Управления оптическими модулями проектируемого байкальского глубоководного нейтринного телескопа нт1000
| Вид материала | Реферат |
- Программа 7-й международной конференции по тектонике плит им. Л. П. Зоненшайна «Общие, 378.17kb.
- Метеороиды солнечной системы главный пояс астероидов, 152.77kb.
- Природно-климатические особенности байкальского региона для устойчивого развития туризма, 303.39kb.
- Программа предрофильного элективного курса по математике для классов естественно-математического, 34.98kb.
- Уравнения с модулями начинают изучать с 6-го 7-го класса, где проходят азы операций, 72.83kb.
- Программа элективного курса предпрофильной подготовки «Величие графиков уравнений, 66.52kb.
- Матеріал розробила Гордієнко Марія Григорівна, учитель вищої категорії Вельбівської, 217.41kb.
- Программа : Обучение на степень магистра состоит из 12 обязательных модулей, 6 из которых, 274.31kb.
- Внимание! Акция спец. Цена, 24.52kb.
- Приложение к журналу «вопросы философии», 8961.28kb.
Московский физико-технический институт
(государственный университет)
Факультет проблем физики и энергетики
Кафедра фундаментальных взаимодействий и космологии
Система управления оптическими модулями проектируемого байкальского глубоководного нейтринного телескопа НТ1000
Выпускная квалификационная
работа на степень бакалавра
студента 481 гр.
Кулешова Д.А.
Научный руководитель
Старш.науч.сотр. ИЯИ РАН
к.ф.-м.н.
Айнутдинов В.М.
ИЯИ РАН, г. Москва,
2008 г.
Содержание
Введение
1. Экспериментальный стринг
2. Компоненты системы управления оптическими модулями
Разработка шины управления – RS485
Линия передачи данных – Ethernet
Электроника оптического модуля
3. Развёртывание экспериментального стринга на оз. Байкал, отладка системы управления
4. Первые экспериментальные результаты
Заключение
Введение
Нейтринная астрофизика исследует Вселенную, регистрируя потоки нейтрино. Метод глубоководного детектирования нейтрино, впервые предложенный в 1960 году М.А.Марковым [1], основан на регистрации черенковского излучения заряженных частиц (релятивистских мюонов либо электромагнитных или адронных ливней), образующихся в результате взаимодействия нейтрино в грунте или в эффективном водном объёме детектора. Этот метод открывает возможность создания глубоководных установок с эффективной площадью до 105 - 106 м2 и эффективным объёмом до 107 - 109 м³, необходимых для регистрации природных потоков нейтрино высоких энергий, пришедших из дальнего космоса (нейтрино высоких энергий бывают и другого происхождения – они рождаются в околоземном пространстве при взаимодействии космических лучей с атмосферой планеты). Определяя их направление движения и энергию, можно получить массу информации об активных ядрах галактик; о взрывах очень массивных звёзд, в результате которых образуются чёрные дыры; о сверхновых звёздах и распаде массивных реликтовых частиц, родившихся на ранних этапах образования Вселенной.
В отличие от подземных детекторов, эффективная площадь и эффективный объём глубоководных установок зависят от интенсивности источника черенковского излучения и от оптических параметров среды и могут существенно превышать геометрические размеры детектора.
Байкальский нейтринный детектор был задуман в 1979 году М.А.Марковым, академиком-секретарём отделения ядерной физики Академии наук, а А.Е.Чудаков обратил внимание на то, что наличие прочного льда на озере Байкал в течение почти 2-х месяцев дает возможность сравнительно просто проводить работы по развёртыванию глубоководной установки, и с начала 80-х годов на озере Байкал ведутся эксперименты по глубоководной регистрации мюонов и нейтрино.
Первая очередь нейтринного детектора (NT-36) – три вертикальных стринга с 12 оптическими модулями (ОМ) на каждом – заработала под водой в апреле 1993 года. В этом же году к поиску нейтрино подключились американцы – детектор AMANDA [3] они решили разворачивать в Антарктиде на американской станции Амундсен - Скотт.
