ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 7, с. 1072-1074
УДК 523.165
ШИРОКОАПЕРТУРНЫЙ МЮОННЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ АТМОСФЕРЫ И МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
© 2007 г. Н. С. Барбашина1, Р. П. Кокоулин1, К. Г. Компаниец1, Дж. Маннокки2, А. А. Петрухин1, О. Сааведра3, Д. А. Тимашков1, Дж. Тринкеро2, Д. В. Чернов@1,
В. В. Шутенко1, И. И. Яшин1
E-mail: DATimashkov@mephi.ru
Над водным черенковским калориметром НЕВОД (МИФИ) создается широкоапертурный многослойный мюонный годоскоп большой площади. Годоскоп предназначен для исследования процессов в атмосфере и магнитосфере Земли, вызывающих вариации потока мюонов на поверхности. Приведено описание структуры детектора и его системы сбора и обработки информации. Обсуждаются предварительные результаты анализа данных, полученных в течение непрерывных серий измерений в 2005-2006 гг. с помощью двух первых супермодулей установки.
ВВЕДЕНИЕ
Поток мюонов на поверхности Земли формируется в результате взаимодействия первичных космических лучей (ПКЛ) с верхними слоями атмосферы и несет информацию, с одной стороны, об активных процессах в межпланетном магнитном поле, которые модулируют поток галактических и солнечных космических лучей, достигающих Земли, а с другой - о различных атмосферных процессах. Разделение влияния атмосферных процессов и процессов в околоземном пространстве представляет собой достаточно сложную экспериментальную задачу. Ее решение возможно с помощью широкоапертурного координатного детектора, способного одновременно регистрировать мюо-ны с различных направлений в широком диапазоне зенитных углов для получения пространственно-временных характеристик потока мюонов. Такая информация дает возможность разделять влияние гелиосферных и магнитосферных факторов, которые изменяют поток космических лучей в больших пространственных масштабах, и атмосферных эффектов, носящих, как правило, достаточно локальный характер. Для решения этих задач на базе четырех верхних супермодулей координатного детектора ДЕКОР [1] создается широкоапертурный прецизионный мюонный годоскоп, состоящий из горизонтальных восьмислойных сборок-супермодулей площадью по 11.5 м2 каждый, расположенных над водным объемом черенковского водного детектора (ЧВД) НЕВОД [2]. В настоя-
1 Московский инженерно-физический институт (государственный университет), Россия.
2Национальный институт астрофизики, Туринское отделение, Италия.
3Отделение общей физики Туринского университета, Италия.
щее время в режиме экспозиции работает первая часть годоскопа, состоящая из двух супермодулей.
ОПИСАНИЕ ДЕТЕКТОРА
Каждый супермодуль представляет собой восемь слоев газоразрядных камер, оснащенных двухкоординатной системой внешних считывающих пластин (стрипов) (всего 320Х + 288Y каналов с шагом 1.0 и 1.2 см соответственно). Между слоями проложено сплошное пенопластовое покрытие толщиной 5 см. Каждый слой собирается из 20 камер и занимает площадь 3.5 х 3.5 м2. Камера состоит из 16 трубок с площадью поперечного сечения 9 х 9 мм2 и длиной 3.5 м, собранных в один пластиковый корпус. Супермодуль (СМ) размещается на отдельной подвижной платформе, позволяющей изменять его положение относительно других супермодулей и регистрирующей системы ЧВД НЕВОД. Функционирование камер в режиме ограниченного стримера обеспечивается специально подобранной трехкомпонентной газовой смесью (аргон + СО2 + п-пентан) и выбором рабочего напряжения. Супермодуль обеспечивает высокую пространственную и угловую точность регистрации мюонов (соответственно погрешность 1 см и 1 градус) в широком диапазоне зенитных углов от 0 до 80 градусов.
СИСТЕМА ТРИГГИРОВАНИЯ И СБОРА ДАННЫХ
Система триггирования и сбора данных годоскопа (рис. 1) имеет распределенную многоуровневую архитектуру. Модульная организация дает возможность простого изменения конфигурации и наращивания системы при развертывании дополнительных СМ детектора. Базовым элементом си-
ШИРОКОАПЕРТУРНЫЙ МЮОННЫЙ ДЕТЕКТОР
1073
стемы сбора данных установки является специально разработанная плата быстрого считывания, обеспечивающая усиление, дискриминацию, формирование, хранение сигналов и последовательную передачу данных с 16 стрипов. Платы располагаются на внешних стрипах системы съема информации со стримерных камер, по двум сторонам каждой плоскости супермодуля, соответственно вдоль координат X и Y и последовательно соединяются друг с другом, образуя 32 последовательных канала передачи данных. Для одного супермодуля требуется 160 X, 144 Y-плат сбора данных и 8 кросс-плат, используемых для соединения сигнальных линий и подводки напряжений питания.
