Системы сбора информации с установок Баксанского подземного сцинтилляционного телескопа и «Андырчи»: разработка и опыт эксплуатации

Диссертация посвящена решению задач, связанных с улучшением характеристик систем сбора информации установок БПСТ и «Андыр-чи», принадлежащих Баксанской нейтринной обсерватории института ядерных исследований РАН. Баксанский подземный сцинтилляцион-ный телескоп (БПСТ) и установка «Андырчи» являются крупными установками для исследования космических лучей. Расположены на Северном Кавказе в долине реки Баксан в точке с географическими координатами 43,28° с.ш. и 42,69° в.д.

Схематический разрез г. Андырчи и взаимное расположение БПСТ и «Андырчи» представлено на рис. 1, с.

Эффективная площадь телескопа — 200 м², эффективная толщина грунта — 850 м.в.э. БПСТ [1,2,3] расположен внутри горы «Андырчи» на высоте 1700 м над уровнем моря и изображен на рис. 1 а, а установка «Андырчи» — на склоне этой горы (центр установки «Андырчи» находится на высоте 2050 м).

БПСТ был введен в строй в 1978 г. БПСТ — многоцелевая подземная установка, предназначенная для решения большого круга проблем астрофизики, физики элементарных частиц и космических лучей. БПСТ в своем составе имеет на данный момент 3180 жидкостных сцинтилляционных детекторов на основе уайт-спирита с люми-нисцентными добавками. Каждый детектор имеет три выхода, предназначенных для рабочих целей (каналы импульсный — с усилителями-дискриминаторами УД, логарифмический — с логарифмическими преобразователями ЯП и анодный), и по одному выходу (токовый канал) -для настройки усиления фотоэлектронных умножи.

Рис. 1. Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп: а — общий вид телескопа, собранного из стандартных сцинтилляционных детекторовв разрезе видны внутренние горизонтальные слои детекторовЬ — стандартный детектор на основе жидкого сцинтиллятора с фотоэлектронным умножителемс — схематический профиль горы Андырчи с основными установками Бак-санской нейтринной обсерватории. телей (ФЭУ). Анодные сигналы участвуют в формировании нескольких десятков информационных каналов. Токовый канал ЭВМ не обрабатывается и используется только в Of-Line режиме. Имеется еще небольшое количество каналов не связанных с детекторами: температурные, каналы точного времени, номера кадра. Таким образом, количество каналов системы сбора информации БПСТ превышает 6000. Систему сбора информации БПСТ обслуживает IBM РС/486, которая с помощью локальной сети связана с файл-сервером, расположенным в лабораторном корпусе.

Андырчи" - нагорная установка, расположенная над БПСТ, служит для регистрации широких атмосферных ливней [4,5]. Она предназначена, главным образом, для работы на совпадение с БПСТ с целью изучения ядерного состава первичных космических лучей при энерги-14 ях >10 эВ. Однако параметры установки позволяют использовать ее также для работы в области уастрономии сверхвысоких энергий, изу.

14 17 чения анизотропии первичного космического излучения с Е0>10 -10 эВ и вариаций интенсивности космических лучей [6]. Эффективная площадь — 5−104 м2, суммарная площадь сцинтиллятора — 37 м². Была введена в строй значительно позже — в 1996 г.

Установка включает 37 детекторов на основе пластика (и один контрольный детектор). Измерительными каналами для «Андырчи» являются каналы измерения относительных времен пролета космических частиц между детекторами, каналы измерения энерговыделения космическими частицами в детекторах, каналы измерения суммарного темпа счета всех детекторов и темпа счета групп детекторов, температурные каналы для всех детекторов и данные двух барографов. Широкое использование мультиплексоров позволило сократить число каналов приблизительно до ста. С таким потоком информации успешно справляется ЭВМ невысокой производительности. На установке нет постоянно присутствующего персонала, поэтому при сбоях (зависаниях) имеется возможность перезапускать компьютер с аппаратного зала БПСТ.

В процессе эксплуатации установок несколько раз сменялись Оп-Line ЭВМ. В настоящее время систему сбора информации установки «Андырчи» обслуживают две ЭВМ: IBM РС/386, расположенная на самой установке «Андырчи» и IBM АТ/286 (находящаяся на БПСТ), служащая для отбора совпадений с БПСТ и передачи данных с верхней части системы регистрации на файл-сервер лабораторного корпуса Баксанской нейтринной обсерватории.

Комплекс БПСТ — «Андырчи» является уникальным, не имеющим в настоящее время аналогов в мире. Вместе с тем, возникали и возникают новые физические задачи, появились новые требования к упрощению и автоматизации настроечных и калибровочных работ, увеличился объем собираемых данных, происходит старение электронных компонентов. Все это вынуждает уделять повышенное внимание электронно-вычислительным компонентам научных установок. Необходимо было расширять функциональные возможности установок, улучшать параметры действующих блоков, разрабатывать новые приборы, блоки и узлы с применением новейших электронных компонентов и средств разработки электронных схем и печатных плат.

