ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 6, с. 65-82
_ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ_
- ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ -
УДК 539.1.07
СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ ДЕТЕКТОРА СНД ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ВЭПП-2000
© 2007 г. В. М. Аульченко***, А. Г. Богданчиков А. А. Ботов*, Д. А. Букин*, М. А. Букин*, Т. В. Димова*, В. П. Дружинин***, А. А. Король*, С. В. Кошуба*, А. И. Текутьев*, Ю. В. Усов*, Е. А. Чекушкин*
*Институт ядерной физики им. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 **Новосибирский государственный университет Поступила в редакцию 21.02.2007 г.
Представлена новая система сбора данных детектора СНД. Описаны оцифровывающая электроника, подсистемы запуска и контроля детектора, организация передачи данных в э.в.м. Изложена архитектура программной части системы сбора данных, интерфейс оператора, описаны процессы сбора и обработки событий, контроля. Приведены результаты тестирования системы на космических событиях и генераторе случайных запусков.
PACS: 13.66.Bc, 07.05.Hd, 07.05.Dz, 07.05.Wr, 29.50+
ВВЕДЕНИЕ
В 2007 г. планируется начать эксперименты со Сферическим нейтральным детектором (СНД) на е+е~-коллайдере ВЭПП-2000 [1]. Целью экспериментов является изучение е+е-аннигиляции в адро-ны в диапазоне энергий в системе центра масс от 0.4 до 2.0 ГэВ [2]. Детектор СНД [3] создан для экспериментов на е+е-коллайдере ВЭПП-2М и с 1995 по 2001 гг. служил для сбора данных. Для экспериментов на ВЭПП-2000 проведена модернизация ряда подсистем детектора СНД, а также разработаны новые системы сбора и обработки данных [4].
Общий вид детектора приведен на рис. 1. Пучки электронов и позитронов сталкиваются внутри бериллиевой вакуумной камеры радиусом 2 см. Вакуумная камера окружена трековой системой, предназначенной для измерения точки вылета и направления заряженных частиц. За трековой системой расположен аэрогелевый черенковский счетчик, обеспечивающий идентификацию као-нов с импульсами до 900 МэВ/с. Трековая система и черенковский счетчик окружены сферическим трехслойным электромагнитным калориметром на основе кристаллов №1(Т1). Калориметр позволяет измерять энергии и углы вылета фотонов и обеспечивает высокую чувствительность детектора к событиям с нейтральными частицами в конечном состоянии. Снаружи калориметра находится мюонная система, состоящая из двух слоев пропорциональных трубок и слоя сцинтилляци-онных счетчиков. Она обеспечивает подавление космических событий и используется для идентификации мюонов.
Система сбора данных (с.с.д.)1 детектора СНД содержит подсистемы: первичной обработки и оцифровки аналоговых сигналов, аппаратного отбора событий, калибровки и чтения электроники, программного отбора, хранения и передачи информации, а также мониторинга, контроля и управления.
Сбор данных с детектора происходит следующим образом. После предварительной аналоговой обработки (усиление, формирование) сигналы со всех каналов детектора поступают на оцифровывающую электронику. Сигналы из отдельных подсистем детектора после быстрой предварительной обработки подаются также в подсистему аппаратного отбора (первичный триггер). Если комбинация этих сигналов удовлетворяет критериям отбора (превышению порога на энерговыделение в калориметре, геометрической конфигурации срабатывания проволочек трековой системы и кристаллов в калориметре), то подсистема аппаратного отбора инициирует оцифровку и чтение сработавших каналов. В каждом крейте с оцифровывающей электроникой размещаются платы ввода-вывода, которые считывают данные со сработавших каналов и передают их через сеть Ethernet в компьютерную подсистему с.с.д. Компьютерная подсистема собирает данные со всех крейтов и объединяет их в события. Затем события проходят программный отбор и сохраняются в том случае, если они представляют интерес для дальнейшей обработки.
1 Перечень принятых аббревиатур приведен в конце статьи в ПРИЛОЖЕНИИ.
Рис. 1. Детектор СНД. 1 - вакуумная камера, 2 - трековая система, 3 - аэрогелевый счетчик, 4 - кристаллы №1(Т1), 5 - вакуумные фототриоды, 6 - поглотитель, 7-9 - мюонная система, 10 - фокусирующий соленоид.
Для работы программного отбора и дальнейшей обработки событий требуется, чтобы данные, считанные с электроники, были преобразованы в физические величины (энергию, координаты и т.д.). Это делается с помощью процедуры калибровки детектора, которая включает в себя измерение параметров электронных трактов каналов детектора с помощью генератора с известными свойствами и расчет коэффициентов перевода оцифрованных данных в физические величины по специально отобранным космическим событиям и событиям процесса электрон-пози-тронного рассеяния на большой угол. Дополнительно при калибровке проводится глубокое тестирование работоспособности подсистем детектора и электроники.