В Европе с середины 90-х тоже было начато строительство сразу трёх аналогичных установок для регистрации нейтрино высоких энергий – ANTARES (Франция) [5], NEMO (Италия) [6] и NESTOR (Греция) [4].
Рис. 1. Глубоководный телескоп НТ200+.
На сегодняшний день Байкальский нейтринный телескоп (НТ200+) представляет собой конструкцию с 8 вертикальными гирляндами – стрингами, на которых расположено 192 оптических модуля (НТ200) [8]. Модули находятся друг от друга на расстоянии примерно равном длине поглощения света в байкальской воде. Отдельно от неё (на расстоянии 100 метров от центра) висят три дополнительных стринга с 12 ОМ на каждом (НТ+). Эти стринги дали детектору возможность поиска каскадов от нейтрино сверхвысоких энергий. Нейтринный телескоп, состоящий из объединенных НТ200 и НТ+, получил название НТ200+.
Основная проблема состоит в том, что для гарантированной регистрации нейтрино с энергиями свыше 100 ТэВ требуются детекторы с чувствительным объёмом не менее 1 км³ (чувствительный объём самого большого детектора AMANDA составляет всего 0,015 км³). Поэтому все созданные на сегодня подводные и подлёдные установки являются лишь маленькими прототипами.
Первыми к постройке кубокилометрового детектора устремились американцы: в 2002 году было решено создавать на базе AMANDA супердетектор из 80 стрингов по 60 оптических модулей на каждом. Этот проект получил название IceCube [7]. На сегодняшний день в лёд Антарктиды вморожена примерно половина модулей. Полностью IceCube будет готов к 2011 году.
Средиземноморские проекты будут развиваться в том же направлении, но с некоторой задержкой – не решён вопрос с местом развёртывания установки. Каждая из стран участниц (Франция, Италия и Греция) хочет, чтобы место было выбрано около её берегов. Так же заторможено финансирование проекта, пока американцы не начнут получать со своего IceCube действительно интересные данные.
В настоящее время на базе байкальского нейтринного детектора НТ200+ начата деятельность по разработке нового проекта – Гигатонного Детектора на оз. Байкал (предварительно названного НТ1000). В этой установке планируются существенные изменения в регистрирующей системе, в конфигурации установки и системе управления оптическими модулями, о которой пойдёт речь в данной дипломной работе.
Рис. 2. Схема Гигатонного Детектора НТ1000.
Детектор включает в себя 91 стринг по 12 OM на каждом и содержит 1308 модулей. Эффективный объем для регистрации каскадов с энергией свыше 100 ТэВ составляет от 0,5 до 1 км³, порог регистрации мюонов 10 - 30 ТэВ.
Элементарным звеном НТ1000 является стринг, выполненный по “новой технологии”: новые оптические модули на основе 12” ФЭУ XP1807, система регистрации на основе Flash-ADC и модернизированная система управления и сбора данных.
Основными задачами, которые нужно было решить в процессе разработки прототипа нового стринга для телескопа НТ1000, являются:
- оптимизация конфигурации стринга.
- разработка новой электроники и кабельных коммуникаций регистрирующей системы.
- подбор и тестирование комплектующих стринга.
Целью дипломной работы является разработка и проверка в режиме реального эксперимента системы управления новыми оптическими модулями.
Задачи работы:
- разработка и тестирование подводной шины управления RS-485 и линии передачи данных Ethernet для экспериментального стринга глубоководного нейтринного телескопа НТ1000.
- монтаж, настройка и тестирование компонентов управляющей электроники ОМ экспериментального стринга.
- настройка и отладка системы управления ОМ во время установки экспериментального стринга в экспедиции 2008 года.
Прототип нового стринга (экспериментальный стринг) был включён в состав детектора НТ200+ в ходе экспедиции весной 2008 года.
Рис. 3. Экспериментальный стринг в составе Нейтринного Телескопа НТ200+.