Ниже об установке «Андырчи» и БПСТ будет сказано подробней.

Цели и задачи диссертации.

Разработать и применить цифровые и цифроаналоговые устройства для установок БПСТ и «Андырчи» с целью: а) обеспечения возможности настройки и измерения порогов импульсных усилителейб) расширения динамического диапазона при измерении энерговыделений в сцинтилляционных детекторах установки «Андырчи» — в) измерения энерговыделений в детекторах БПСТ, фиксирования ошибок в работе логарифмических преобразователей: г) автоматизации снятия калибровочной характеристики временных каналов и упрощения их настройкид) подключения в систему сбора информации БПСТ On-Line ЭВМ типа IBM РС/486- е) подключения контроллера первой измерительной системы БПСТ к контроллеру второй измерительной системы БПСТж) анализа основных схемотехнических и функциональных особенностей приборов, блоков и системы сбора информации в целом для установок БПСТ и «Андырчи» — з) дать рекомендации по дальнейшему улучшению характеристик систем сбора установок БПСТ и «Андырчи» .

Научная новизна работы.

1. Впервые в мировой практике были созданы микропроцессорный статистический и усредняющий измерители порогов импульсных усилителей-дискриминаторов для БПСТ. Статистический измеритель дополнительно измеряет уровень шумов ФЭУ.

2. Изучено влияние послеимпульсов ФЭУ на работу RC-преобразователей. Впервые применены на установке «Андырчи» созданные для этой цели подавители послеимпульсов ФЭУ для существенного расширения динамического диапазона при измерениях энерговыделений в сцинтилляционных детекторах.

3. Впервые в условиях БПСТ создан годоскоп амплитудных каналов на программируемых логических интегральных схемах с алгоритмом быстрого поиска сработавшего канала и фиксацией ошибок срабатывания логарифмических преобразователей.

4. Автоматизирована калибровка временных каналов для установки «Андырчи» и настройка временных каналов для БПСТ с помощью созданных прецизионных сканирующих генераторов Start-Stop-ных интервалов.

5. Для БПСТ разработан и внедрен новый адаптер, предназначенный для перехода системы сбора информации БПСТ на ЭВМ IBM РС/486.

6. Для БПСТ разработан и внедрен новый адаптер, предназначенный для подключения первой измерительной системы ко второй и получения дополнительной информации.

Научная и практическая значимость.

1. Разработанные измерители порогов усилителей-дискриминаторов позволили понизить пороги, что важно для регистрации нейтринных вспышек от коллапсирующих звезд и уменьшения «мертвого» времени системы сбора за счет уменьшения количества детекторов, пороги которых попадают в область повышенных шумов из-за неправильной настройки.

2. Разработанный подавитель послеимпульсов ФЭУ для установки «Андырчи» расширяет диапазон измеряемых энерговыделений в детекторах. Информация становится пригодной для изучения области излома в энергетическом спектре первичных космических лучей.

3. Годоскоп амплитудных каналов для БПСТ является многофункциональным устройством, изготовленном на современной элементной базе. Позволяет измерять энерговыделения в индивидуальных детекторах в области энергий 500 МэВ — 1ТэВ и определять некоторые неисправности логарифмических преобразователей. Информация об энерговыделении используется для измерения энергетического спектра мюонов в области высоких энергий и для изучения взаимодействия мюонов с веществом.

4. Применение сканирующего генератора для установки «Андырчи» позволило отказаться от настройки временных каналов благодаря полуавтоматизированному снятию калибровочной характеристики. Применение сканирующего генератора для БПСТ упростило настройку временных каналов и позволило снимать их интегральные и дифференциальные характеристики.

5. Применение нового адаптера связи между системой сбора информации и ЭВМ IBM РС/486 позволило перейти от ненадежной и снятой с производства ЭВМ БЕСТА к надежной и дешевой, тем самым, увеличив «живое» время системы сбора информации БПСТ.

6. Использование нового адаптера связи между контроллером первой системы сбора информации и контроллером БУУ-01 второй системы позволило нарастить количество работающих каналов.

7. Примененные способы автоматизации калибровки и настройки, измерения порогов усилителей-дискриминаторов, подавления после-импульсов ФЭУ и адаптер связи с ЭВМ могут быть применены и на других установках.

8. Практическую ценность имеет также опыт, обобщенный в диссертации, для дальнейшей модернизации систем сбора информации БПСТ и «Андырчи» с целью существенного улучшения их параметров.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для БПСТ разработаны и внедрены приборы для настройки порогов импульсных усилителей: усредняющий измеритель порогов и статистический микропроцессорный измеритель порогов, который кроме матожидания порога измеряет и дисперсию порогов (шумы ФЭУ). Точность настройки и измерения порогов 1−3% и зависит от величины шумов ФЭУ.

