ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 6, с. 41-46
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 001.89:004.31+001.89:004.6
СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ В СТАНДАРТЕ VME ДЛЯ МНОГОПАРАМЕТРОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
© 2012 г. Р. С. Слепнев*, А. А. Безбах*, М. С. Головков*, А. В. Горшков*, В. А. Горшков*, А. В. Даниэль*, Г. Каминьски*, **, С. А. Крупко*, А. С. Мартьянов*, С. И. Сидорчук*, А. С. Фомичев*, В. Худоба*, ***
*Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных реакций им. Т.Н. Флерова Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6
**Институт ядерной физики ПАН, Краков, Польша *** Университет Силезии, Институт физики, Опава, Чехия Поступила в редакцию 08.12.2011 г. После доработки 03.02.2012 г.
Описывается система сбора данных, основанная на электронике в стандарте VME и нацеленная на проведение физических экспериментов с измерением нескольких сотен различных параметров. Оборудование было апробировано на фрагмент-сепараторе Acculinna (http://aculina.jinr.ru/) в опытах с пучками 6Не, 8Не, 18Ne и S в диапазоне энергий 20—35 МэВ/нуклон. Система включает в себя процессорный блок RIO-3 для чтения магистрали VME, связи с CAMAC- и FASTBUS-крейтами и передачи данных в персональный компьютер, триггерный блок TRIVA-5, стандартные аналого-цифровые, зарядово-цифровые и времяамплитудные преобразователи фирмы CAEN (модели V785, V792, V775), а также соответствующее программное обеспечение. Данная система сбора данных по сравнению с вариантом в стандарте CAMAC является более быстродействующей (фактор 10), а также имеет возможность работать с новыми типами блоков электроники, например дигитайзерами.
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования свойств ядерной материи на границе нуклонной стабильности являются актуальными в ядерной физике во всем мире и бурно развиваются в ведущих центрах 081 (Германия), ШКЕМ (Япония), ОАМЬ (Франция) и М8и (США) за счет создания новых установок и методик. В ЛЯР ОИЯИ данные исследования успешно ведутся с 1996 г. на фрагмент-сепараторе АссиЦппа [1], модернизированном последний раз в 2000 г. (http://aculina.jinr.ru/). Эта установка была по-
строена из имеющихся магнитооптических элементов, предназначенных для транспортировки первичных пучков ускорителя МЦ-400, вследствие чего она имеет весьма скромные характеристики по сравнению с зарубежными аналогами. В рамках семилетней программы ОИЯИ по созданию новых базовых установок принято решение к 2015 г. построить новый фрагмент-сепаратор АссиИппа-2 [2, 3], схематично показанный на рис. 1. Основные характеристики для аналогичных установок в мире приведены в таблице.
Основные характеристики функционирующих и строящихся фрагмент-сепараторов в мире
Характеристики Acculinna Acculinna-2 LISE A1900 RIPS BigRIPS FRS SuperFRS
ЛЯРОИЯИ GANIL MSU RIKEN GSI
AQ , мкр 0.9 5.8 1.0 8.0 5.0 8.0 0.32 5.0
Ър , % 2.5 6.0 5.0 5.5 6.0 6.0 2.0 5.0
P/AP, отн. ед. 1000 2000 2200 2915 1500 3300 8600 3050
Фмак^ Т ' м 3.2 3.9 4.3 6.0 5.76 9.0 18 18
Длина, м 21 38 42 35 21 77 74 140
Емин, МэВ/нуклон 10 5 40 110 50 220
Емакс, МэВ/нуклон 40 50 80 160 90 350 1000 1500
Примечание. 8р = AP/P — импульсный аксептанс; P/AP — разрешение по импульсу первого порядка, полученное при размере изображения 1 х 1 мм в плоскости производящей мишени; Bp — магнитная жесткость.
Рис. 1. Схема действующего и планируемого фрагмент-сепараторов АссиИппа и АссиИппа-2 на ускорителе тяжелых ионов МЦ-400. Ж — фокальные плоскости; Q — квадрупольные линзы; Б — дипольные магниты; М — мультипольные магниты; БТ — стиринги.
Из-за специфики получения радиоактивных пучков (энергетический разброс может составлять до 5%, а поперечный размер — несколько сантиметров) необходимо выполнение целого ряда методических условий. Во-первых, прежде всего необходимо обеспечить пособытийное измерение энергии пучка радиоактивных ядер (например, по времени пролета с точностью АЕ/Е < 1%) и определить место попадания пучка на физическую мишень (например, с помощью пары координатных детекторов, обеспечивающих пространственную локализацию АХ = АУ ~ 1 мм) в широком диапазоне энергий и интенсивностей (в нашем случае Е ~ 15—35 МэВ/нуклон, I ~ 102—107 частиц/с).
Во-вторых, для получения новой информации о свойствах экзотических ядер нужны прецизионные корреляционные измерения (как правило, энергии и угла вылета продуктов распада иссле-
дуемых ядер), влекущие за собой регистрацию большого количества параметров с высокой точностью. Наконец, для получения достоверной статистики часто измерения приходится проводить под малыми углами по отношению к направлению налетающей частицы, вследствие чего возникает проблема больших загрузок (несколько тысяч триггеров в секунду). Именно этим основным критериям должна отвечать современная система сбора данных (с.с.д.), нацеленная на решение подобных задач.
