Мюонный годоскоп УРАГАН

 

В 2002 году была начата разработка новой регистрирующей системы для верхнего координатного детектора. Старая система проектировалась для исследования редких событий и была не в состоянии обрабатывать полный поток атмосферных мюонов. Эти работы проводились при поддержке Департамента науки и промышленной политики Правительства г.Москвы и Московского комитета по науке и технологиям. В 2002 году была разработана структура новой системы регистрации, в 2003 году, совместно со специалистами НПО «ФОРМ», специализированная микросхема двухканального усилителя-формирователя и плата быстрого считывания на 16 каналов. В 2004 - 2006 годах на основе верхнего координатного детектора ДЕКОР-В был разработан и создан многоканальный измерительный комплекс УРАГАН (Установка для РАспознавания Грозовых АНомалий). При этом была изменена структура расположения стримерных камер в супермодулях: была уменьшена толщина пенопласта между плоскостями камер с 10 до 5 см. В результате был создан уникальный мюонный годоскоп, супермодули которого были последовательно введены в эксплуатацию в 2005, 2006 и 2007 годах.

 

1

Общий вид установки УРАГАН.

 

Годоскоп состоит из отдельных горизонтальных супермодулей, площадью 11.5 кв.м. каждый, расположенных на крышке водного черенковского детектора НЕВОД (173 м над уровнем моря). Каждый супермодуль состоит из восьми слоев газоразрядных камер, оснащенных системой внешних считывающих полосок-стрипов (2560 X + 2304 Y каналов в одном супермодуле) с шагом 1.0 см и 1.2 см в проекциях X и Y соответственно. Слои камер разделены пенопластовыми пластинами толщиной 5 см. Слой представляет собой сборку из 20 стримерных камер, каждая из которых состоит из 16 трубок квадратного сечения 9х9 кв.мм. и длиной 3.5 м, заключенных в один пластиковый корпус. Камеры работают в режиме ограниченного стримера, который обеспечен выбором специальной трехкомпонентной газовой смеси (аргон, углекислый газ и n-пентан) и соответствующим рабочим напряжением. Заряженные частицы (мюоны), проходящие через газовые камеры, вызывают стримерный разряд, который индуцирует сигналы на X и Y стрипах. Каждый супермодуль размещается на отдельной подвижной платформе, что позволяет менять положение супермодулей относительно друг друга и детектирующей системы черенковского водного детектора НЕВОД.

 

23
Супермодуль мюонного годоскопа УРАГАН и схема его устройства.


Система триггирования и сбора данных установки УРАГАН реализована как совокупность нескольких идентичных, независимых друг от друга подсистем супермодулей с четкой общей синхронизацией по календарному времени. Таким образом, скорость сбора данных с установки определяется быстродействием системы одного супермодуля. Расширение установки легко достигается добавлением новых супермодулей, при этом возрастает статистическая обеспеченность суммарных результатов, а стабильность и идентичность работы супермодулей контролируется по величине отношения регистрируемых интенсивностей.

Управление потоком данных супермодуля и их первичная обработка осуществляются с помощью периферийной ЭВМ – промышленного компьютера с шинами расширения ISA и PCI. Каждая периферийная ЭВМ супермодуля может работать как автономно, так и в составе системы. Для сбора данных и генерации тестовых последовательностей используется плата цифрового ввода/вывода PCI 7200 ADLINK. Выделение событий и точный подсчет временных интервалов производится специально разработанным триггерным блоком.

Эффективность регистрации заряженной частицы одной плоскостью в основном обусловлена геометрией трубок (толщина стенок и т.п.) и составляет около 90 %. Наличие восьми двухкоординатных плоскостей позволяет, с одной стороны, организовать достаточно «мягкий» триггер, повышая тем самым эффективность регистрации, а с другой стороны, при реконструкции выбирать события только с прямыми треками, действительно соответствующими прохождению мюонов. Так, совпадение сигналов не менее четырех сработавших плоскостей из восьми с 99% эффективностью идентифицирует прохождение заряженной частицы через супермодуль.

Основным элементом системы сбора данных годоскопа является специально разработанная плата быстрого считывания, которая обеспечивает усиление, дискриминацию, формирование, хранение сигналов и последовательную передачу данных с 16 стрипов. Каждый супермодуль содержит 160 X и 144 Y считывающих плат и 8 кросс-плат для соединения линий сигналов и подачи питания. Триггерный сигнал плоскости формируется считывающими платами при срабатывании любого X-канала в данной плоскости. Условие выработки триггера для измерительной системы супермодуля – приход сигналов срабатывания по меньшей мере от четырех разных плоскостей в течение 300 нс. Средний темп счета одного супермодуля составляет около 1700 событий в секунду. Отклик супермодуля содержит информацию о срабатывании стрипов в обеих (X и Y) проекциях. Параметры треков (два проекционных угла) реконструируются в режиме реального времени и накапливаются в двумерном массиве в течение минутного интервала. Такой массив данных (матрица) представляет собой «мюонную фотографию» верхней полусферы с минутной экспозицией. Алгоритм реконструкции обеспечивает регистрацию мюонов с высоким пространственным и угловым разрешением (около 1 см и 0.8° соответственно) в широком диапазоне зенитных углов (от 0° до 84°). Для уменьшения ошибок реконструкции в рассмотрение принимаются только треки, прошедшие через верхнюю и нижнюю плоскости (т.е. треки, пересекающие все восемь плоскостей). Это условие уменьшает темп счета супермодуля примерно на 13%. Эффективность реконструкции событий более 90%; одноминутная матрица содержит примерно 8x104 реконструированных событий.

 

456

 

Более подробную информацию о мюоном годоскопе УРАГАН можно найти в следующих публикациях: