ния, проведены измерения его экспериментальных характеристик, получены значения предельных параметров. Результаты работы могут быть использованы в области экологического мониторинга электромагнитных полей СВЧ-диапазона как в быту, так и на рабочих местах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электромагнитные поля в производственных условиях. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. СанПиН 2.2.4.1191—03.
2. ГОСТ Р МЭК 62209-1—2008. Воздействие на человека радиочастотных полей от ручных и располагае-
мых на теле беспроводных устройств связи. Модели человека, измерительные приборы и процедуры. Ч. 1. Порядок определения коэффициента удельного поглощения энергии для ручных устройств, используемых в непосредственной близости к уху (полоса частот от 300 МГц до 3 ГГц).
3. Пат. на изобретение № 2324948. Устройство для измерения удельной поглощенной мощности СВЧ электромагнитного излучения / А. Б. Симаков, И. Н. Водохлебов. // Бюл. — 2006.
4. ITALIAN NATIONAL RESEARCH COUNCIL Institute for Applied Physics "Nello Carrara". — Florence (Italy). <http://niremf.ifac.cnr.it/tissprop/ htmlclie/htmlclie.htm#stfrtag>
5. Водохлебов И. Н, Мирошниченко В. П., Симаков А. Б. Прототип дозиметра СВЧ-излучения // Тр. 3-ей конф. НОЦ CRDF "Исследование материи в экстремальных состояниях". — С. 56—58. <http://library.mephi.ru/ data/scientific-sessions/2005/crdf/1-1-7.doc>
Игорь Николаевич Водохлебов — инженер кафедры "Нано- и микроэлектроника";
E-mail: INVodokhlebov@mephi.ru
Андрей Борисович Симаков — канд. техн. наук, зав. лабораторией кафедры1 "Нано- и микроэлектроника".
® (495) 323-91-91
E-mail: simakov@mephi.ru □
УДК 681.538
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЕТЕКТОРА TRT В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ATLAS НА БОЛЬШОМ АДРОННОМ КОЛЛАЙДЕРЕ
Р. Ю. Машинистов, А. П. Шмелева, Ю. А. Чернышев
Представлено описание аппаратно-программного обеспечения одного из основных приборов в эксперименте ATLAS — трекового детектора переходного излучения, предназначенного для измерения координат треков и для идентификации электронов. Для обеспечения работы детектора должна быть разработана система управления конфигурациями считывающей электроники и соответствующее программное обеспечение. Ключевые слова: детектор элементарных частиц, система сбора данных, программное обеспечение, база данных.
ВВЕДЕНИЕ
В 2008 г. в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) состоялся пробный запуск крупнейшего в мире ускорителя заряженных частиц — Большого адронного коллайдера (LHC). Весь комплекс построен с применением современных уникальных технологий и позволяет достигать недоступных ранее показателей. На ускорителе планируется достигнуть энергий столкновений протонных пучков 14 ТэВ с рекордно высокой светимостью 1034 см-2с-1.
Самым крупным экспериментом на этом ускорителе является эксперимент ATLAS [2]. Эксперимент предназначен для поиска бозона Хиггса и "нестандартной физики". Данная работа направлена на исследование, анализ и разработку программного обеспечения контроля и управления конфигурациями считывающей электроники одного из основных приборов установки ATLAS — трекового детектора переходного излучения (TRT)
[3], который используется для измерения координат треков, а также для идентификации электронов. Детектор TRT содержит более 400 000 каналов съема информации, представляющих собой тонкостенные цилиндрические газовые пропорциональные камеры (straw) [4]. Для координации сигналов, приходящих со straw, была разработана система управления конфигурациями считывающей электроники. Основным компонентом разработанной системы является система хранения конфигурационных данных. Созданное программное обеспечение реализует выборку использованных конфигураций по заданным временным интервалам, что предоставляет удобство при работе с данными, а также позволяет создавать новые шаблоны конфигураций электроники.
ЭКСПЕРИМЕНТ ATLAS
Эксперимент ATLAS является крупнейшим на ускорителе LHC. Экспериментальная установка ATLAS имеет около 45 м в длину, более 25 м в вы-
Датчики и Системы • № 6.2011
47
соту, ее вес составляет около 7000 т. Как и большинство установок на встречных пучках, ATLAS имеет луковичную структуру. Ближе к центру расположены полупроводниковые пиксельные и стри-повые (SCT) детекторы, функцией которых является прецизионное измерение координат и импульсов заряженных частиц вблизи точки первичного взаимодействия. Их окружает детектор TRT, который также используется для измерения координат треков, а кроме этого — для идентификации электронов. Эти детекторы образуют так называемый Внутренний Детектор, который помещен внутри сверхпроводящего магнита с соленоидальным полем 2 Т. Схема экспериментальной установки ATLAS представлена на рис. 1 (см. 3-ю стр. обложки).
Детектор TRT является крупнейшим из трех подсистем внутреннего детектора эксперимента ATLAS, существенно улучшая импульсное разрешение и пространственное распознавание треков элементарных частиц. В качестве регистрирующих элементов в TRT применяются тонкостенные цилиндрические газовые пропорциональные камеры (straw) диаметром 4 мм. В центре straw натянута анодная нить толщиной 30 мкм. Камеры straw работают с потенциалом —1,5 кВ на стенке по отношению к заземленной анодной нити. Каждое straw заполнено газовой смесью Xe (70 %) CO2 (27 %) O2 (3 %), что обеспечивается циркуляционной газовой системой.