Необходимым условием проведения эксперимента является постоянное слежение за работоспособностью детектора и параметрами эксперимента. Специальные процессы системы следят за показаниями измерительной аппаратуры (напряжения и токи источников питания, расход газа в трековой системе и т.д.), данными с ускорителя и текущими загрузками подсистем детектора ("пе-ресчетки"). В случае выхода контролируемых параметров за заданные пределы принимаются за-
щитные меры (остановка записи, отключение источников, информирование оператора и др.). Часть управляющих функций выполняется только в ручном режиме (оператором).
Подсистема управления с.с.д. представляет собой управляемый оператором и компьютером интерфейс запуска и остановки чтения событий, задания условий набора данных и управления программными процессами системы. Подсистема мониторинга предоставляет наглядную информацию о состоянии подсистем электроники и ходе сбора данных.
Высокое качество отбора событий является важным требованием к с.с.д. В с.с.д. СНД оно достигается путем установки мягких условий в аппаратном отборе и жестких условий в программном отборе. На этапе программного отбора предполагается отбраковывать более 90% фоновых событий при высокой эффективности отбора. Наиболее качественный программный отбор достигается с помощью проведения полной предварительной реконструкции событий, что при высокой частоте событий является вычислительно емкой задачей. Установка мягких условий в аппаратном отборе событий подразумевает высокую пропускную способность с.с.д. Ожидаемый поток данных
для с.с.д. СНД составляет ~1 кГц входных событий со средней длиной ~4К байт, т.е. 4М байт/с. После приведения к физическим величинам и упаковки поток уменьшается примерно до 1М байт/с, а после реконструкции и отбраковки событий - до 100К байт/с.
2. ЭЛЕКТРОНИКА
Электроника СНД содержит предусилители, размещенные непосредственно на детекторе, формирователи и информационные платы (и.п.), осуществляющие оцифровку сигналов. Имеются также подсистемы запуска детектора или первичного триггера, управления и синхронизации электроники, генераторной калибровки, контроля загрузок и медленного контроля. Оцифровывающая электроника СНД располагается в крейтах стандарта КЛЮКВА [5] с циклом магистрали 100 нс. Она занимает 16 крейтов, каждый из которых вмещает в себя: интерфейс первичного триггера, процессор ввода-вывода информации (п.в.в.), размножитель системных сигналов и 16 и.п. Платы-формирователи размещены в 11 крейтах КЛЮКВА, где занимают позиции информационных плат. Данные из и.п. считываются по магистрали крейтов КЛЮКВА с циклом 100 нс в п.в.в. и передаются в э.в.м. через локальную сеть Ethernet. С помощью п.в.в. производится также запись в и.п. пороговых значений.
2.1. Калориметр
Калориметр состоит из 1632 счетчиков на основе кристаллов NaI(Tl), просматриваемых вакуумными фототриодами. Угловые размеры большинства кристаллов составляют Дф = ДО = 9° (полярный угол отсчитывается от оси пучков). В области малых углов (18° < О < 36° и 144° < О < 162°) азимутальный размер счетчика равен Дф = 18°. Сигналы с фототриодов калориметра поступают на зарядо-во-чувствительные усилители, затем на усилители-формирователи с регулируемым коэффициентом усиления. Плата формирователей обслуживает 12 каналов калориметра, так называемую "башню" (12 соседних кристаллов в трех слоях). Всего калориметр разбивается на 160 таких башен, образующих 20 секторов в азимутальном направлении и 8 колец в полярном. В плате формируются 12 выходных сигналов для последующей оцифровки (спектрометрический тракт), и один сигнал полного энерговыделения в "башне" для использования в системе запуска детектора (триг-герный тракт). В спектрометрическом тракте входной сигнал дважды дифференцируется на линии задержки длительностью 1 мкс, а затем интегрируется. В результате получается сигнал по форме близкий к треугольному с максимумом при t ~ 1 мкс. В триггерном тракте используется более короткое время дифференцирования - 220 нс. Сиг-
налы полного энерговыделения башен собираются по магистрали КЛЮКВА в интерфейс первичного триггера калориметра.
Сигналы спектрометрических трактов поступают на 24-канальные аналого-цифровые преобразователи (а.ц.п.) А24М [6]. Каждый канал А24М содержит устройство выборки и хранения с пиковым детектором, в котором запоминается максимальное значение входного сигнала. После прихода сигнала первичного триггера информация с каналов А24М поочередно оцифровывается с помощью 12-разрядного а.ц.п. Эквивалентный шум в спектрометрическом канале не превышает 0.3 МэВ. Время оцифровки всех каналов составляет 25 мкс. В плату могут быть записаны пороговые значения амплитуд. По ходу оцифровки измеренные амплитуды сравниваются с порогами, и формируется массив выходных данных, состоящий из маски сработавших каналов и их амплитуд.
2.2. Трековая система
Трековая система состоит из цилиндрической дрейфовой камеры с ячейкой струйного типа и пропорциональной камеры, находящихся в едином газовом объеме. Дрейфовая камера состоит из 24 секторов с азимутальным угловым размером 15°. В каждом секторе вдоль радиального направления расположены 9 анодных сигнальных проволок (общее число проволок 216). Координата трека в азимутальной плоскости определяется по времени дрейфа ионизации. Для определ
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.