Мюонный годоскоп УРАГАН тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ
Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете).
Научный руководитель: доктор физико-математических наук,
Петрухин Анатолий Афанасьевич, МИФИ, г. Москва
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
зав. лабораторией Кузьмичев Леонид Александрович, НИИЯФ МГУ, г. Москва
доктор физико-математических наук, зам. руководителя отдела электроники
Сенько Владимир Александрович, ГНЦ "ИФВЭ", г. Протвино
Ведущая организация: Институт земного магнетизма,
ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук, г. Троицк
Защита состоится 17 декабря 2008 г. в 17 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.130.07 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, дом 31, телефон 324-84-98.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.
Автореферат разослан 14 ноября 2008 г.
Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.
Ученый секретарь диссертационного совета, /\ ]л / доктор физико-математических наук / С.Е. Улин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Космические лучи (КЛ) несут информацию как о физических явлениях в самих источниках излучения, так и о процессах в среде, через которую они проникают. В частности, поток мюонов, образующихся в результате взаимодействий КЛ с ядрами атомов воздуха на высотах 15-20 км, чувствителен к различным термодинамическим процессам в атмосфере Земли как естественного, так и техногенного происхождения. Таким образом, характеристики потока мюонов, регистрируемого на уровне Земли, являются эффективным индикатором динамики различных процессов в окружающей среде, включающей магнитосферу и атмосферу Земли.
Для разделения влияния атмосферных процессов и процессов в околоземном пространстве используется то обстоятельство, что гелиосферные и магнитосферные факторы изменяют поток космических лучей в больших пространственных масштабах, а атмосферные эффекты имеют, как правило, достаточно локальный характер. Решение этих задач возможно с помощью широкоапертурного координатного детектора, способного одновременно регистрировать мюоны с различных направлений в широком диапазоне зенитных углов для получения пространственно-временных характеристик потока мюонов. Такая информация позволяет получать полную картину состояния верхних слоев атмосферы и прослеживать динамику ее изменения, в частности, выявлять возмущенные области, определять направления и скорости их перемещения и оценивать время появления в заданной точке.
Поэтому создание аппаратуры и развитие методов дистанционного мониторинга состояния гелиосферы и магнитосферы, а также термодинамических процессов в атмосфере Земли, приводящих к образованию таких опасных явлений как ураганы, является весьма актуальной задачей.
Разработка и создание Установки для РАспознования Грозовых АНомалий (УРАГАН) - трекового мюонного годоскопа для исследования динамических процессов в атмосфере Земли и околоземном пространстве методом мюонной диагностики.
Созданная установка впервые позволяет получать с высокой достоверностью непрерывные распределения характеристик потока мюонов из верхней полусферы в широком диапазоне зенитных углов вплоть до 80°. Аппаратура представляет собой новый тип наземного модульного детектора космических лучей, предназначенного для исследования связей между пространственно-временными вариациями потока мюонов космических лучей и различными динамическими процессами в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли. Оригинальность разработанной системы быстрого считывания информации мюонного годоскопа подтверждена полученным патентом.
Созданная установка позволяет вести непрерывный мониторинг состояния атмосферы и магнитосферы Земли и развивать методы мюонной диагностики для дистанционного и заблаговременного обнаружения опасных явлений (ураганы, магнитные бури и т.п.). Универсальность отдельных элементов и всей системы триггирования и сбора данных позволяет использовать их в системах регистрации данных других многоканальных космофизических установок.
Автор участвовал во всех этапах разработки и создания мюонного годоскопа УРАГАН. Непосредственно автором была разработана, собрана и налажена аппаратура детектора, созданы алгоритмы и программы, обеспечивающие работу системы сбора данных и триггирования, а также специализированные стенды и методики для тестирования и наладки элементов детектора. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов и в получении методических и физических результатов.
1. Установку модульного типа УРАГАН, обеспечивающую годоскопический режим регистрации мюонов в полном объеме.
2. Общую структуру и основные элементы системы сбора данных и триггирования.