1. Экспериментальный стринг
Схема экспериментального стринга представлена на Рис. 4. Он включает в себя: 6 оптических модулей, РС-сферу, Flash-ADC сферу и матрицу.
Сигналы от ОМ передаются по отдельному коаксиальному кабелю на АЦП, где происходит их оцифровка и передача в компьютер. Компьютер проводит первую обработку и сжатие данных, а также управляет электроникой ОМ и матрицы по единой шине управления.
Временную и амплитудную калибровку сигналов от оптических модулей производят при помощи матрицы, в которой находятся 2 независимых светодиода. Свет от матрицы к оптическим модулям распространяется по отдельным оптическим волокнам, калиброванной длинны.
Для временной синхронизации данных экспериментального стринга и телескопа НТ200+ контроллер передачи данных Flash-ADC сферы посылает сигнал запроса, а блок электроники детектора вырабатывает сигнал подтверждения.
Подробные схемы основных узлов экспериментального стринга представлены на Рис.: 5,6,7,8.
Рис. 4. Схема Экпериментального стринга.
Аналоговые сигналы от 6-ти ОМ передаются по коаксиальным линиям на 8-ми канальную плату FADC (200 МГц, 12 бит). 2 канала FADC используются для измерения слабо усиленных сигналов от двух верхних ОМ.
Питание модулей (12 В) осуществляется по тем же коаксиальным линиям. С помощью блока управления питанием можно включать или выключать отдельные модули.
Передача данных от Flash-ADC сферы к PC-сфере, а так же управление питанием реализованы по локальной линии Ethernet.
Рис. 5. Схема Flash-ADC сферы.
Микро-PC, находящийся в компьютерной сфере, соединён с подводным контрольным центром телескопа НТ200+ по 2-проводной DSL-модем линии (скорость 2 Mbit, длина около 1 км).
Контроль и мониторинг параметров матрицы и оптических модулей осуществляется по шине медленной связи (интерфейс RS-485)
Сигнал запроса формируется контроллером FADC при срабатывании от 1 до 4 каналов стринга с окном совпадений от 10 нс до 1 мкс.
Рис. 6. Схема компьютерной сферы.
Контроллеры всех оптических модулей и матрицы подключены к шине управления. С их помощью происходит управление напряжением на ФЭУ, интенсивностью свечения и частотой светодиодов матрицы и модулей; а так же мониторирование в реальном времени шумов ФЭУ и других показателей электроники.
В проекте используются 2 вида ФЭУ: XP1807 (Photonis, 12”, Франция) и R8055 (Hamamatsu, 13”, Япония). Сопротивление делителя – 17 МОм, усиление – 3..5 x 107.
Рис. 7. Схема оптического модуля (ОМ).
В матрице находятся 2 независимых светодиода, которые можно включать с задержкой по времени друг относительно друга в интервале от 0 до 1000 нс. Это обеспечивает контроль всех временных сдвижек и построение однофотоэлектронного спектра оптических модулей.
Матричная сфера так же включает в себя низко шумящие DC-DC конвертеры для питания оптических модулей. Амплитуда шумов: ~3 мВ, что значительно меньше амплитуды однофотоэлектронного сигнала с ФЭУ.
Рис. 8. Схема светодиодной матрицы.
2. Компоненты системы управления оптическими модулями
Разработка шины управления – RS485
Исследуется функционирование шины (косы) управления в условиях водного контакта элементов цепи друг с другом, который происходит при использовании глубоководных разъёмов для подключения оптических модулей к PC-сфере. Выясняется зависимость параметров приёма/передачи сигналов по цепи с применением коаксиального кабеля, а так же отсутствия согласующего резистора. Оценивается возможность использования аналогичной косы для управления оптическими модулями проектируемого нейтринного телескопа НТ1000.
Интерфейс RS-485
Для осуществления управления оптическими модулями (ОМ) от удаленного PC очень удобным является интерфейс RS-485 [10]. Популярность данного интерфейса определяется невысокой стоимостью портов и кабелей, а также стабильностью использования в различных областях техники.
