггера первого уровня; —сформировать триггерные события в зависимости от координаты
сработавших счетчиков (80 по координате ф и 9 по координате z); —измерение направлений и координат мюонов, а также разделение их
в пространстве.
Для надежной идентификации мюонов центральная мюонная система имеет еще и слой дрейфовых трубок, расположенных внутри магнита. Вне магнита расположено 2 слоя дрейфовых трубок и слой внешних сцинтилляционных счетчиков, что обеспечивает эффективное подавление фоновых мюонов. Пространство, отведенное для Аф счетчиков, ограничено, потому что, данными счетчиками заполнялось пространство, не заполненное в RUN I, что определило конструкцию счетчиков. Результирующая толщина детектора при вышепредложенной конструкции составило 10 см. Выбор сцинтилляционных счетчиков в качестве активного элемента системы детектирования мюонов установки DO, определялся следующими соображениями. Сцинтилляционные счетчики технологичны, стабильно работают в сильных магнитных полях, имеют достаточно малое время отклика. При сборке системы счетчики объединяются в группы. В зависимости от положения группы в детекторе DO, производилось подключение к системе считывания.
Считывание данных происходит с сцинтилляционных счетчиков аналоговым образом. Общее число каналов считывания равно 630. В программах обработки с помощью информации, полученной от системы Аф, проводится восстановление времени пролета частиц, вычисляется их координата.
Важной особенностью системы Аф является долговременная стабильность системы, обеспечивающаяся работой счетчиков, однородностью их отклика и качеством калибровки. Система Аф, как и вся установка DO, располагается в шахте на глубине около 10м, доступ к элементам системы, при закрытом детекторе, не возможен, а ремонт или замена его отдельных частей возможны только при остановке всего детектора DO. Уровень отказов для счетчиков Аф, в работающей установке, можно оценить по такому факту, что на текущий момент (с 2001 года) ремонту подверглись только 4 счетчика.
В силу крайней ограниченности доступа к счетчикам, к работе детекторов системы Аф предъявляются особенно жесткие требования по надежности, стабильности и однородности. Эти требования были обеспечены при массовом производстве счетчиков в нескольких институтах (в ИТЭФ было произведено 530 счетчиков, остальные 140 — в Северном Иллинойсовском Университете (США)). Для обеспечения требуемого качества счетчиков при их массовом производстве была разработана единая технология производства и процедура комплексных проверок счетчиков. Проверки счетчиков проводились на всех стадиях создания и служили гарантией надежной и стабильной работы в экспериментальных условиях.
Разработанная при производстве счетчиков методика их проверки используется в эксперименте D0 для мониторирования отклика всей системы Аф и контроля работоспособности его отдельных элементов и сейчас. В процессе производства системы Аф центральных мюонных
ю
«
о ч о
-1 о
«
WLS fibers
Scintillator
"1 о
о л а
сцинтилляционных счетчиков были отлажены и запущены автоматизированные установки в ИТЭФ, NIU, Fermilab.
Проведение испытаний прототипа системы Аф на космическом стенде в ИТЭФ и аналогичном в Fermilab потребовало создания системы сбора и обработки информации. В настоящее время она используется для изучения физических характеристик подобных. модулей, оставленных для замены. Опыт, полученный при проведении тестовых испытаний, методика проверок, аппаратные и программные средства могут быть полезны при создании больших детекторных систем на современных ускорителях.
Оригинальностью выдвинутой идеи является то, что удалось добавить внутрь магнита тонкий —10 см, эффективный (98% и более), с покрытием 100% поверхности в центральной области детектор, позволяющий измерять время с разрешением лучше 2,5 наносекунд, без глобальной перестройки остальных систем детектора. В результате этого открылись широкие возможности в формировании триггера совместно с другими детекторами, расположенными внутри ярма магнита. Например, данные системы явились определяющими при установлении верхнего предела распада Bs на пару рГ ц.+, который составил <1,2х10"7 при 95% уровне достоверности[3]. В работе [5] измерено сечение рождения пар топ и антитоп кварков при столкновениях протона и антипротона. Для средней массы топ кварка 170,9 Gev величина сечения равна 7,8±1,8 пикобарн (стат±сист). Определяющим для получения других результатов [7-48], стало наличие триггера на один или два лептона, в образовании которого, участвовала система Аф центральных мюонных сцинтилляционных счетчиков.
Целью диссертационной работы является создание системы сцинтилляционных счетчиков, позволяющей измерять время пролета заряженных частиц в центральной части установки DO и определять их
координату ф с точностью ~4,5; изучение характеристик счетчиков; анализ данных и контроль за их состоянием.