3. Алгоритмы и программы, обеспечивающие работу системы сбора данных и триггирования.
4. Стенды и методики для тестирования и наладки элементов детектора.
5. Полученные характеристики и оценки возможностей мюонного годоскопа УРАГАН.
Результаты работы были доложены на российских и международных конференциях: Европейском симпозиуме по космическим лучам (ECRS 2004), Международной конференции по космическим лучам (ICRC 2005), Всероссийской конференции по космическим лучам (BKKJI 2006), Баксанской молодежной шкоде экспериментальной и теоретической физики (2006), научной сессии МИФИ (2007), опубликованы в их трудах, а также в четырех статьях в журналах "Приборы и техника эксперимента" и "Известия РАН. Серия физическая".
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации: 120 страниц, 72 рисунка, 7 таблиц, 46 наименований цитируемой литературы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении приводится краткий обзор аппаратуры, предназначенной для изучения вариаций космических лучей как источника информации о процессах в среде, через которую они проникают.
Вариации интенсивности космических лучей в месте наблюдения могут быть вызваны изменениями мощности источников (включая ускорительные процессы на Солнце и в Галактике), а также различными модуляционными эффектами при распространении KJI в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли.
Из-за малой амплитуды вариаций к аппаратуре, предназначенной для их изучения, предъявляются жесткие требования. Она должна обеспечивать непрерывность измерений, высокую стабильность, а также достаточную статистическую точность. Средства мониторинга вариаций KJI можно разделить на два класса: космические и наземные. Детекторы на борту космических аппаратов позволяют проводить прямые измерения
потока первичных частиц, но, к сожалению, их количество мало, а риск необратимого выхода аппаратуры из строя и их стоимость велики. Кроме того, приемлемую статистическую точность измерений вариаций космических лучей на космических аппаратах, из-за ограниченности их размеров, можно получить только в области малых энергий.
При наземных измерениях вариаций космических лучей обычно регистрируется либо нейтронная, либо мюонная компоненты. Нейтронные мониторы регистрируют нейтроны, которые образуются в веществе установки адронами, достигшими уровня наблюдения. В настоящее время поверхность Земли покрыта сетью нейтронных мониторов, включающей более 50 станций. Нейтронные мониторы являются приборами интегрального типа, их пространственное разрешение определяется лишь светосилой, а результаты относятся к потоку КЛ с невысокой средней энергией (2-10 ГэВ).
Вариации космических лучей исследуются также путем измерений интенсивности мюонной компоненты. Для ее измерений обычно используют стандартные телескопы, ориентированные определенным образом. Для наблюдения анизотропии космических лучей мюонные телескопы приспособлены значительно лучше, чем нейтронные мониторы. Это связано, в первую очередь, с их более узкой диаграммой направленности. Первый многонаправленный мюонный телескоп для непрерывной регистрации потока мюонов был создан в Нагое и работает с октября 1970 г. В настоящее время работают несколько наземных многонаправленных мюонных телескопов: в Нагое (Япония), Хобарте (Австралия), Сан Мартино (Бразилия), Кувейте, регистрирующих поток мюонов с различных направлений в реальном времени и в едином формате. Мюонные телескопы дают информацию, которая соответствует КЛ со средней энергией около 50 ГэВ, и позволяют детально изучать их вариации. Телескопы с крупной мозаичной структурой регистрируют КЛ из небольшого числа (4 - 20) пространственных направлений с угловым разрешением 20-30 градусов. В последние годы было создано два счетчиковых многоканальных телескопа - на горе Норикура и большой счетчиковый телескоп индийско-японского проекта в Ооти. Но даже лучшие мюонные телескопы имеют угловое разрешение около 10 градусов.