Логические уровни интерфейса имеют повышенные значения напряжений, что способствует улучшению помехозащищённости обмена данными, а так же позволяет реализовать длинные линии передачи данных.
-
Уровень логического < 0 >
Уровень логической < 1 >
Передатчик
От +5 до +12 В
От –12 до –5 В
Приёмник
От +3 до +12 В
От –12 до –3 В
Интерфейс RS-485 реализован на дифференциальных линиях связи. Его помехозащищённость очень хорошая. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Обычно применяется витая пара с волновым сопротивлением 120 Ом. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Линии RS-485 могут быть длиной до 1 километра.
Персональный компьютер обычно оснащён штатным контроллером интерфейса RS-232. Преобразовать RS232/RS485 позволяет осуществить его сопряжение с интерфейсом RS-485. На его базе удобно строить распределённые системы сбора данных и управления. Данная схема соединения была реализована в системе управления модулями экспериментального стринга.
Основные причины использования интерфейса RS-485:
- дешевизна кабельного хозяйства и реализации портов
- большой парк работающего оборудования, использующего этот стандарт
- длина линии до 1 километра
Использование интерфейса RS-485 для управления модулями подводного телескопа связанно с рядом особенностей:
Во-первых, в телескопе используются специальные глубоководные разъёмы, рассчитанные на использование коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. Данные разъёмы уже зарекомендовали себя в течении многих лет использования в телескопе, и было бы преждевременно от них отказываться. Поэтому вместо стандартной для RS-485 витой пары необходимо использовать коаксиальную линию.
Во-вторых, при больших расстояниях между управляемыми устройствами начинает проявляться эффект длинной линии: фронт сигнала, отразившийся в конце линии, может исказить текущий или следующий сигнал. Данная проблема решается включением в конец линии резистора с номиналом равным волновому сопротивлению линии (для поглощения волны). Но использование согласования в шине управления приведёт к повышению тока в линии, что негативно скажется на общем энергопотреблении стринга и, в случае разрыва линии, будет способствовать обильному электролизу воды.
В-третьих, как уже отмечалось выше, в конструкции глубоководных разъёмов есть недостаток: внешняя оболочка («земля») имеет контакт с водой, что может отразиться на функционировании интерфейса RS-485.
Для ответа на вопрос о возможности использования интерфейса RS-485 для управления оптическими модулями, с учётом вышесказанных особенностей, была создана коса управления.
Рис. 9. Внешний вид глубоководных разъёмов.
Коса управления
Рис. 10. Схема косы управления.
При создании косы использовался коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Общая длина косы – 150 метров.
Рис. 11. Стенд для тестирования линии медленной связи.
Для тестирования косы контакты 3 – 8 подключались к контроллерам, идентичным установленным в оптических модулях экспериментального стринга. Начало линии (разъём 1) соединялся с персональным компьютером через преобразователь RS-232/RS-485. Все разъёмы помещались в специальную кювету, в которую набиралась водопроводная вода (её сопротивление на порядок меньше сопротивления чистой байкальской воды).
Далее, для выявления перебоев связи, компьютером производился последовательный опрос каждого контроллера (спрашивался сетевой адрес либо скорость линии). Была подготовлена специализированная программа длительного автоматического тестирования, в которой можно было задавать количество циклов опроса и сетевые адреса опрашиваемых контроллеров. Во время тестирования косы производилось до 50000 циклов опроса каждого контроллера в течении нескольких часов.
Результаты
В результате длительного тестирования косы перебоев связи выявлено не было, вне зависимости от нахождения разъёмов в водопроводной воде и использования нестандартного кабельного хозяйства. Так же линия работала и без согласующего резистора на её конце, что говорит о высокой надёжности интерфейса RS-485.
Выводы
Изготовленная коса управления показала высокую надёжность работы в условиях, характерных для подводного телескопа, и может послужить макетом для создания шины управления оптическими модулями проектируемого нейтринного телескопа НТ1000.