2. Исследована проблема воздействия послеимпульсов ФЭУ на работу RC-преобразователей, используемых на установке «Андырчи» для измерения энерговыделений в сцинтилляционных детекторах. Разработан и внедрен подавитель послеимпульсов. Применение подавителя послеимпульсов расширило динамический диапазон RC-преобразователей с 20 до 2000 раз.

3. Для БПСТ разработан и внедрен годоскоп амплитудных каналов на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). Создан алгоритм его работы, ускоряющий сбор данных по отношению к предыдущему годоскопу в 3 раза и фиксирующий ошибки в работе логарифмических преобразователей. Годоскоп эксплуатируется с 2002 г по настоящее время.

4. Разработаны и внедрены два прецизионных сканирующих генератора интервалов Start-Stop для автоматизации настройки и калибровки каналов измерения времени пролета частиц между детекторами. Генераторы позволяют за одно сканирование произвести съем калибровочной характеристики, а также используются при настройке временных каналов. Первый генератор, предназначенный для БПСТ, имеет диапазон 0−255 не с шагом 1 не, максимальной ошибкой ±0,5 не, вызванной неточностью моментов внутренней синхронизации. Нестабильность интервалов и ошибки моментов синхронизации определяется нестабильностью кварца (~10~5).

Второй генератор, предназначенный для установки «Андырчи», имеет диапазон 50−3000 не с шагом 50 не. Относительная ошибка выработки интервала ~10~5.

5. Взамен адаптера для ЭВМ ВЕСТА, снятой с производства, разработан и ивнедрен новый адаптер для работы с шиной ISA в составе ЭВМ типа IBM/486. Адаптер имеет 16-разрядный входной порт данных, 8-разрядный входной порт служебных слов, 8-разрядный выходной порт управляющих слов и 16-разрядный двунаправленный порт связи с шиной ISA. Работает в режиме прерываний микропроцессора. Эксплуатируется на БПСТ с 1998 года по настоящее время.

6. Для БПСТ разработан и внедрен адаптер согласования работы контроллера первой системы сбора информации (МИС1) с контроллером БУУ-01 второй системы сбора информации (МИС2). В адаптер заложена возможность работать как по протоколу МИС1, так и в более прогрессивном режиме: выводятся каналы МИС1, только если они сработали, что понижает «мертвое» время системы сбора информации минимум вдвое. Адаптер находится в постоянной эксплуатации с 2000 г.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты, изложенные в диссертации, были доложены на Всесоюзной конференции по космическим лучам в Самарканде в 1992 г, на Международной конференции по космическим лучам /Калгари, Канада, 93/, на семинарах БНО и опубликованы в журналах «Приборы и техника эксперимента» и в препринтах ИЯИ РАН. Всего по теме диссертации было опубликовано 12 работ.

Объем и структура диссертации.

Диссертация изложена на 101 страницах, включая 30 рисунков и список литературы, содержащий 52 наименований. Она состоит из введения, одной главы, посвященной системам сбора установок «Ан-дырчи» и БПСТ, пяти глав — устройствам, улучшающим характеристики систем сбора информации, заключения и списка литературы.

Заключение

.

Ниже приводятся основные результаты и выводы.

1. Разработан прибор для настройки порогов импульсных усилителей-дискриминаторов, использующий в качестве источника света световой диод с управляемой амплитудой светового сигнала. Прибор реализован в двух вариантах: усредняющий измеритель порогов и статистический микропроцессорный измеритель порогов, который кроме среднего значения порога позволяет определять и его дисперсию. Опыт эксплуатации показал, что при использовании этих приборов точность настройки порогов составляет 1 — 3% в зависимости от величины шумов. До использования приборов точность настройки составляла 10%. Более точная настройка порогов импульсных усилителей-дискриминаторов и снижение их значений позволило примерно в два раза увеличить вероятность регистрации нейтрино при коллапсе звезды.

2. Исследовано воздействие послеимпульсов ФЭУ на работу КСпреобразователей, используемых на установке «Андырчи» для измерения энерговыделения в сцинтилляционном детекторе. Разработано новое устройство для подавления послеимпульсов. Применение этого устройства позволило в 100 раз расширить реальный динамический диапазон КС — преобразователей.

3. Для Баксанского Подземного Сцинтилляционного Телескопа разработан принципиально новый годоскоп амплитудных каналов на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Алгоритм работы годоскопа позволяет фиксировать ошибки в данных логарифмических преобразователей и увеличить скорость сбора данных в 3 раза относительно предыдущего годоскопа и существенно снизить мертвое время телескопа. Благодаря программному конфигурированию, стало возможным оперативно изменять главную электрическую принципиальную схему без каких-либо перепаек. Годоскоп непрерывно эксплуатируется в течение последних четырех лет, и продемонстрировал надежную и стабильную работу.

4. Для автоматизации настройки и калибровки преобразователей время — число, используемых для измерения времени пролета частиц между детекторами, разработаны два прецизионных сканирующих генератора интервалов Start — Stop. Эти генераторы позволяют за одно сканирование получить калибровочные характеристики преобразователей, что в десятки раз сокращает время, необходимое для проведения калибровок и настроек каналов измерения времени пролета. Первый генератор, предназначенный для телескопа, имеет диапазон 0 — 255 не. с шагом 1 не. и максимальной ошибкой ± 0,5 не., обусловленной неточностью моментов внутренней синхронизации. Нестабильность интервалов и ошибки синхронизации определяются нестабильностью кварцевого генератора (10″ 5). Второй генератор, предназначенный для установки «Андыр-чи», имеет диапазон 50 — 3000 не. с шагом 50 не. В этом случае нестабильность длительности интервалов составляет ~10″ 5.

5. Для целей быстрого и надежного подключения системы сбора информации телескопа к ЭВМ различного типа (БЕСТА и IBM/486) разработан новый адаптер. Адаптер имеет 16 — разрядный входной порт данных, 8 — разрядный входной порт служебных слов, 8 — разрядный выходной порт управляющих слов и 16 — разрядный двунаправленный порт связи с шиной ISA, и работает в режиме прерываний микропроцессора. Адаптер находится в эксплуатации с 1998 года. Данная схема с минимальными переделками может быть легко приспособлена к широкому кругу систем сбора данных.

6. Для Баксанского Подземного Сцинтилляционного Телескопа разработан адаптер согласования работы контроллеров двух различных многоканальных измерительных систем (МИС1 и МИС2). В адаптер заложена возможность работы как по протоколу системы МИС1, так и в режиме вывода только тех каналов, в которых содержится информация, что, как минимум, вдвое уменьшает мертвое время системы сбора информации. Кроме того, полное число каналов измерения увеличилось почти на 100. Этот адаптер находится в постоянной эксплуатации последние пять лет, и продемонстрировал высокую надежность.

Благодаря внедренным приборам, блокам и узлам в БПСТ и «Ан-дырчи», в разработке которых автор принимал непосредственное участие, увеличился объем собираемых данных и, при этом, для БПСТ снизилось «мертвое» время системы в 3 раза.

Разработанные и внедренные при непосредственном участии автора приборы, блоки и узлы для установок БПСТ и «Андырчи» обеспечили стабильную долговременную работу этих установок и позволили получить, в частности, следующие физические результаты:

1. На установке «Андырчи» измерен спектр ШАЛ по числу час5 тиц в диапазоне 7×10 — 2×107, излом в спектре находится при Ые=1.8×106.

2. По данным установок «Андырчи» — БПСТ получена зависимость числа высокоэнергичных мюонов от полного числа частиц в ШАЛ в области вокруг излома. Полученная зависимость указывает на утяжеление состава после излома.

3. Получено ограничение энергий в ливнях в области излома. Постоянно производится модернизация установок, приборов, отдельных узлов с применением современных средств проектирования [50,51,52]. С 2000 г перешли на хранение всей информации без предварительной Оп-Ыпе обработки, что позволяет при необходимости вновь и вновь обращаться к хранимым данным. Освоены новые тех.

94 нологии разработки принципиальных электрических схем с использованием программируемых логических интегральных схем, различных программных пакетов, дистанционных заказов по Интернету печатных плат.

В планируемой крупномасштабной модернизации установки «Ан-дырчи» калибровку каналов измерения времени пролета частиц предполагается полностью автоматизировать. Калибровка будет производиться по программе через заданное время без физического переключения кабельных разъемов. Для этой цели будут использованы современные ПЛИС. Использование такого метода практически полностью исключает требования к высокой линейности каналов.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность моему научному руководителю, канд. физ.-мат. наук Петкову В. Б. за постоянное внимание к настоящей работе.

Автор благодарен многим сотрудникам лаборатории ПСТ за проявленный интерес к работе, её стимулирование и плодотворные критические обсуждения результатов. В частности, я признателен.

В.Н.Ходову, Ю. В. Маловичко, ]В.Я. Поддубному|, И. М. Дзапаровой, П. С. Стриганову, В. И. Волченко, С. Н. Карпову, Е. А. Горбачевой, Т. Ю. Спиридоновой, Р. В. Новосельцевой. Автор также благодарит С.П. Ми-хеева, В. А. Козяривского, В. И. Степанова (ОЛВЭНА ИЯИ) и К.Г. Ком-паниеца (МИФИ).