Новым шагом в развитии методов наземного мониторинга процессов, модулирующих потоки космического излучения, является создание следующего поколения мюонных детекторов - мюонных годоскопов. Под годоскопическим режимом работы мюонного детектора понимается возможность измерения практически непрерывного пространственного распределения потока мюонов, т.е. когда
дискретность установки не вносит искажений в отображение исследуемых физических процессов. Первой в мире попыткой реализации широкоапертурного мюонного годоскопа для исследования вариаций КЛ на поверхности Земли является установка ТЕМП, созданная в МИФИ в 1995 г., угловое разрешение которой составляет 1-2 градуса.
К сожалению, реконструкция треков по двум точкам, конструктивно заложенная как во всех существующих мюонных телескопах, так и в установке ТЕМП, не может дать надежной идентификации направления пролета мюона. В результате пространственное распределение искажается из-за ложных реконструкций, связанных с дельта-электронами, группами мюонов, каскадными ливнями и случайными шумовыми срабатываниями.
В разделе 1 описываются конструкция трекового мюонного годоскопа УРАГАН, системы, обеспечивающие его работу, а также структура системы триггирования и сбора данных установки и ее основные элементы.
В качестве базового регистрирующего элемента мюонного годоскопа применяются камеры стримерных трубок с пространственной локализацией трека около 1 см х 1 см, с двухкоординатным съемом информации, ранее использовавшиеся в эксперименте МШЕХ. Размер камеры 357x16.7x1.5 см3. Основной элемент камеры - 8 стримерных трубок внутренним сечением 9x9 мм, объединённых в один открытый профиль, изготовленный из поливинилхлорида толщиной 1 мм. На профиль нанесено графитовое покрытие с сопротивлением 50 кОм/квадрат, которое выполняет роль катода. По центру каждой трубки расположена анодная нить, изготовленная из бериллий-медного сплава и посеребрённая. Диаметр нити 100 мкм. Внешние считывающие Х- и У-стрипы изготовлены из алюминиевой фольги толщиной 40 мкм. Стрипы имеют разные размеры: ширина Х-стрипов 4 мм и наклеены они с 6 мм интервалом, а У-стрипы 10 мм ширины с 2 мм интервалом. Характерное время распространения импульса по стрипу - 6 нс/м, импеданс - 50 Ом для Х-стрипов и 25 Ом для У-стрипов. Режим ограниченного стримера обеспечивается трехкомпонентной газовой смесью (аргон и углекислый газ в пропорции 1/2 и насыщенные пары нормального пентана при стабилизированной температуре), а также выбором необходимого высоковольтного напряжения (4100-4300 В).
В основу конструкции широкоапертурного мюонного годоскопа УРАГАН заложен модульный принцип его построения. Основой годоскопа является автономный супермодуль (СМ), расположенный на мобильной платформе (рис.1). Число и взаимное расположение
супермодулей в мюонном годоскопе определяется характером решаемых задач и может изменяться в процессе проведения исследований. Минимальный состав мюонного годоскопа - один СМ.
Каждый автономный супермодуль состоит из восьми плоскостей камер стримерных трубок вместе с системой внешних считывающих пластин (стрипов) (всего 320Х+288У каналов с шагом 1,0 и 1,2 см соответственно). Регистрирующие плоскости располагаются послойно, 5 см зазор по вертикали между плоскостями заполнен сплошными пенопластовыми пластинами. Полная толщина установки по вертикали составляет — 1.1 г/см2 и определяется в основном веществом камер. Каждая плоскость детектора состоит из 20 камер, уложенных с одинаковым зазором 3 мм по горизонтали и имеет эффективную площадь -11,5 м2. Конструкция супермодуля обеспечивает высокую пространственную и угловую точность регистрации мюонов (соответственно 1 см и 1 градус) в широком диапазоне зенитных углов от 0 до 80 градусов.
Система газоподготовки мюонного годоскопа УРАГАН аналогична системе, применявшейся в эксперименте ИШЕХ, с расширением некоторых возможностей, и работает по следующему принципу. Скорость потоков аргона и углекислого газа регулируется с помощью прецизионных контроллеров потока с точностью ± 1 % от полной шкалы и повторяемостью ± 0.2 %. Газовая смесь насыщается парами п-пентана при комнатной температуре (около 20°С) и затем «пробулькивается» через п-пентан с контролируемой рабочей температурой (+7°С). Таким образом, излишек паров п-пентана конденсируется и на выходе системы образуется газовая смесь с требуемыми пропорциями.