Линия передачи данных – Ethernet
Тестируется линия передачи данных по каналу Ethernet (”быстрая” связь). Исследуется возможность использования нового глубоководного 2-х жильного кабеля (витая пара) для передачи данных между Flash-ADC и PC-сферой.
Передача данных от Flash-ADC сферы к PC-сфере, а так же управление питанием реализованы по обычному TCP/IP протоколу по локальной линии Ethernet. Предполагается использование в этих целях нового глубоководного 2-х жильного кабеля. Для проверки надёжности передачи данных был организован стенд, аналогичный используемому при тестировании линии медленной связи (RS-485).
Рис. 12. Стенд для тестирования линии передачи данных – Ethernet.
При тестировании между двумя компьютерами устанавливался канал передачи данных, по которому осуществлялся обмен файлами. Размер передаваемых файлов при этом варьировался от 128 байт до 1 ГБ.
Эксперимент проводился с двумя видами кабелей:
- 2-х жильный кабель (витая пара) с коаксиальными разъемами и разъёмами RJ-45
- коаксиальных кабель со стандартными глубоководными разъёмами
Схема подключения представлена на Рис. 13.
Рис. 13. Схема подключения кабелей при тестирования линии передачи данных – Ethernet.
Результаты
Передача данных по каналу Ethernet (4 жилы, 2 кабеля) на расстояния до 100 м возможна через разъёмы RJ-45, коаксиальные разъемы не обеспечивает необходимого уровня надежности.
При использовании коаксиальных кабелей со стандартными глубоководными разъёмами данные стабильно передаются со скоростью до 100 Mbit/s.(Передача данных производится по центральной жиле и экрану коаксиала).
Как и в случае с шиной управления, контакт экранов коаксиалов через воду не влияет на качество передачи.
Электроника оптического модуля
В ходе работы производился монтаж, настройка и тестирование компонентов электроники оптических модулей. Впоследствии созданные комплекты электроники были использованы в ОМ экспериментального стринга.
Комплект электроники ОМ состоит из трёх основных элементов: контроллера, высоковольтного блока и усилителя.
Контроллер ОМ
Рис. 14. Внешний вид платы контроллера оптических модулей и светодиодной матрицы.
Управление контроллером осуществляется с помощью подводного микро-РС по шине медленной связи (шине управления), с использованием интерфейса RS-485. Каждый контроллер имеет свой оригинальный сетевой адрес, который можно изменить. Адреса могут изменяться в интервале от 1 до 255, что даёт верхний предел количества контроллеров на одной линии. По умолчанию скорость обмена данными в линии 115200 бит/с, но в контроллере предусмотрено понижение скорости до 9600 бит/с для повышения надёжности связи. В прошивке контроллера зафиксированы и пронумерованы различные команды, которые может исполнить контроллер: установление и считывание значений высокого напряжения, порога шумов, напряжения питания и светодиодов; вывод температуры, скорости линии и др.. Для исполнения команды контроллером, компьютер должен обратиться к нему по адресу и назвать код команды. Обращение к нескольким контроллерам на линии происходит последовательно, так же, как и приём данных от них.
Для мониторинга шумов ФЭУ контроллер содержит вход счётчик шумов. С помощью команды «4» можно задать требуемый порог шумов по напряжению, а команда «115» позволит получить из буфера памяти число импульсов в секунду, превысивших порог.
Важной особенностью данных контроллеров является возможность гибкого управления двумя светодиодами. Для этих целей в контроллере предусмотрено 2 выхода управления LED1 и LED2. Командами «113» и «114» можно задать напряжение на первом и втором светодиодах соответственно. Команда «112» отвечает за задержку по времени включения второго светодиода относительно первого в нс. Минимальная задержка составляет 225 нс, а максимальная – 1000 нс. Так же можно задать длительность и частоту свечения.