Типичная блок-схема экспериментов с пучками радиоактивных ядер на фрагмент-сепараторе АссиИппа приведена на рис. 2. Как правило, с.с.д. включает в себя несколько (до 4-х) независимых триггеров, объединенных по схеме ИЛИ и, следовательно, помеченных специальным признаком. Во-первых, это признак пучка, берущийся от двух
(а)
Пластик 1
Пластик 2
8He
¿L-
Пучок частиц/с
ММПК1 ММПК2
(б)
ППД1 мм 16 секторов, 16 колец
ППД 1 мм 16 стрипов X & Y 6 слоев
Стенка из 8 х 4 стильбенов 0 80 х 50 мм
Старт Строб
Рис. 2. Схематическое представление детекторной системы (а) и системы сбора данных (б) в эксперименте 3Н(8Не, р)10Не. МППК — многопроволочная пропорциональная камера, ППД — полупроводниковый детектор, ВЦП — времяцифровой преобразователь, АЦП — аналого-цифровой преобразователь, СС — схема совпадения, ГС — генератор стробов, ТМ"УА-5 — блок организации событий, МО-3 — процессорный блок.
тонких (в нашем случае толщиной 0.2—0.5 мм в зависимости от сорта частиц и их энергии) пластиковых детекторов, расположенных на базе 8 м и дающих информацию об энергии частиц по времени пролета. Во-вторых, это основной триггер, возникающий в результате совпадений сигналов от сборки кремниевых детекторов с сигналами от пластиковых детекторов, и, наконец, вспомогательный триггер, идущий, например, от совпадений нейтронных детекторов с тонкими пластиками.
Подобная с.с.д., функционирующая на установке Acculinna в стандарте CAMAC более 15 лет, была заменена на более современную в стандарте VME. Новая с.с.д. успешно была испытана в эксперименте по изучению структуры 10Не в реакции 3H(8He, ^)10He при энергии пучка 8Не 22 МэВ/нуклон (см. рис. 2).
2. СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ В СТАНДАРТЕ VME
Известно несколько распространенных стандартов, часто используемых в ядерно-физических экспериментах в качестве базиса для системы сбора данных: а) старый и наиболее простой CAMAC, б) современные - FASTBUS, FERABUS, VXI, VME. Преимущества последних заключаются в быстродействии и способности работать с большими потоками данных.
С целью модернизации существующей на установке Acculinna с.с.д. в стандарте CAMAC было решено использовать как архитектурный прототип [4] систему в стандарте VME, разработанную в GSI (Дармштадт, Германия) и успешно функционирующую более чем в 20 научных центрах мира. Данная с.с.д. базируется на процессоре семейства RIO фирмы CES [5] с операционной системой реального времени LynxOS, общедоступном про-
граммном обеспечении MBS (Multi Branch System, http://www-win.gsi.de/daq/) с возможностью объединения нескольких стандартов в одно целое, пакете программ Go4 (http://www-win.gsi.de/go4/), который необходим для визуализации информации в режиме on line, экспресс-анализа данных и их конвертации в формат для последующей обработки в среде ROOT (http://root.cern.ch/drupal/).
Первые опыты с использованием с.с.д. в стандарте VME [6, 7] продемонстрировали высокие потенциальные возможности этой системы, а именно: 1) работа с большими загрузками (при 5000 триггеров/с мертвое время составляло ~40%, в то время как с.с.д. в стандарте CAMAC имела такое же мертвое время при загрузке 400 триггеров/с); 2) оперативный анализ сложных двухмерных спектров в режиме on line; 3) эффективная обработка больших массивов данных объемом несколько гигабайт; 4) простая и удобная связь с CAMAC, позволяющая соединять к магистрали VME до 9 крейтов.
В эксперименте по исследованию резонансных состояний 10Не в реакции 3H(8He, ^)10He [7] кроме процессора RIO-3 были использованы блок организации триггерных сигналов TRIVA-5 [9] и электронные блоки в стандартах VME и CAMAC. Связь между крейтами VME и CAMAC осуществлялась через интерфейс контроллера GTBV, многожильный кабель и крейт-контроллер GTBC4 [8].
Нами использовались следующие VME-блоки электроники фирмы CAEN: аналого-цифровые (V785AC) и времяцифровые (V775AC) преобразователи — для кодирования амплитудных и временных сигналов с кремниевых стриповых детекторов, измеряющих потери энергии частиц и их позицию в пространстве, времяцифровые преобразователи V775NC — для кодирования временных сигналов от пластиковых сцинтилляторов, предназначенных для измерения времени пролета заряженных частиц, зарядово-цифровые преобразователи V792NC — для кодирования амплитуд с этих сцинтилляторов. Также использовались еще два вспомогательных блока: счетчик событий V560NC и преобразователь уровней NIM—ECL V558A.
Кроме того, к VME-крейту были подключены последовательно еще два CAMAC-крейта со своей электроникой. В первом из них находились дискриминаторы и регистры для сигналов, идущих от двух многопроволочных пропорциональных камер (МППК), которые необходимы для измерения позиции пучка на физической мишени (каждая камера имела 32 х 32 проволочки с шагом 1.25 мм, всего 128 трактов). Второй CAMAC-крейт обслуживал массив нейтронных детекторов — 32 модуля на основе кристаллов стильбена 080 и толщиной 50 мм, соединенных с фотоумножителями XP4312. В нем также находились зарядово-цифровые и вре-мяцифровые преобразователи сигналов, модели
Phillips 7167 и 7186 соответственно. Дополнительный третий CAMAC-крейт был включен для программной установки индивидуальных порогов для каждого из каналов кремниевых детекторов, а также коэффициентов усиления всех
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.