Автор защищает:
1. Создание в ГНЦ РФ ИТЭФ детектора для измерения времени
пролета в эксперименте DO, состоящего из системы 630
сцинтилляционных счетчиков общей площадью ~174 м :
а) показано, что система сцинтилляционных счетчиков позволяет
определять координаты заряженных частиц в центральных областях
детектора с угловым разрешением 4.5 по координате ф, что необходимо
для идентификации мюонов;
б) показано, что детектор обладает временным разрешением
<а>=1,6 не, что соответствует требованиям, предъявляемым к
времяпролетной системе эксперимента DO.
2. Разработка методики проверки сцинтилляционных счетчиков
центральной мюонной системы при массовом производстве:
а) показано, что методика позволяет эффективно отбраковывать
счетчики на различных этапах производства;
б) по результатам выполненных проверок проведен отбор и
объединение в группы (по свойствам) детекторов для удешевления
системы высоковольтного питания. Создана полная база данных с
характеристиками изготовленных детекторов.
3. Разработка системы контроля за амплитудными и временными
параметрами детекторов, анализ изменений характеристик системы
центральных мюонных сцинтилляционных счетчиков в установке DO в
период проведения эксперимента:
а) показано, что за период с 2000 по 2007 год амплитудные и
временные параметры не изменились более, чем на 5% ;
б) за весь период работы из строя вышло не более 1% детекторов
центральной мюонной системы Аф.
4. Выход одиночных мюонов как критерий оценки правильности работы центральной мюонной системы DO.
Показано, что анализ данных, полученных от всей центральной мюонной системы, указывает, что мюонная система устойчиво работает во всем диапазоне достигнутых светимостей.
Актуальность работы
К 1996 году одна из основных установок Национальной Ускорительной Лаборатории им Ферми (Фермилаб) DO выполнила всю программу, которая была возможна при данных характеристиках детектора (Run I). Было принято решение продолжить эксперименты, предварительно проведя изменения в структуре ускорителя и соответственно в основных детекторах. Анализ работы одного из основных детекторов DO показал, что для работы с более высокой светимостью, практически все системы детектора требуют коренной модернизации. Все работы по улучшению установки проводились с 1996 по 2000 год. Новая структура детектора потребовала создания системы сцинтилляционных счетчиков с временным разрешением менее 2,5 наносекунд, установленной на внутренней поверхности ярма магнита, для идентификации мюонов в центральной области быстрот |г|| < 1 с угловым разрешением 4,5 по координате (р. Мюонная система одна из основных в установке DO, выделяет из огромного количества частиц, образовавшихся в протон-антипротонных столкновениях, редкие частицы с с-,Ь- и t- кварками по их мюонньтм распадам. Это обстоятельство определяет актуальность данной диссертации.
Научная новизна
Новизна поставленной задачи состояла в уникальном сочетании
требований к времяпролетной системе, определявшейся свойствами
существующего детектора, модернизированного Тэватрона и
характером физических задач, поставленных перед детектором DO.
Практическая ценность
Полученные в диссертационной работе результаты, технологии и методы контроля могут использоваться для построения ыюонных систем как в России так и за рубежом.
Порядок изложения материала в работе следующий:
В первой главе дано подробное описание конструкции (рис.6) и технологии производства сцинтилляционньтх счетчиков. Изложен метод подготовки материалов; их проверка на этапе производства; описана процедура проверки качества компонентов и деталей, из которых собирались сцинтилляционные счетчики. Приводится обоснование выбора именно такой конструкции и материалов.
Вторая глава посвящена описанию методики проведения испытаний, описанию используемых аппаратных и программных средств для проверки однородности отклика сцинтилляционных счетчиков при помощи источника радиоактивного излучения .
В третьей главе изложена методика проведения долговременных проверок счетчиков и созданная для ее реализации установка для проверки при помощи космических мюонов.
В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с созданием системы хранения информации о производстве и проверках сцинтилляционных счетчиков.
В пятой - дано описание распределенной системы сбора и обработки первичных данных детекторов, созданной при участии ИТЭФ.
В шестой приведены данные, получаемые от системы А(р, а также результаты исследований системы за длительный период работы.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
По теме диссертации в 1997—2007 годах было опубликовано 30 работ. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на митингах Мюонной системы DO, на коллаборационных митингах DO , на совещаниях сотрудничества FNAL (1997—2007 гг).
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации отражены в работах [1,2]. Результаты работы были представлены на "Wine-and-Cheese" семинаре Фермилаб, докладывались на международных конференциях, а также ежегодных митингах коллаборации D0, начиная с 2000 года. Данные, полученные в течение проведения работ, включены в доклады представленные на международных конференциях: " 7th International Conference On Advanced Technology And Particle Physics " Como, Italy 2001; " International Conference on Computing in High Energy and Nuclear Physics " Beijing, China 2001; " The Meeting Of The Division Of Particles And Fields Of The American Physical Society " Williamsburg, Virginia USA. Данные, получаемые от системы Аср центральных мюонных сцинтилляционных счетчиков, являются неотъемлемой частью всех получаемых данных на установке, так как непосредственно участвуют в выработке триггера. Физические результаты опубликованы в журналах «Physical Review Letters» и « Nuclear Instruments and Methods in Physics Research» [3-7], в материалах международных конференций и проектной документации эксперимента D0.