Преимущество 2х светодиодов состоит в том, что с их помощью мы легко можем построить однофотоэлектронный спектр ФЭУ и проверить их диапазон линейности усиления. При построении однофотоэлектронного спектра мы ставим между светодиодами заданную задержку и выставляем на одном из светодиодов достаточно высокое напряжение, чтобы ФЭУ смог стабильно срабатывать от его света. Тогда на заданном временном промежутке мы сможем наблюдать сигнал от второго светодиода. Уменьшая напряжение на этом светодиоде можно добиться однофотоэлектронного сигнала ФЭУ. Диапазон линейности можно проверить, включая поочерёдно каждый светодиод и сравнивая их отдельные сигналы с суммарным сигналом 2х включённых светодиодов.
В процессе работы был произведён монтаж 22 драйверов светодиодов и кабельных коммуникаций ОМ.
Рис. 15. Драйверы светодиодов.
Высоковольтный блок (HV-блок)
Рис. 16. Внешний вид высоковольтного блока ФЭУ.
Рабочее напряжение на ФЭУ составляет около 1,5 кВ, поэтому в ОМ экспериментального стринга используется 2 типа таких источников:
- PHV 12-2.0K DC-DC converter Traco Power (производства Япония)
- VIP-2A (Иркутск)
Управление HV-блоком осуществляется контроллером. От него же на блок приходит питание 12 В. Значения выставленного на HV-блоке напряжения контроллер отображает в кодах: код от «0» до «4500» соответствует напряжению 0..2000 В для Traco Power и 0..2500 В для иркутских блоков. Данное представление напряжений не очень удобно, поэтому у HV-блоков есть мониторный выход, и контроллер может измерить реальное напряжение на ФЭУ. Мониторный вход контроллера при этом необходимо калибровать. Калибровка возможна только в одной точке, поэтому для большей точности эта точка берётся возле рабочего напряжения 1,5 кВ.
Усилитель
Усилитель используется для предусиления сигнала, поступающего с ФЭУ, а так же для разведения выходящего сигнала и питания модуля 12 В. У него имеется 2 выхода: прямой и инверсный с разными коэффициентами усиления. Усиление прямого выхода ~ 5, он предназначен для измерения сигналов до 100 фотоэлектрон (граница линейности спектрометрического канала). Инверсный выход может иметь 2 различных коэффициента усиления. Если сигнал от него идёт на счётчик шумов контроллера, то усиление ~ 8. Данное усиление используется в четырёх нижних ОМ экспериментального стринга. Но для того, чтобы расширить диапазон сигналов ОМ до 300 фотоэлектрон используются усилители, с усилением инверсного выхода ~ 1,5 (1й и 2й ОМ нового стринга). Поэтому два верхних модуля имеют по 2 линии передачи сигнала, которые взаимодополняют друг друга.
Все элементы электроники монтировались на материнской плате ОМ.
Рис. 17. Оптический модуль с установленной материнской платой.
Производились последовательное тестирование и калибровка электроники ОМ. В контроллере тестировались: величина управляющего светодиодами напряжения, пороги счетчика шумов ФЭУ, напряжения низковольтного питания ОМ, датчик температуры, система управления и мониторинга высоковольтного блока ФЭУ.
Результаты тестирования контроллеров ОМ
| Тестируемый параметр | Значение | Разброс значений параметров |
| Минимальный порог счетчика шумов ФЭУ | 30 мВ | 5 мВ |
| Максимальное управляющее светодиодами напряжение | 10.5 В | 0.2 В |
| Точность контроля установленного значения высоковольтного напряжения | 2% | 0.5% |
| Диапазон задержек сигналов светодиодов | 1000 нс | <10 нс |
| Шаг изменения задержек сигналов светодиодов | 100 нс | <10 нс |
3. Развёртывание экспериментального стринга на оз. Байкал, отладка системы управления
Развёртывание экспериментального стринга на оз. Байкал проводилось в начале апреля 2008 года. Крепёж ОМ стринга к кабель-тросу начинался от нижних, вверх смотрящих модулей, и заканчивался фиксацией блоков электроники стринга.
Важной особенностью процесса установки являлась «горячая» проверка системы управления ОМ срезу после его монтирования к тросу и незначительного погружения в воду. Для этого из КУНГа, в котором находился компьютер и система подачи питания на ОМ, производился опрос контроллера оптического модуля. При обнаружении обрыва связи или несоответствии получаемого ответа от контроллера со стандартными данными мониторинга можно произвести быструю замену неисправного модуля.