АРХИТЕКТУРА ДЕТЕКТОРА TRT
Детектор TRT конструктивно состоит из трех частей: центральной цилиндрической (баррель) [5] и двух торцевых (end-cap) [6]. Баррельная часть TRT содержит 52544 straw длиной около 150 см, ориентированных вдоль оси пучков и располагающихся на расстоянии от 56 до 107 см вокруг оси пучков. Анодная нить этих камер в середине разделена изолятором, и сигнал снимается с двух сторон straw. Между блоками straw располагаются радиаторы из специального фибрового материала на основе полиэтилена и полипропилена для генерации переходного излучения. Баррельная часть детектора TRT изображена на рис. 2 на 3-ей стр. обложки. Две торцевые части TRT содержат по 122 880 радиально ориентированных straw со считыванием сигнала по наружному радиусу. Торцевые straw имеют длину около 40 см и расположены в виде колес, перпендикулярных оси пучка. Радиатором в end-cap частях TRT служат стопки полипропиленовых пленок, чередующиеся со слоями straw. Торцевая часть детектора TRT представлена на рис. 3 на 3-ей стр. обложки.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ДЕТЕКТОРА TRT
Пролетающая через straw заряженная частица ионизирует газ, создавая вдоль своего трека сгус-
Верхний порог 6 кэВ
Низкий порог 300 кэВ
'ШШш
—1—1 1 HI— ЩЩ|Щ 1 1 1 -
Время
Рис. 4. Изображение сигнала, полученного со straw
тки электронов и ионов. Электроны дрейфуют к анодной нити под действием электрического поля 1,5 кВ, создавая вторичную ионизацию. Каждый канал TRT позволяет измерять время дрейфа следа заряженной частицы к аноду, обеспечивая координатную точность 150 мкм на straw. Детектор TRT позволяет идентифицировать электроны за счет дополнительной ионизации, вызванной переходным излучением. Переходное излучение возникает при прохождении электрона через слой медиатора, при этом происходит выделение фотона, вызывающего дополнительную ионизацию в straw. Считывающая электроника обеспечивает два независимых настраиваемых порога по амплитуде сигнала со straw, что позволяет отделять сигнал с переходным излучением. На рис. 4 представлено изображение сигнала со straw. Значения порогов подобраны таким образом, что если сигнал превышает верхний порог, то это свидетельствует о переходном излучении. Нижний порог позволяет отделять сигнал, вызванный прохождением частицы, от шумов.
Алгоритм дискриминации сигналов со straw обеспечивается считывающей электроникой — аналоговыми и цифровыми чипами, установленными на платах с двух сторон баррельной части и по внешнему радиусу торцевых частей. На рис. 5 (см. 3-ю стр. обложки) показан внешний вид бар-рельной части со смонтированной считывающей электроникой.
ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИЯМИ СЧИТЫВАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Контролировать и управлять конфигурациями считывающей электроники позволяет система сбора данных DAQ (Data Acquisition system). Система DAQ также управляет записью экспериментальных данных — информации о straw, давших сигнал, в итоговое файловое хранилище. Такие данные называются данными физических событий. Для получения данных событий эксперты должны задать конфигурации считывающей элек-
48
Sensors & Systems • № 6.2011
Иллюстрации к статье Р. Ю. Машинистова, А. П. Шмелевой, Ю. А. Чернышева
"СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЕТЕКТОРА TRT В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ATLAS НА БОЛЬШОМ АДРОННОМ КОЛЛАЙДЕРЕ"
МЮОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
АДРОННЫЙ КАЛОРИМЕТР
ЖИДКОАРГОНОВЫЙ КАЛОРИМЕТР
ДЕТЕКТОР SCT ДЕТЕКТОР TRT
Детектор TRT
ТОРОИДАЛЬНЫЕ МАГНИТЫ
СОЛЕНОИДАЛЬНЫЙ ПИКСЕЛЬНЫЙ
МАГНИТ ДЕТЕКТОР
Рис. 1. Схема экспериментальной установки ATLAS
R = 1082 мм
Детектор SCT
R = 554 мм R = 514 мм
R = 443 мм
R = 371 мм
R = 299 мм,
Пиксельный^ = 88255мммм
Детектор TRT
Детектор SCT
а» Пиксельный Детектор
Детектор |r = 50.5 мм
R = 0 мм L——
Рис. 2. Баррельная часть детектора TRT
13Э1299 9 1091'5 934 8АГ
495
400,5
SCT end-cap TRT end-cap Рис. 3. Торцевая часть детектора TRT
Пиксельный
детектор
end-cap
z = 0 мм
Пиксельный детектор barrel
Рис. 5. Внешний вид баррельной части детектора TRT
троники. Рядовые пользователи, а также большинство экспертов не взаимодействуют напрямую с экспериментальной установкой и считывающей электроникой. Вместо этого происходит взаимодействие с базой данных системы DAQ, которая включает в себя таблицы, хранящие данные за все время использования (таблицы истории), а также буферные таблицы. Конфигурации, которые были использованы при получении данных событий, называются данными условий и хранятся в таблицах истории. Буферные таблицы используются для считывания данных условий, а также для создания новых конфигураций [7].
При обработке сигналов, полученных с более чем 400 000 каналов данных с частотой в 36 ч, выполняются операции калибровки и выравнивания. Эти операции связанны с уникальностью каждого канала данных. При этом для каждого straw
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.