Сборка счетчиков. Тестовые испытания на этапе сборки.
Сборка части счетчиков проводилась в механических мастерских ИТЭФ. Сначала пластины сцинтилляторов были отрезаны в размер и отполированы по торцам, затем они помещались в станок со специальными креплениями, и проводилось фрезерование углублений для волокон в соответствии с чертежами. WLS волокна нарезались в размер, а их торцы полировались. Особенностью данных работ является предварительный подбор режима обработки материалов, типа фрез и скорости обработки. Это необходимо для получения качественного результата. Отдельный этап — это производство корпусов из алюминия. Корпус состоит из двух частей, представляющих собой два металлических лотка, вставляющихся друг в друга. В центре верхнего лотка расположено отверстие, через которое выводятся волокна. Над отверстием монтируется светонепроницаемый объем, в котором помещаются волокона WLS. Затем на поверхность верхнего лотка крепиться металлический корпус для ФЭУ, при этом окно для ФЭУ присоединяется к светонепроницаемому объему. Из металлических труб были изготовлены магнитные экраны. Пермаллоевые экраны изготавливались из листового материала посредством скручивания в трубу и последуещей сварки слоев автоматом точечной сварки. После того, как все детали были изготовлены, начинался процесс сборки счетчиков. Сначала в пазы вкладывались WLS волокна, затем они фиксировались клеем в некоторых местах. На торцах пластин сцинтиллятора устанавливались отражатели, увеличивая сигнал на 30%. Эта сборка оборачивалась слоем листового материала TYVEK для диффузного отражения света сцинтилляций внутри пластины, затем, слоем TEDLAR для изоляции от света. Следующая операция — объединение волокон в жгут. Таким образом, упакованный детектор, вкладывается в нижний лоток, затем закрывается верхним лотком, пропуская жгут с волокнами в центральное окно. По периметру швы лотков детектора промазывается светозащитным силиконовым компаундом, осуществляя механический крепеж лотков между собой и светоизоляцию детектора. После засыхания компаунда производится непосредственный осмотр детектора. В сформированный жгут волокон добавляют прозрачное волокно от оптического разъёма, который крепится к стенке светонепроницаемого объема.
Затем свободные концы всех волокон объединяют, выравнивают, фиксируют вместе, полируют и крепят к окну, к которому будет подсоединен ФЭУ. Далее светонепроницаемый объём закрывают крышкой, проклеивая по периметру светозащитным силиконовым компаундом и фиксируют винтами. Подготовленный корпус для ФЭУ, крепят на поверхность кожуха. Затем помещают магнитные экраны и ФЭУ с делителем и закрывают панелью с разъемами. При этом обеспечивается оптический контакт ФЭУ со жгутом волокон из светонепроницаемого объема. Таким образом, счетчик собран. Очевидно, что при соблюдении всех режимов сборки детекторы не являются полностью идентичными. В связи с этим необходимо провести первичную проверку всех изготовленных сцинтилляционных счетчиков. В ее задачу входит проверка зависимости отклика счетчика от напряжения питания. Тестовое испытание проводилось наблюдением сигнала от ФЭУ при подаче на счетчик паспортного напряжения. Если количество импульсов от ФЭУ за фиксированное время превышает некоторую ожидаемую величину (шум), то это означает наличие нарушения светозащиты. Для поиска места поломки счетчик облучался источником света и, если при освещении определеного участка поверхности детектора, счет увеличивался, то можно утверждать, что в этом месте и находится нарушение светоизоляции, которое необходимо устранить. Если нарушение светоизоляции устранить не удавалось, тогда счетчик перебирался заново. Если же сигнал вообще не наблюдался, то производился поиск неисправности в плате делителя. Для производства такого типа измерений использовались источник высоковольтного питания, дискриминатор, пересчетное устройство, осциллограф. Было проведено испытание материалов, используемых для производства счетчиков, на предмет совместимости при работе в радиационных полях. Оптимальным оказалось применение вышеописанной композиции материалов. Исследование радиационного старения производилось при помощи сравнения амплитуд сигнала отклика прототипа счетчика при облучении образцовым источником радиоактивного излучения сразу после изготовления и после того, как была проведено облучение с накоплением дозы 20 кРад. Сравнение показало, что уменьшение амплитуды составляет для данной композиции сцинтиллятора, WLS файбера и ФЭУ 35%. По расчетам, для центральной части детектора DO радиационная доза составит не более 1 кРад, следовательно не ожидается значительных разрушений в детекторе за все расчетное время экспозиции Run 2. ГЛАВА 2. Методика и результаты тестовых измерений. 2.1 Проверка счетчиков. Для более точного определения качества сборки мюонных сцинтилляционных счетчиков необходимо провести более тщательную проверку. Для этого использовался источник радиоактивного излучения.