Необходимое для режима ограниченного стримера высокое напряжение обеспечивается 40-канальным высоковольтным источником CAEN HV SYSTEM, Model SY-127. Низковольтное питание (5.25 В) считывающей электроники осуществляется блоками БНН-152.
Система триггирования и сбора данных установки УРАГАН реализована как совокупность нескольких идентичных, независимых друг от друга подсистем супермодулей с четкой общей синхронизацией по календарному времени. Таким образом, скорость сбора данных с установки определяется быстродействием системы одного супермодуля. Расширение установки легко достигается добавлением новых супермодулей, при этом возрастает статистическая обеспеченность суммарных результатов, а стабильность и идентичность работы супермодулей контролируется по величине отношения регистрируемых интенсивностей.
Управление потоком данных супермодуля и их первичная обработка осуществляются с помощью периферийной ЭВМ -промышленного компьютера с шинами расширения ISA и PCI. Каждая периферийная ЭВМ супермодуля может работать как автономно, так и в составе системы. Для сбора данных и генерации тестовых последовательностей используется плата цифрового ввода/вывода PCI 7200 ADLINK. Выделение событий и точный подсчет временных интервалов производится специально разработанным триггерным блоком.
Эффективность регистрации заряженной частицы одной плоскостью в основном обусловлена геометрией трубок (толщина стенок и т.п.) и составляет около 90 %. Наличие восьми двухкоординатных плоскостей позволяет, с одной стороны, организовать достаточно «мягкий» триггер, повышая тем самым эффективность регистрации, а с другой стороны, при реконструкции выбирать события только с прямыми треками, действительно соответствующими прохождению мюонов. Так, совпадение сигналов не менее четырех сработавших плоскостей из восьми с 99% эффективностью идентифицирует прохождение заряженной частицы через супермодуль.
Триггерные сигналы от восьми плоскостей каждого СМ приходят на триггерный блок, в котором осуществляется выработка триггера супермодуля, сигнала загрузки регистров плат считывания, прерывания в ЭВМ, флагов состояния и последовательности тактовых импульсов считывания в режиме "запрос - подтверждение", а также подсчет живого времени и измерение темпа счета сигналов плоскостей. Структура триггерного блока включает следующие функциональные узлы: интерфейс с шиной ISA; приемник и формирователь по длительности
триггерных сигналов от плоскостей, он же являющийся сканирующим ОЗУ, в которое с частотой 40 МГц записывается состояние триггеров; логическую матрицу совпадений; схему мониторирования темпа счета триггеров и часы «живого» времени; регистры состояния триггеров и всего блока; схему выработки общесистемного триггера и прерывания; модуль выработки тактовых импульсов.
Условием выработки триггера супермодуля является совпадение не менее четырех сигналов сработавших плоскостей в течение 300 не. Расчетное количество случайных совпадений при одинаковом уровне шумов плоскостей можно получить по следующей формуле:
где V - частота триггерных сигналов плоскостей, т - длительность совпадения сигналов. С учетом измеренных шумов плоскостей (
3 кГц) и длительности импульсов 300 не количество случайных совпадений составляет
1.5 события в сутки (при темпе счета частиц 1.8 кГц).
Один супермодуль включает в себя 4864 стрипа -информационных канала. Вследствие такого большого числа каналов, одним из самых важных и дорогостоящих элементов системы считывания является устройство преобразования аналогового сигнала со стримерной камеры до уровня цифровой логики.