Отличительной особенностью разработанной системы является наличие двух цепочек последовательного считывания данных. Первая цепочка формируется из Д-триггеров схем управления платами и представляет информацию о сработавших платах. Вторая формируется из сдвиговых регистров и позволяет получать информацию с каждого канала. Кроме того, схема управления включает сдвиговые регистры во вторую цепь лишь при наличии сработавших каналов на данной плате. Таким образом, данные считываются только со сработавших плат, что позволяет обеспечивать необходимую скорость сбора данных.
Триггерный сигнал плоскости формируется платами сбора данных при срабатывании любого канала X данной плоскости. Условие выработки триггера измерительной системы супермодуля -совпадение не менее четырех триггерных сигналов различных сработавших плоскостей в течение 300 нс, что с 99%-эффективностью идентифицирует прохождение мюона через восемь плоскостей стримерных камер.
Средний темп счета одного супермодуля составляет около 1700 событий в секунду. Время считывания с супермодуля определяется количеством сработавших плат и для 99% событий не превышает 38 мкс. Такая скорость считывания с учетом вероятности срабатывания триггера позволяет с вероятностью 93% зарегистрировать каждый мюон.
Для передачи данных в память компьютера и генерации тестовых последовательностей используется 32-канальная плата цифрового ввода/вывода, выполненная в стандарте PCI и поддерживающая протокол PCI Bus Master с максимальной скоростью передачи 12 Мбайт в сек.
Аппаратными средствами измерительной и триггерной систем поддерживаются следующие режимы работы.
Измерение темпа счета сигналов OR одновременно с восьми плоскостей.
Тестирование цепей сдвиговых регистров и Д-триггеров плат считывания.
Периферийная
станция Триггерный
ISA блок ISA
Контроллер ввода-вывода
Рис. 1. Система триггирования и сбора данных годо-скопа.
Интегральный темп счета, отсч. • с-1 1.005
1.000
0.995
1450 1400 1350 1300
Давление, мбар
атм. давление
темп счета СМ10 и СМ11
I_I_I_I_I_I_I_
1020
1010
1000
990
7 21 Апрель
5 19 Май
980
Июнь
Рис. 2. Интенсивность событий, ход атмосферного давления (внизу) и отношение интенсивностей двух СМ (вверху) годоскопа в апреле - июне 2006 г.
Работа в циклическом режиме экспозиции по следующему алгоритму:
- ожидание события с одновременным измерением "живого" времени;
- выработка триггера события и прерывания в ЭВМ;
- сбор данных с плат считывания и передача их по каналу прямого доступа в кольцевой буфер памяти компьютера со скоростью 5 Мбайт в сек.
Отклик супермодуля представляет собой информацию о сработавших стрипах в каждой из двух проекций X и У. Параметры трека (два проекционных угла) реконструируются в режиме реального времени посредством программного обеспечения, основанного на технологии гистограммиро-вания в каждой проекционной плоскости, и
10 ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 7 2007
1074
БАРБАШИНА и др.
накапливаются в двумерном массиве (0Х, 0^) в течение минутного интервала. Такой массив (матрица) данных представляет собой "мюонный снимок" верхней полусферы, ограниченной апертурой детектора, в течение минутной экспозиции. Результаты обработки данных (одноминутные матрицы, содержащие примерно 6 • 104 событий) далее записываются на жесткий диск и передаются в локальную сеть вместе с информацией мониторинга.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СЕРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ 2006 г.
В течение 2005 г. было проведено несколько наладочных серий на пилотной сборке-супермодуле [3]. Основными задачами этих экспериментов были наладка и тестирование систем сбора данных, триггирования и программного обеспечения. С начала 2006 г. введены в эксплуатацию и работают в режиме непрерывной экспозиции два СМ установки. В течение экспериментальной серии с 18 марта по 27 июня были записаны и проанализированы данные 42 наборов. На рис. 2 изображены интенсивность реконструированных событий в двух супермодулях годоскопа и значения атмосферного давления. Хорошо видна известная антикорреляция этих величин. Вверху на рис. 2 также представлено отношение интенсивностей реконструированных событий двух СМ. Отклонение данной зависимости от константы составляет не более 0.003, что подтверждает стабильность рабо-
ты установки, достаточную для решения задач исследования вариаций потока мюонов на поверхности Земли.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Первая часть широкоапертурного координатного детектора с высоким пространственным (~1 см) и угловым (~1°) разрешением, предназначенного для исследования связи между пространственно-временными вариациями потока мюонов на поверхности Земли и различными процессами в атмосфере, магнитосфере и гелиосфере, разработана и введена в эксплуатацию. Система триггирования и сбора данных обеспечивает регистрацию полного потока мюонов из верхней полусферы (0 < 80°). Экспериментальная серия 2006 г. показала работоспособность всех систем детектора.
Работа выполняется при поддержке Правительства Москвы и МКНТ, Роснауки (контракты 02.452.11.7064 и 02.434.11.7039) и РФФИ (грант № 06-02-08218-офи).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амелъчаков М.Б. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2002.
Т. 66. № 11. С. 1611.
2. Aynutdinov VM. et al. // Astrophys. Space Sci. 1998.
V. 258. P. 105.
3. ChernovD.V. et al. // Proc. 29th ICRC. Pune. 2005. V. 2.
P. 457.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 7 2007
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.