Поскольку счетчики имеют большие размеры, то стоит задача проверки работоспособности счетчика по всей площади. Разместив на поверхности счетчика радиоактивный источник, на осциллографе наблюдался сигнал характерного распределения по импульсам. Затем аналогичные замеры проводились в различных местах детектора и с различных сторон. Оценка данных проводилась по анализу формы сигнала с детектора и количеству отсчетов системы регистрации при фиксированном пороге. Критерием, который позволял бы судить о том, что детектор работоспособен, является подобие распределений сигналов из разных мест детектора. Если же наблюдение показывало, что в каких то местах сигнал подавлен, то такой счетчик должен быть забракован и переделан. Анализ данных также показал равномерность отклика детектора по площади на воздействие заряженных частиц. Для всех размеров детекторов удалось добиться разброса отклика по всей площади 7%. Конечно, радиоактивный источник не производит тот тип излучения, который будет в реальной установке, и предыдущие необходимые тестовые испытания не являются тем источником информации, на основании которого можно судить об основных свойствах счетчиков. Поэтому для точного определения параметров мюонных сцинтилляционных счетчиков, необходимо провести более тщательные измерения и в результате паспортизовать эти параметры детекторов. Для этого была создана установка (рис.8), обеспечивающая возможность паспортизировать собранные счетчики с использованием не только источника радиоактивного излучения, а также и космических мюонов. Проще говоря, космический стенд. Структурная схема изображена на рис. 7. Между двумя счетчиками, образующими триггер, располагаются 15 исследуемых счетчиков. Сигнал с триггерных счетчиков, поступающий через дискриминаторы, расположенные в крейте NIM, преобразуются в логический сигнал. Затем на основе схем быстрой электронники собирается схема, определяющая логику работы установки. В эту схему входят дискриминаторы, схемы совпадений, генераторы временных задержек. В результате совпадения сигналов с триггерных счетчиков, вырабатывается сигнал триггера, который говорит о том, что через систему прошла заряженная частица (мюон).
Подсоединение счетчиков к системе считывания.
Каждый счетчик требует подключение к трем системам. Первая - это система сбора информации. Подключение обеспечивается коаксиальным кабелем, причем длина всех кабелей расчитана так, что время прихода сигнала на вход системы считывания происходит одновременно рис.17. Проводка осуществлялась группами кабелей от блоков электронники до счетчиков, при этом излишки провода мелкими бухтами укладывались и фиксировались поверх счетчиков (рис. 19). Вторая — это система высоковольтного питания. Кабели из специального помещения, в котором расположены стойки с управляемыми модулями питания, проложены до верхней части детектора и подсоеденены к пассивным распределительным боксам с номерами от 1 до 16 (рис.18). Далее кабели проложены уже до индивидуального счетчика, при этом их длины минимизированы. Последяя система - это калибровочная система, состоящая из набора световодов, подводящих калибровочный сигнал от светодиода к счетчику (рис. 21). Световодные кабели также были зафисированы на поверхности счетчиков. Результирующий вид установленной системы Аф представлен на рис.22. Вся информация по монтажу, положению, размерам, характеристикам счетчиков и ФЭУ была помещена в базу данных. Вся установка DO представляет собой сложную систему, которая включает в себя: фронтэнд электронику; WME крейты (некоторые расположены внутри самого детектора рис.20), необходимые для обработки первичных данных; систему высоковольтного питания. Информация от детекторов поступает по каналам связи в стойки с крейтами, где информация быстро обрабатывается (рис.26), фильтруется и только затем, приобретя форматированый вид (рис.27), поступает на финальную обработку в кластер онлайн компьютеров. Все WME крейты имеют в своем составе процессорные модули, обеспечивающие поддержку и контроль каналов передачи информации, и медленного контроля. Собственно передачу информации, отбор событий осуществляют специально разработанные модули WME. Конечный пользователь имеет доступ уже к очищенной информации посредством скриптов системы "examine". Например, информация о событии от системы Аф это не номер счетчика, а уже географическая - координата и время.