Данный подход к развёртыванию стринга может значительно сократить время доводки установки до рабочего состояния, если нет абсолютной гарантии в надёжности модулей и кабельных коммуникаций.
Рис. 18. Закрепление оптического модуля на кабель-тросе.
Рис. 19. Крепёж блока электроники экспериментального стринга.
4. Первые экспериментальные результаты
Первые испытания новой измерительной системы были проведены со светодиодной матрицей и лазерным источником света. Схема измерения со светодиодной матрицей показана на Рис. 20. На рисунке 21 показан пример события от светодиодной матрицы. В событии представлены сигналы на всех восьми каналах FADC: 6 сигналов отрицательной полярности соответствуют каналам с высокими коэффициентами усиления, два сигнала положительной полярности – каналам с низким коэффициентом усиления.
Рис. 20. Схема калибровки ОМ световыми импульсами от светодиодной матрицы.
Рис. 21. Пример события от светодиодной матрицы.
На Рис. 21. видно, что сигналы распадаются на три группы, с характерной задержкой между сигналами каждой группы около 100 нс.
Эта задержка примерно соответствует разнице в длинах кабелей ОМ: длины кабелей для 1-го и второго оптического модуля 20 м, 3-го и 4-го – 40 м, 5-го и 6-го ОМ – 60 м. Учитывая, что задержки световых сигналов, поступающих на оптические модули по оптоволокнам, одинаковые, полученные данные позволяют калибровать временные задержки измерительных каналов экспериментального стринга (определять т. н. временные сдвижки каналов). Таким образом учитывается различие в длинах кабелей и задержках сигналов с ФЭУ.
Тестирование экспериментального стринга проводилось также и в режиме засветки от калибровочного лазерного источника. Схема калибровки показана на Рис. 22.
Рис. 22. Схема лазерной калибровки ОМ.
Пример лазерного события представлен на Рис. 23.
Рис. 23. Пример лазерного события.
Лазерные данные используются для амплитудной калибровки каналов. На Рис. 23. видно, что максимальная амплитуда от лазера зафиксирована на 4-ом ОМ, наиболее близком вниз смотрящем модуле стринга. По мере увеличения расстояния от лазера амплитуды сигналов падают (3, 2, 1 каналы). На ОМ с ФЭУ смотрящими вверх (5 и 6 каналы), как и ожидалось, сигналы от лазера значительно меньше.
На Рис. 24. представлен пример сигнала от мюона, зарегистрированного на экспериментальном стринге. Соотношение времен прихода сигналов от разных каналов указывает, что мюон пришел из верхней полусферы. Данные, представленные по лазерным вспышкам и мюонным событиям, представлены после коррекции временных сдвижек, полученных по данным от светодиодной матрицы.
Рис. 24. Пример мюонного события, зарегистрированного экспериментальным стрингом.
Первые экспериментальные данные, полученные на новом стринге, показывают корректность работы его составных частей и установки в целом. На следующем этапе испытаний новой аппаратуры начаты работы по исследованию точности временной привязки сигналов в событиях, зарегистрированных на разных каналах FADC, и калибровке амплитудных каналов.
Для исследования точности временной привязки использовалась светодиодная калибровочная система, позволяющая генерировать пары световых импульсов, задержанных во времени друг относительно друга. Время задержки определяется задержкой запуска двух светодиодов. Пример события с парой задержанных на величину ~500 нс импульсов представлен на Рис. 25.
Рис. 25. Пример события от светодиодной матрицы с двумя сигналами, задержанными на ~500 нс друг относительно друга, полученного на одном из каналов FADC.
Для определения точности временной привязки определялась дисперсия (RMS) и среднее значение задержки между сигналами для каждого канала FADC. Полученные для пяти каналов предварительные результаты измерений представлены в таблице. Как видно из таблицы, разброс средних значений задержек для пяти каналов не превышает 0.5 нс, а среднее значение RMS задержек составляет величину около 1.5 нс.