Базовым элементом системы сбора данных установки является специально разработанная плата быстрого считывания (ПБС), обеспечивающая усиление, дискриминацию, формирование, хранение сигналов, предварительное триггирование и последовательную передачу данных с 16 стрипов. ПБС включает в себя восемь специализированных двухканальных усилителей-компараторов, два восьмиразрядных сдвиговых регистра и схему управления. 16-канальная компоновка платы обусловлена технологическими особенностями поверхностного монтажа компонентов. Кроме того, наличие схемы управления на каждых 16-ти каналах повышает гранулированность и гибкость системы в целом.
Общая функциональная схема платы изображена на рисунке 2. Усилители-компараторы реализованы на специализированных двухканальных микросхемах Р4040, которые были разработаны на основе БМК Б1451ХНЗ-4 ("Фархад-2") совместно со специалистами НПО «ФОРМ». Микросхема обеспечивает усиление, дискриминацию по заданному порогу и формирование выходных импульсов фиксированной длительности по двум независимым каналам. Для формирования триггерного сигнала по схеме «монтажное ИЛИ» реализован выход логического ИЛИ по двум каналам с открытым коллектором. На выходе микросхем формируются сигналы ТТЛ уровня длительностью 1 мке, которые поступают на входы параллельной загрузки двух
восьмиразрядных сдвиговых регистров. Схема управления платой включает в себя два О-триггера, мультиплексор прохождения данных через плату, формирователь триггерного сигнала платы и схему взвода О-триггеров по триггерному сигналу платы. Платы включаются последовательно между собой, образуя каналы последовательного чтения данных.
Рис. 2. Плата быстрого считывания данных с камер стримерных трубок.
Отличительной особенностью разработанной системы является наличие двух цепочек последовательного считывания данных. Первая цепочка формируется из О-триггеров схемы управления платой и представляет информацию о сработавших платах. Вторая - формируется из сдвиговых регистров и позволяет получить информацию с каждого канала (стрипа). Кроме того, схема управления включает сдвиговые регистры во вторую цепь лишь при наличии сработавших каналов на данной плате. Таким образом, информация считывается только со сработавших плат, что позволяет обеспечить необходимую скорость сбора данных.
В разделе 2 приводится описание аппаратуры, методик проверки, отбора и наладки элементов годоскопа, а также программного обеспечения установки.
Обеспечение годоскопического режима требует решения следующих основных задач:
• тщательного отбора камер стримерных трубок и плат считывания на специализированных стендах;
• создания адекватного программного обеспечения для организации устойчивого сбора и обработки данных в режиме реального времени и их представления в виде, удобном для дальнейшей физической обработки.
Для обеспечения надежной работы установки все камеры перед сборкой проходили полный цикл подготовки, измерения характеристик и отбора на специализированном стенде, который обеспечивает автоматизированное управление системой подачи высокого напряжения и одновременное тестирование восьми камер. В процессе тестирования измеряется эффективность срабатывания камеры в целом и уровень счета каждой трубки камеры при различных значениях высокого напряжения. Была проведена проверка более 1500 камер стримерных трубок.
Методика проверки платы быстрого считывания включает в себя поканальное определение порога 50% эффективности, вычисление среднего значения и разброса порога, проверку перекрестных наводок с канала на канал и поканальную проверку формирования триггерного сигнала. После изготовления все платы прошли наладку на специализированном стенде. По результатам проверки плат средний порог срабатывания канала составил 3.8 ± 0.4 мВ. С учетом точности установки среднего порога срабатывания плат, разброс порогов срабатывания отдельных каналов микросхем Р4040 не превысил ±10%. При нахождении среднего порога срабатывания установки на плато эффективности, 10% разброс отдельных каналов укладывается в пределах данного плато. При этом неоднородность эффективности различных каналов установки составляет величину не более 2%.
Для обеспечения работы наладочных стендов установки УРАГАН был разработан многофункциональный контроллер. Объединение нескольких функций в одной плате позволило минимизировать количество слотов, требуемых для организации системы, и оптимизировать трафик прохождения данных. Контроллер включает в себя четыре идентичных, параллельно функционирующих канала, каждый из которых обеспечивает прием данных с плат считывания, передачу их в ЭВМ, выработку тестовых последовательностей, подсчет количества триггерных сигналов и участвует в выработке общего мажоритарного триггера. Контроллер дает менее 1 сбоя на 1 млн. событий при частоте триггерных сигналов 10-15 кГц.