Сцинтилляционные детекторы выдают импульс напряжения при прохождении частиц через детектор. Но это совсем не означает, что зарегистрированное событие и есть то, что нужно. Важно зарегистрировать частицу, которая соответствует интересующему нас столкновению, когда по предсказаниям она должна появиться как следствие проводимого эксперимента. В нашем случае частице из реакции столкновения протона и антипротона необходимо пролететь, по крайней мере 3 метра до счетчиков Аф системы. На основании этих условий разрабатана для эксперимента DO система выработки триггера, которая позволяет в зависимости от необходимости производить первичный отбор частиц. Рассмотрим его формирование в той части, которая касается системы регистрации мюонов. Протоны и антипротоны ускоряются и накапливаются в кольце ускорителя до определенной плотности, затем в определенный момент оба пучка сталкиваются, причем место столкновения это геометрический центр установки. Рабочая частота ускорителя составляет 53 мегагерц, при этом частота столкновений в 7 раз реже. Информация от столкновения поступает через каждые 132 наносекунды. Это характерное время используется для синхронизации всех процессов обработки измерений в DO. Если в детекторах центральной мюонной системы в течение этого времени появляется сигнал, то он поступает сразу в крейты формирования триггера первого уровня. Затем проводится быстрый анализ: можно ли из данных дрейфовых камер и времени регистрации в Аср системе собрать трек, соответствующий частице, прилетевшей из центра установки D0 и сформировать триггер. Если такое событие произошло (Триггер L1 уровня), то все данные передаются на последующие уровни обработки данных. Система сбора информации для счетчиков устроена так что, позволяет определить координату сработавшего счетчика и время. Все эти измерения происходят в фронтенд крэйте. Крейт выполнен в стандарте WME, в который помещены насколько модулей необходимых для работы. Первый из них это процессор. Данная плата является стандартным процессором для WME на базе процессора Моторолла, его скоростные свойства в данном случае не важны, поскольку он предназначается только для выполнения медленных процессов. Основным компонентом сбора информации является WME модуль SFE (рис.25); непосредственно к нему подключаются высокочастотные кабели, идущие от счетчиков. Модули SFE принимают и обрабатывают данные события от всех детекторов и обеспечивают буфереризацию данных события для так называемого триггера Первого уровня. SRC собирает и далее обрабатывает триггер Первого уровня от всех SFEs в корзине. SLP - испытательный модуль, который используется, чтобы генерировать световые сигналы Соответствующие каналам ХИТы (данные триггера первого уровня L1) посылают непосредственно от каждого SFE до Мюонной Триггерной системы каждые 132 наносекунды через канал последовательной связи (HOTLink) емкостью 1 Gbit/s.
Эти события обрабатываются и временно храняться для каждого кроссинга 4.75 микросекунды, пока принимается решение триггера уровня L1. Мюонная Триггерная система обрабатывает данные уровня L1 сцинтиллятора наряду с данными из других Мюонных подсистем и посылает его решение в Trigger Framework (TFW), который обрабатывает триггерные данные от всего детектора. Модуль SRC, описанный ниже, неотъемлемая часть Мюонной системы. Он получает метки времени, и триггерную информацию L1 принятого события из TFW через последовательный канал связи команд (SCL) и передает их на модули SFE. Идентификация принятых событий, временно, сохраняемых в SFE, определена временем прибытия L1, в пределах одного интервала кроссинга. По получении L1 данные, от принятого события, передаются в один из 16 буферов порта памяти, включая весь SFE L1 буфер. Передача данных каждого события от SFEs до SRC начинается немедленно после получения сигнала L1, котроый приходит от TFW. SRC обращается к каждому модулю SFE в корзине, который тогда отдает эти данные к одной из 16 страниц двойной памяти порта на SRC. Двойной порт на SRC тогда служит буфером L1 для всей корзины. После того, как все модули были прочитаны, Процессор (цифровой обработчик сигналов DSP) на SRC извещает, что событие готово к считыванию. DSP считывает, переформатирует и передает отобранные данные события от буфера SRC L1 к уровню 2 (L2) триггерной мюонной системы. DSP ждет решение L2 от TFW и переформатирует и передает принятые события по L2 на уровень L3 очереди данных для передачи их к MRC (см.ниже). Основные функции SFE: 1) Если входной сигнал от сцинтиллятора, в каждом из 48 каналов превысит программируемый порог и при этом фронт сигнала находиться внутри триггерных ворот для каждого кроссинга, то в этом случае тот канал, как говорят, имеет ХИТ. 2) Генерирует трое независимых программируемых триггерных ворот по 132 не, каждые имеют разрешение 2 наносекунды задержки и 2 наносекунды разрешения по ширине ворот . Каждые ворота обслуживают 16 входов. 3) Передать данные уровня L1, содержащие информацию о сработавших счетчиках (Хитах), в систему мюонного триггера через канал передачи данных HOTLink для каждого 132 наносекундного кроссинга. 4) Измерение времени прихода каждого из Хитов с разрешением 1 наносекунда. Эти временные данные посылаются через SRC в модуль триггера для каждого L1 события. 5) Измеряет интегральный заряд по выбранному входу в течении аналоговых ворот с разрешением 0.08 пикокулон на отсчет для каждого кроссинга. Эти измерения и используются для мониторинга усиления ФЭУ и не используются для принятия решения LI, L2
Система конторля напряжения питания Аф счетчиков.
Как уже упоминалось выше, счетчики системы разделены на группы по 15 штук в каждой. Каждая группа подсоединена к одному каналу источника высоковольтного питания. Один блок питания позволяет запитывать 8 групп, то есть содержит в одном WME модуле 8 каналов. Такими 6-ю высоковольтными блоками заполняется целая корзина, управляемая отдельным контроллером, подключеном к сети ETHERNET. Каждый канал позволяет устанавливать выходное напряжение до Зх киловольт с точностью 1 вольт. При этом модуль независимо измеряет напряжение и ток каждого канала. Для функционирования системы написана отдельная программа, которая позволяет устанавливать напряжение питания как на каждой группе счетчиков, так и на всех сразу. Так же программа выдает сигнал ошибки, если в каком-то канале изменился ток потребления или напряжение питания выше установленных пределов. Если возникает сигнал ошибки по высоковольному каналу, то эта информация поступает на пульт дежурного, который и принимает решение о продолжении или остановке эксперимента до ликвидации причины возникновения сигнала ошибки. Вся эта информация записывается паралельно записи событий эксперимента. Вид пользовательского интерфейса программы изображен на рисунке 31. Основным требованием ко всей Мюонной системе является получение достоверной информации о прохождении через детектор мюонов. Только вместе: система Аф, два внешних относительно магнита слоя сцинтилляционных счетчиков ( В, С слои) и три слоя дрейфовых трубок (А,В,С слоя) позволяют идентифицировать частицы, выходящие за пределы материала магнита. Получаемые данные от счетчиков присутствуют в информации о каждом событии. Временные спектры, полученные от системы Аф в течение реального RUN II, изображены на рис. 32. Первый спектр (а) соответствует триггеру на все заряженные частицы, а второй (Ь) был набран в другое время с триггером на частицы, идентифицированные как мюоны, на нем видно разделение мюонов на два пика. Левый соответствует мюонам из центральной части детектора, а правый это космический фон. На гистограмме видны отрицательные времена, это объясняется тем, что в систему регистрации времени вводятся константы.
Они выбираются таким образом, чтобы в максимум в временном распределении, для частиц пришедших из центра детектора, находился в нуле временной шкалы. Это сделано для всех сцинтилляционных детекторов мюонной системы. Временная информация является одной из составляющей триггера всей установки DO. В последствии набор данных от счетчиков и дрейфовых трубок позволяет построить реконструкцию трека каждого записанного события. Для детального анализа данных рассмотрим двухмерное распределение времен регистрации заряженных частиц в слое Аф к времени получаемому от внешних счетчиков слоя С рис.33. На нем видно как разделяются частицы по времени регистрации. Темное пятно это частицы которые образовались в реакции протон -антипротон . Внутри обведенной овалом области события относящиеся к космическим мюонам остальные события объясняются фоновыми событиями различной природы. Если построить гистограмму распределения разницы времени регистрации события (рис.34) в Аф и времени регистрации события в слое С то видно, что можно и в этом распределении разделить события. Еще одним критерием отбора событий в мюонные кандидаты является отбор по величине поперечного импульса частицы. Распределение по Pt, восстановленное для мюонов, изображено на рис. 35. События выше Pt = 3.5 Гэв/с соответствуют трекам мюонов, прошедших через центральную часть детектора DO. Все эти условия и позволяют идентифицировать зарегистрированные частицы как мюоны или лептоны. В системе обработки информации DO существует такая система отбражения информации как дисплей событий. На нем отображается схематически сработавшие детекторы в одном кроссинге. Пример восстановленных событий изображен на рис. 36. На сработавшие каналы центральной мюонной системы указывают стрелки. Последующий анализ показал, что обе эти частицы -мюоны и принадлежат одному событию. Таким образом, это событие маркируется как кандидат на событие со струей с двухмюонной модой распада. Сама по себе центральная мюонная система, является детектором, который позволяет проводить измерения и без участия остальных детекторов, входящих в состав DO. В 2005 году было предложено использовать данные, получаемые от системы для определения выхода мюонов. Были проведены пять специальных сеансов при светимостях от 13-Ю-30 CM V1 до 105-Ю-30 CM V1 В стандартном режиме набора данных установки D0 частота следования триггеров составляет 70 герц. При этом происходит считывание всех систем. В случае же специальных сеансов к системе считывания установки D0 подключается только элементы центральной мюонной системы. При этом частота следования триггеров резко возрастает, поэтому устанавливется такой коэффициент пересчета чтобы частота соответствовала штатному режиму набора статистики. Анализ получаемых данных позволяет определить величину выхода мюонов в центральной части детектора. отобранных в соответствии с наложенными условиями, Lm /«/ — записанная светимость ускорителя, k-коэффициент пересчета триггеров системы. Из набранных файлов необходимо определить только N , для этого применяется следующая методика.
Вначале отбираются события отвечающие следующим условиям: - число хитов в слое А дрейфовых трубок PDT 2, то есть имеется трек в двух слоях из трех до ярма магнита; - число хитов в слоях В & С дрейфовых трубок PDT 5, то есть имеется трек в любых пяти слоях из восьми после ярма магнита; - как минимум один сработавший сцинтилляционный счетчик в слое Аф; - как минимум один хит во внешних слоях В и С сцинтилляторов; - достоверность полученная при построении трека частицы должна быть О %2 10 при числе степеней свободы 9 , Количество отобранных мюонов заноситься в таблицу 9 в столбец «Отбор по треку». Следующий шаг - отбор по поперечному импульсу он должен быть более 3.5 Гэв/с. Такие мюоны помещены в столбец «Отбор по моменту». Далее накладывается условия на время регистрации события - время в слое Аф 1;ітеА 20нс; - время в слое В и С гітеА 20нс; - и разность времен слоев Аф и С timeAimeC 10Hc. Количество этих мюонов помещено в столбец «Отбор по времени». Построив распределение по времени регистрации отобранных мюонов рис.37 видно присутствие фона в данных все же велико, поэтому были проведены две процедуры вычитания фона. Первая это исключение частиц непрошедших через центр установки, в таблице строка с условием «Ц». Второй способ это фитирование функции распределения как суммы распределений мюонов и фона, в таблице строка с условием «Ф». Программа, позволяющая проводить эти расчеты, написана в среде ROOT. Для получения N .oe / следует набрать специальный RUN. Необходимо заказать смену триггера для всех детекторов центральной мюонной системы. Затем запустить установку DO на набор данных. Эти данные штатным путем поступают в общее хранилище. Затем необходимо соответствующим письмом заказать доступ к этим данным (SAM). Следующая процедура это расшифровка сырых данных при помощи стандартной программы examine и помещение данных в базу данных в системе ROOT тип TREE. Все вышеописанные процедуры являются стандартными для любой из систем DO и поэтому конкретное описание не приводиться. Далее данные обрабатываются уже программой, которая непосредственно и вычисляет конечный результат. Результат обработки данных нескольких RUN изображены в таблице 9.
Долговременная стабильность.
Светимость для всех вычислений берётся из официальных источников данных ускорителя для каждого RUN соответственно. Результатом работы программы обработки приведены на рисунках 38,39 и 40. Из данных видно, что выход единичных мюонов в центральной части детектора не меняется с изменением светимости ускорителя и остается неизменным с течением времени (в пределах ошибки). Это говорит о том, что данные процедуры позволяют контролировать светимость ускорителя и стабильность работы центральной мюонной системы. В дальнейшем данные вычисления стали штатными и позволяют определять работоспособность установки. Кроме всех вышеперечисленных задач существует ещё одна немаловажная - это измерение изменения характеристик счетчиков с течением времени. Поскольку проведение калибровок детекторов в течение основного сеанса не предусмотрено, то эту процедуру проводят в моменты, когда нет пучка. Первые калибровки были проведены при инсталляции детекторов. Калибровки бывают двух типов. Первая — это исследования при помощи светодиодной системы с использованием компьютера и локальной системы сбора информации. Такие калибровки могут проводиться в любое время, но обладают недостатком: световод системы калибровки светит только в ФЭУ. При этом анализируется только состояние ФЭУ. Для облегчения работы и ускорения анализа была составлена программа позволяющяя отыскивать, и обрабатывать данные по калибровкам. Порядок работы программы: - считывается файл электронного журнала измерений runlog_A(p.txt и производиться анализ его содержимого; - поиск имен файлов относящихся к одной калибровке по времени; - формирует базу данных имен файлов и осуществляет поиск их на дисках online компьютеров хранения данных; - также тестирует файлы их на пригодность (не ноль). - выбирает набор файлов, в который входят файл со спектрами от ФЭУ, файл со спектрами от PIN диода и файл с пьедесталами - производит обработку спектров и вычисляет среднее спектра для каждого ФЭУ, с учетом попроавок на сигнал от PIN диода системы калибровки и величин пьедесталов для этих каналов. Пример файла электронного журнала приведен ниже. Обработанные данные помещаются в ROOT файл. Используя его, другая программа позволяет провести анализ состояния параметров счетчиков.