Оценка точности временной привязки сигналов
-
Канал
Среднее значение задержки, ns
RMS, ns
2
497.45
1.40
3
497.15
0.80
5
496.75
2.80
6
497.00
2.65
7
497.20
1.05
Для амплитудной калибровки спектрометрических каналов измерялись одноэлектронные спектры фотоумножителей. Основная проблема проведения таких измерений – большой темп счета шумовых импульсов ФЭУ, не позволяющий надежно выделять одноэлектронные сигналы, генерируемые светодиодным источником света. Для подавления шумов ФЭУ использовалась калибровка в режиме подсветки ФЭУ двумя задержанными световыми импульсами. Первый импульс имел одноэлектронную амплитуду, амплитуда второго, задержанного сигнала, выбиралась на уровне 2…3 вольт, много большего амплитуды шумовых сигналов ФЭУ. Для измерения одноэлектронного спектра использовался первый импульс, второй сигнал служил для выработки триггера. Пример калибровочных сигналов показан на Рис. 26.
Рис. 26. Пример пары импульсов генерируемых светодиодной матрицей: одноэлектронного (калибровочного) и задержанного многоэлектронного (триггерного).
Пример измеренных по такой методике одноэлектронных спектров показан на Рис. 27.
Рис. 27. Пример одноэлектронных спектров фотоумножителей, измеренных со светодиодной матрицей в режиме подсветки парными задержанными сигналами.
Заключение
В ходе работы были получены следующие основные результаты:
- Проведены лабораторные испытания основных элементов системы управления экспериментального стринга: кабельных коммуникаций, контроллеров оптических модулей и светодиодной матрицы.
- Экспериментальный стринг установлен в оз. Байкал во время экспедиции 2008 года и включен на постоянную экспозицию в составе детектора НТ200+.
- Предварительные результаты обработки экспериментальных данных демонстрируют надежную работу всех основных узлов стринга, включая систему управления работой оптических модулей.
- Светодиодная калибровочная система контроллеров ОМ позволила оценить точность измерения времени регистрации сигналов ФЭУ: ~1.5 нс при частоте дискретизации FADC 200 МГц.
Список литературы
- M.A.Markov. On high energy neutrino physics. // Proc. 1960 Annual Int.Conf on High Energy Physics., (Rochester. 1960) p. 572-575.; М.А.Марков. Избранные работы, ИЯИ АН СССР, Москва 1988, т.1, стр.288-291.
- Ж.-А.М.Джилкибаев, Б.А.Шайбонов. Влияние оптических параметров среды на эффективность регистрации ливней высоких энергий в глубоководных экспериментах. Препринт ИЯИ – 1073/2002. Май 2002.
- E.Andres et al. The AMANDA Neutrino Telescope: Principle of Operation and First Results. Astroparticle Physics 13(2000) 1-20.
- B.Monteleoni et al. NESTOR a deep sea physics laboratory for the Mediterranean. Proc. of the 17th International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, (Neutrino 96) Helsinki, Finland, June 13 - 19, 1996
- Ph.Amram et al. The ANT ARES Project. Nucl.Physics В (Proc. Suppl.) 75A (1999) 415
- De Marzo C. // The Proc. of the 6th Intern. Workshop on Topics in Astroparticle and Underground Physics. Paris, France, 6-10 September 1999. P.433
- Balkanov V.A. et al // Proc. of the Intern. Conf. Neutrino-2002. Munich Germany.
- The Baikal Neutrino Telescope NT-200 (Proposal, eds C.Spiering, I.Sokalsky, 1992)
- В.Айнутдинов и др., "Байкальский нейтринный телескоп: статус,
результаты и перспективы развития'' Изв. РАН (серия физ.) т.71, вып.4, (2007). ПРНД=6*0.1=0.6
- А.А.Лапин. Интерфейсы. Выбор и реализация. Москва: Техносфера, 2005. – 168с.