Отладка и настройка совместной работы платы сбора и триггерного блока в различных режимах производилась сначала отдельно от установки с имитацией событий генератором. Общая сборка измерительной системы проводилась путем последовательного наращивания цепочек плат быстрого считывания на каждой плоскости с
одновременным контролем темпа счета триггерных сигналов плоскостей и проверкой прохождения тестовых последовательностей данных. По результатам контроля определялось наличие сбоев и устранялись такие неисправности, как шумящие каналы, замыкания, обрывы, аномальные паразитные емкости, разница потенциалов стрипов. После сборки и наладки удалось достигнуть устойчивой работы системы в режиме «запрос - подтверждение» на тактовой частоте 2.5 МГц с фиксированным считыванием четырех ПБС по каждой координате всех плоскостей. Доля событий со срабатыванием не более четырех ПБС составила 99%, а время считывания каждого события при этом составило 38 мкс.
Для аппаратной части установки УРАГАН было разработано специальное программное обеспечение, во многом определяющее быстродействие и точность измерительной системы в целом. Аналогично аппаратуре, программное обеспечение системы такой сложности является модульным и многоуровневым. Общая блок-схема программного пакета для полного цикла обслуживания модульного годоскопа, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структура программного обеспечения установки УРАГАН.
В задачу программы управления супермодуля входит: инициализация и управление основными режимами работы системы супермодуля;
декодирование данных и вычисление параметров трека каждого события в режиме реального времени;
• формирование экспозиционных кадров и их передача вместе с
информацией мониторинга супермодуля программе управления
Работа программы управления одного СМ может осуществляться как в автономном режиме, так и под контролем программы управления всей установкой. Процесс управления потоком данных и взаимодействия основных модулей программы с аппаратной частью установки происходит следующим образом.
При инициализации системы происходит определение базовых адресов и номеров прерываний триггерной платы и адаптера ввода-вывода. Задаются начальные значения переменных. Определяются адреса и размеры буферов данных. Устанавливаются векторы обработчиков прерываний. Далее управление передается подпрограммам измерения шумов и тестирования. По окончании мониторинга триггерная плата переводится в режим экспозиции, на адаптере ввода-вывода инициализируется режим прямого доступа к памяти и устанавливается разрешение прерываний, а управление передается подпрограмме обработки событий и формирования кадра. При фиксировании события триггерная плата выставляет сигнал прерывания. Обработчик прерываний считывает информацию о сработавших плоскостях и «живом» времени, инкрементирует счетчик событий и производит запись в кольцевой буфер. Адаптер ввода-вывода считывает данные с ПБС и в режиме прямого доступа к памяти записывает их в кольцевой буфер. Подпрограмма обработки событий постоянно анализирует разницу между указателем чтения и указателем записи кольцевого буфера и, при поступлении данных, производит декодировку и вычисление номеров сработавших стрипов, реконструкцию и определение параметров трека, суммирование «живого» времени и формирование матриц направлений треков в экспозиционном кадре. Данные формируются программой по кадрам, в которых производится суммирование статистики в заданном в конфигурационном файле временном интервале (обычно 1 минута). Ход работы отображается на экране монитора.
Программно отбираются так называемые bound треки - треки, полностью проходящие через всю регистрирующую область супермодуля. Определяются вероятности срабатываний плоскостей при прохождении через них частицы на основе анализа сработавших на треке стрипов. Подсчитывается количество срабатываний каждого стрипа в зарегистрированных за время экспозиции событиях. В кадре записываются матрицы направлений восстановленных треков, живое время экспозиции, календарное время и данные мониторирования.
Для хранения углового распределения потока частиц используются три формата матриц:
1) Линейное разбиение по зенитному (в) и азимутальному (ф) углам, Мы