Например, определить вышедший из строя детектор. Построить распределения по такой величине как усиление ФЭУ, провести сравнение с раннее полученными распределениями. Вторая — это калибровки при помощи источника радиоактивного излучения, проводятся во время профилактических работ на детекторе DO. Источник помещается в определенное место для каждого детектора и измеряется средняя амплитуда напряжения (Куеаг) от ФЭУ при рабочем напряжении питания. Данный тип калибровки, позволяет обнаруживать испорченные по каким либо причинам счетчики, но проводиться довольно редко, только когда имеется доступ внутрь детектора DO. Данные о калибровках заносятся в электронный журнал либо в виде таблиц, либо в виде названий файлов с данными калибровки. Для анализа строиться гистограмма, в которую заноситься величина отношения амплитуд измеренных в разное время для каждого счетчика (1-(КУеагі / КуеаГ2 )). Ширина распределения позволяет судить об эффекте старения счетчиков системы Аф. Например, на рис. 41 изображено распределение, которое построено для всех счетчиков системы Аф в за двухлетний период с 2004 по 2006 годы. Из результирующей гистограммы видно, что ширина распределения отношений средних амплитуд не превышает в 30% по всем счетчикам. Ошибка данного метода составляет 25%. Данный метод грубо позволяет оценить наличие критического старения счетчиков и обнаружить вышедшие из строя. Благодаря этому методу были обнаружены, а затем устранены неисправности в системе Аф. Основными причинами выхода из строя были: а) выход из строя делителя-4 штуки: 2—через 5 лет эксплуатации и 2—через 7 лет эксплуатации (исправлены заменой на запасные); б) отключение счетчиков в результате обрыва подводящих кабелей в моменты остановки и ремонта других составных детекторов DO; в) механическая поломка светозащитного кожуха, вследствие проведения профилактических работ на детекторе DO. Все вышеперечисленные поломки были устранены составом оперативных дежурных, ответственных за состояние системы Аф. 1. При значительном вкладе диссертанта в ГНЦ РФ ИТЭФ создана, а затем в Фермилаб (США) установлена и введена в эксплуатацию система на основе 630 сцинтилляционных счетчиков для идентификации мюонов в центральной части детектора DO. Общая площадь составляет -174 м2. 2. Параметры созданных детекторов отвечают поставленным требованиям, необходимым для проведения RUNII. Получено временное разрешение а =1,6 не при угловым разрешением 4.5 по координате ф. 3. Разработана методика проверки сцинтилляционных счетчиков центральной мюонной системы при массовом производстве.
На основе этих результатов создана база данных, проведен отбор и объединение в группы по свойствам детекторов. 4. Анализ работы счетчиков в течение длительного времени показал стабильность параметров детекторов. Изменение усиления ФЭУ составило не более 5% за период с 2000 по 2007 год. 5. Продемонстрирована высокая надежность созданной системы: за весь период работы из строя вышло не более 1% детекторов центральной мюонной системы Аср. 6. В качестве результата приведены зависимости выхода единичных мюонов от светимости и от времени работы. На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что изготовленные детекторы, соответствуют требованиям необходимым для решения задач регистрации заряженных частиц в магнитном поле, с приемлимым временным разрешением в установке D0. Анализ долговременных измерений говорит о надежности всей системы и отсутствии критической деградации системы Аф счетчиков. Соответственно можно сделать вывод о том, что применяемые методы производства, сборки, монтажа и тестирования находятся на современном уровне и достойны применения в будущем. В заключение я хочу выразить признательность доктору физ.-мат. наук В.Б.Гаврилову за предоставленную возможность участвовать в работе по данной тематике. Работы по теме диссертации выполнялись по инициативе и под руководством кандидата физико - математических наук Столина Вячеслава Леонидовича, которому автор глубоко благодарен за постоянный интерес и действенную помощь в работе. Я особо признателен руководителям ответственным за всю центральную мюонную систему Дмитрию Денисову и Ал Ито, с которыми мне довелось работать в течении почти десяти лет и без помощи которых эта работа не могла быть сделана. Я искренне признателен кандидатам физ-мат наук А.В Евдокимову В.А. Евдокимову за помощь, полезные обсуждения и ценные замечания, высказанные в процессе подготовки диссертации. Я благодарен Григорию Сафронову(ИТЭФ), Петру Неустроеву (ЛИЯФ), прочитавшим рукопись диссертации и высказавшим ряд ценных замечаний. Я также признателен Кулешову, Кузнецову и многим другим принимавшим непосредственно участие в сборке тестировании, установке детекторов и обработке данных и всем соавторам работ.
