Метод разделения частиц в плоской жидкостной ионизационной камере по форме сигнала. Электроника отбора и приема данных тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

РГб ОД

13-94-233

/ Н ИЮЛ 1994

На правах рукописи УДК 539.1.074.22

КУЛИНИЧ Петр Алексеевич

1

МЕТОД РАЗДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ В ПЛОСКОЙ ЖИДКОСТНОЙ ИОНИЗАЦИОННОЙ

КАМЕРЕ ПО ФОРМЕ СИГНАЛА. ЭЛЕКТРОНИКА ОТБОРА И ПРИЕМА ДАННЫХ

Специальность: 01.04.01 — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1994

Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор А.II. Онучин

доктор физико-математических наук, профессор А.А. Тяпкии

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Институт физики высоких энергий (г. Серпухов)

Защита диссертации состоится года 1

_ часов на заседании Специализированного совета Д-047.01.03 при Ла

боратории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследова ний, г. Дубна Московской области. С диссертацией можно ознакомиться 1 библиотеке ОИЯИ.

Автореферат разослан " Я? " сасгйл 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

доктор физико-математических наук, профессор Ю.А. Батусс

L Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Развитие физики элементарных частиц, а ■акже ядерной физики во многом определяется существующими экспери-гентальными методами регистрации и возможностями быстрого приема шформации с детекторов. Сейчас широкое распространение получают детекторы на жидких инертных газах, благодаря их хорошей радиационной тойкости и хорошим энергетическому и пространственному разрешению. 1ля решения задачи идентификации частиц в одном зазоре жидкостной ио-изационной камеры (например в первом слое калориметра) было проведено сследование, результаты которого составляют основу диссертации.

Разработанные электронные блоки и программное обеспечение для их способствуют повышению эффективности приема информации с фи-ических установок и, в частности, дают возможность использовать стан-артные магнитные ленты с компьютерами типа IBM PC.

Цель работы, а) Разработка и экспериментальная проверка нового ме-ода dE/dx разделения частиц по массе путем анализа формы сигнала с дного зазора жидкостной однородной ионизационной камеры (ЖОИК). ) Создание электронной аппаратуры быстрого двумерного отбора событий, оследующего считывания информации с аппаратуры в стандарте КАМАК записи ее на магнитную ленту.

Научная новизна. Предложен новый метод разделения частиц в одном азоре ЖОИК путем анализа формы сигнала. Этот метод позволяет полу-ить несколько значений величины ионизационных потерь в одном слое.

Предлагается метод анализа нескольких значений dE/dx(i)me, даю-(ий лучшие результаты по сравнению с известным методом усеченного реднего.

Экспериментально изучен новый метод разделения заряженных ча-гиц в диапазоне (0.5-=-0.7)ГэВ/с.

Предложен и реализован метод нормировки значений dE/dx(i)mei с эмощью кумулятивных функций этих распределений.

Разработан программируемый блок двумерного анализа (ПБДА) на :нове быстродействующего АЦП. Он дает возможность быстрого (~100 не) гбора полезных событий при анализе 2-х параметров (Q или время).

Разработан, один из первых в стране, интерфейс IBM PC к контролеру КАМАК работающий как по каналу прямого доступа к памяти (ПДП), ак и по программному каналу.

Практическая ценность. Предложен, промоделирован и эксперименты«) проверен метод разделения частиц по массе (при известном импуль-:) в ЖОИК путем анализа формы сигнала. Он дает возможность использо-1ть один (толщиной несколько сантиметров) слой ионизационной камеры

(в калориметре) на жидких средах для разделения частиц. Задача изучалас в плане использования на устаповке КЕДР (г. Новосибирск).

Разработанный ПБДА дает возможность быстрого (~100 не) отбор полезных событий при одновременном анализе 2-х параметров. Это могу быть заряд, ампитуда или время, что позволяет его использовать во мне гих задачах. Разработанное программное обеспечение дает возможность бы строй и наглядной процедуры создания нужной "маски" для отбора событи на двумерной гистограмме. Помимо описанных примеров применения бло использовался в других группах ОИЯИ.

Разработанный интерфейс IBM PC к контроллеру КАМАК позволяв' работать по каналу ПДП в режиме прерываний, что существенно повыша ет скорость приема и обработки данных. Блоки использовались в разны группах ОИЯИ.

Разработан контроллер магнитофона типа ЕС 5012, который може' быть подключен к ЭВМ типа "СМ-4", "Электроника-60", IBM PC. Контрол лер выполнен на одной плате. Он использовался в разных группах ОИЯИ.

Разработан один из широко распространенных интерфейсов накопите ля на магнитной ленте (НМЛ) СМ 5309(06,08) для IBM PC. Интерфейс вы полнен на одной плате конструктива ПЭВМ. Заложена возможнось полног автономного (без магнитофона) самоконтроля с диагностикой неисправног узла. Интерфейсы используются в ОИЯИ и различных институтах.

Разработано программное обеспечение на IBM PC для всех упомяну тых блоков (имеются программные средства для работы по прерыванию^ а также тестовые программы; для магнитофонов написаны программы ар хивации файлов с дисков.

Наиболее существенные результаты, представленные автором:

1. Предложен новый метод разделения частиц по массе в ЖОИК путе] анализа формы сигнала с одного зазора для многократного измерени dE/dx.

2. Написана программа моделирующая распределение ионизации в зазс ре камеры и последующий процесс съема сигнала и его обработки дл многократного измерения dE/dx с учетом шумов зарядочувствител! ного предусилителя.

3. Изучено влияния краевых эффектов на форму тока в камере.

4. Предложен новый алгоритм обработки полученных нескольких знач< ний dE/dx(i)mes для улучшения идентификации частиц.

5. Предложен метод нормировки значений dE/dx(i)mel в разных кваз1 слоях, необходимой при небольшом времени жизни свободных эле1 тронов.

6. Проведено моделирование экспериментальной установки для проверки метода анализа формы сигнала.

7. Создана программа обработки экспериментальных данных и проведен их анализ.

8. Разработаны и изготовлены электронные блоки: для быстрого отбора событий по результатам анализа двумерного спектра, интерфейс IBM PC для контроллера КАМАК, два интерфейса магнитофонов, а также программное обеспечение к ним.

Апробация работы и публикации. Диссертация написана на основе аучных работ, выполненных с участием автора в ЛЯП ОИЯИ, в ИФВЭ Протвино), в Милане (Италия) и ЦЕРНе за период с 1987 по 1994гг. Основные результаты диссертации докладывались на 6-ом совещании по но-ым детекторам в Пизе (Италия), семинарах Лаборатории ядерных проблем •ИЯИ, а также опубликованы в виде 2 сообщений ОИЯИ [1,2], 2 препринтов •ИЯИ [6,7], 3 журнальных статей [3,'4,5].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, яти глав, заключения и содержит 72 страницы текста, включая 4 таблицы, В рисунков и список цитируемой литературы из 40 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформули-ованы цели работы и описывается структура диссертации.

В первой главе приведено общее описание предложенного метода ана-иза формы сигнала с одного зазора камеры для получения нескольких зна-эний dE/dx, и предложен метод гибкого отбора для улучшения разделения астиц по массе. Приводятся результаты моделирования сбора и обработки 1гнала с учетом шума предусилителя.

Обычно жидкостные детекторы состоят из плоско-параллельных ио-язационных камер, что позволяет использовать амплитудную информацию последовательных слоев для dE/dx анализа. Такая дополнительная воз-ожность разделения частиц по массе (при известном импульсе) позволяет гщественно улучшить параметры установок. Но в случае широких зазоров ежду высоковольтным и сигнальными электродами полная толщина веще-гва становится довольно большой, что проявляется в повышенном влиянии юрных взаимодействий.

Обычно быстрая электронная компонента сигнала с ионизационной шеры интегрируется малошумящим зарядочувствительным предусили-;лем, а затем сигнал с его выхода подается на аналоговый усилитель-

^чооо

z

800

600 400 200 О

1 P=0.7GeV/c. L=4cm ^

: л ! К

= J к;

EkisT 100

Amplitude (mV)

. е;)5Т25 50

dE/dx^ (a.u.)

Рис. 1: а) Вычисленные амплитудные спектры на выходе предуснлителя для 7Г-к-мезонов (Р=0.8 ГэВ/с) в 4 см зазоре жидкокриптоновой камеры. Ь) ¿Е/(1х,е1 спе! тры средних значений ионизации после исключения участков трека с энергичным ¿-электронами.

формирователь. Амплитуда выходного сигнала с интегрирующего предуа лителя (ИП) пропорциональна полному собранному заряду свободных эле] тронов (возникших при ионизации и не рекомбинировавших позднее). Но он лишь приблизительно пропорциональна полному заряду свободных электр< нов, возникших в зазоре камеры.

Проблема идентификации частиц по массе, при использовании ¿Е/о информации, связана с заметным вкладом ¿-электронов в ионизационные ш тери частиц. Дополнительная ионизация вызванная энергичными бе- дас заметный вклад в сигнал камеры, характеризующийся проявлением заменой неоднородности в плотности ионизации вдоль трека. Наличие длинно1 правого хвоста (как в распределении Ландау) в спектре ионизационных т терь (Рис. 1а) является следствием редкого появления энергичных ¿е-. Д; получения несмещенной оценки наиболее вероятных ионизационных потер непосредственно самой частицей, необходимо как-то исключить вклад т< слоев внутри зазора камеры, которые имеют значительную дополнительну ионизацию от ¿е-. Среднее значение (IЕ{Ах,С1 в оставшихся частях зазо| будет иметь более узкий и симметричный спектр (Рис. 1Ь) и, следовател но разделение частиц с близкими по величине ионизационными потерям упростится.

Рис. 2: а) Полные {Етах > Ттах) и ограниченные (Етах — 0.1, 2.0 МэВ) энергетические потери пионов и каонов в жидком криптоне. Ь) Относительная разность эграниченных энергетических потерь для пионов и каонов 1ЮЕ.

Для количественной оценки разницы в энергетических потерях двух гипов частиц, при фиксированном импульсе можно использовать относительную разность этих величин: Я БЕ = 1 - Е2)/МШ{Е1, Е2). На Рис. 2а показаны полные и ограниченные энергетические потери, которые 1е учитывают вклад ¿-электронов с энергией выше некоторого порога Етах. Соответствующие графики для ЯБЕ^ и относительной разницы ограни-1енных потерь КОЕг,г для двух значений пороговой энергии ¿-электронов Етах=0Л, 2.0 МеУ) показаны на Рис. 2Ь.

Исключение вклада ¿-электронов с энергией больше сотен КэВ позво-1яет улучшить разделение частиц при низких импульсах (левее минимума Ч-БЕт), но при более высоких значениях импульса разделение становится :уже. При низких значения Етах график приближается к

1то позволяет улучшить селектирование частиц при больших импульсах, [о для этого надо иметь аппаратные возможности для выделения вклада [изкоэнергичных ¿-электронов.

Чтобы нагляднее описать предлагаемый метод, рассмотрим следую-цие примеры иллюстрации работы камеры и ИП (в случае бесконечного ¡ремени жизни свободных электронов тс).

При локальной ионизации (как в случае низкоэнергичного 7-кванта) Рис. За,Ь), выходной ток с камеры и сигнал с выхода ИП показаны на

Таблица 1: Энергетические потери ж- и к- мезонов, а также значения энергии, плотности и пробега возникающих ¿е-.

Р Т А таг т4е_ сШ/<1х

ГэВ/с МэВ/см МэВ МэВ 1/ см мм

>10 6.8Е-4 >22.

7Г 0.5 3.44 12.77 >4 1.5Е-2 >8.3

>1 13.Е-2 >1.7

к 0.5 4.85 1.04 >1 9.3Е-3 >1.7

>10 5.6Е-3 >22.

7Г 0.8 3.59 32.21 >4 2.6Е-2 >8.3

>1 15.Е-2 >1.7

>2 1.1Е-2 >3.9

к 0.8 3.76 2.67 >1 8.Е-2 >1.7

Рис. Зс,а.

При равномерном распределении ионизации в зазоре камеры (Рис. 4а,Ь] соответствующие сигналы имеют вид как на Рис. 4с,(1.

При суперпозиции равномерного распределения ионизации и, например, двух локальных кластеров (Рис. 5а,Ь) соответствующие зависимости тока и выходного сигнала ИП показаны на Рис. 5с,<1. Основной характерной особенностью этого случая является наличие "ступенек" в графике тока камеры.

Эта иллюстрация позволяет найти очевидный метод распознавания случаев с большой локальной ионизацией на фоне равномерной. Для этого достаточно дважды "продифференцировать" выходной сигнал с ИП, в результате чего можно получить приблизительную картину распределения ионизации ¿Е^х в зазоре (с учетом влияния шумов ИП).

В Таблице 1 приведены значения вычисленных средних энергетических потерь, максимальная энергия и плотность ¿-электронов ((Ш/йх) а также их практический диапазон (Др) в жидком криптоне для двух типов налетающих частиц.

Была написана программа которая моделирует ионизационные потери соответствующие ограниченным энергетическим потерям заряженных частиц (постоянная часть) и возникающих энергичных ¿-электронов (переменная часть). При вычислении выходного сигнала ИП использовался специально подобранный програмный "генератор электронного шума".

Для его создания был использован следующий подход. Шумовые свой-

ис. 3: Формы токового сигнала (с) на входе интегрирующего предусилителя и входного сигнала с него в случае локальной ионизации в задоре плоской иони-ционной камеры (а, Ь).

ис. 4: Такие же сигналы (с, с1) в случае равномерного распределения ионизации в зоре (а, 6).

не. 5: Такие же сигналы (с, с!) в случае суперпозиции равномерного распределения двух локальных кластеров ионизации (а, 6).

ства реального предусилителя (отношение ширины ADC спектра калибро вочного сигнала к его среднему значению) были измерены в нескольки: частотных диапазонах, выбранных в соответствии с ожидаемым временем дрейфа электронов в 2 см зазоре. В качестве полосового фильтра использо вался аналоговый формирователь с квази-гауссовой характеристикой с пе реключаемыми временными параметрами. Затем программный генерато] шума подбирался таким образом, чтобы получить такие же отношения шу ма к сигналу на выходе программной модели аналогового формирователя i тех же частотных диапазонах (с такими же временами формировки как и ; реального формирователя).

При моделировании были приняты следующие приближения:

- треки налетающих частид перпендикулярны плоскости камеры, и прохо дят далеко от краев сигнальных электродов;

- интенсивность процессов рекомбинации везде одинакова;

- время жизни свободных электронов (тс) бесконечно большое;

- длительность переходной характеристики ИП мала.

Программа моделирования разыгрывала яг- и к- "мезоны" с одинаково] "интенсивностью". Вычисления проводились для четырех значений импуль са частиц: 0.5, 0.6, 0.7 и 0.8 ГэВ/с. Величина сигнала на выходе ИП вычи слялась для последовательных моментов времени отстоящих на dt=20 не Затем "сигнал" оцифровывался с помощью модели реального FADC.

Набор (N, = Tir/dt) значений оцифрованного сигнала во время дрей фа разделялся на несколько последовательно расположенных групп (Nfr -5^10), в каждой группе подсчитывалась сумма значений всех "измерений" Эти величины использовались для дальнейшего анализа - цифрового диф ференцирования. В результате первого вычитания между соседними груг нами получался набор (Nfr — 1) значений "тока". После второго вычитани получалось (Nfr—2) значений dE/dx(i)me„ соответствующих эффективном количеству квази-слоев N4S — {Nfr — 2) внутри одного-зазора. Эти значенн dE/dx(i)mc, для одного события различны между собой как из-за влияни ¿-электронов, так и за счет влияния шумов предусилителя.

В качестве характеристики разделения спектров использовалось знг чение Р00%, равное процентному отношению числа "пионов" (левы спектр) со значением величины пропорциональной усреднении ионизаш онным потерям выше некоторого порога Ек15, к полному числу событий этом спектре. Значение порога Ек1Ь выбиралось так чтобы левее него лежг ло 15.83% событий "каонного" спектра (Рис. 1а,Ъ).

Для извлечения информации о массе частицы с известным импульсоь при наличии нескольких измерений dE/dx(i)me„ обычно используют мето "усеченного среднего" (УС). Качество разделения частиц при использов;

нии этого метода зависит от количества измерений Ni}, и при малом N4g ухудшается. Эта зависимость была проанализирована в нашем случае путем усреднения 2 и 3 наименьших значений dE/dx(i)mcs.

Был испытан другой метод гибкого отбора (ГО), когда в усреднении использовалось различное число наименьших значений dE/dx(i)mes. Следующая формула показывает как находилось это число Nmn для вычисления среднего dE/dx,ei:

Nmn = N„ - I FIX {к, ■ {N„ - 1) • (dE/dxmar - dE/dxmin)/dE/dxmin}

где dE/dxmax и dE/dx^n соответственно максимальное и минимальное значения dE/dx(i)mes (при этом Nmn >1).

Десять значений коэффициента к, использовались каждый раз при анализе. Оптимальное значение коэффициента к, определялось путем анализа результатов при всех 4 рассматриваемых импульсах для каждого рассматриваемого случая разбиения на число Ngr квази-слоев. Для различных вариантов разбиения на квази-слои оптимальные значения коэффициента к, различаются между собой.

На Рис. 6а,b показаны распределения Nmn для пионов и каонов при оптимальном значении ка. В диапазоне импульсов (0.5-=-0.8)ГэВ/с этот метод гибкого отбора дает лучшее разделение ж- и к- мезонов чем метод усеченного среднего.

Расчеты проводились, в основном, для двух вариантов геометрии ионизационной плоской камеры на жидком криптоне: первый - с 2 см зазором и временем дрейфа Tdr—Q.Q мкс; второй - с 4 см зазором и Tjr=13.2 мкс. Был введен коэффициент kw равный отношению числа электронов возникших при ионизации к числу не рекомбинировавших электронов. Вычисления проводились для двух его значений: = 1.25 (80% собирание заряда) и для кю= 3.0 (33% собирание заряда). Последний случай рассматривался как соответствующий использованию неочищенного криптона. Большинство приведенных результатов получены при использовании модели реального 10-битного FADC с интегральной и дифференциальной нелинейностью ±1/4 MP (младшего разряда).

При использовании метода ГО с переменным числом Nmn качество разделения спектров частиц иллюстрируется на Рис. 7а. Результаты расчета для случая использования неочищенного криптона (kw= 3) показаны на Рис. 7Ь. Видно, что возможность разделения частиц сильно ухудшается.

Улучшение разделения частиц может быть получено либо при снижении уровня шумов, либо при уменьшении влияния рекомбинации (путем очистки), либо при увеличении толщины ионизационной камеры - то есть при увеличении числа квази-слоев Nmn без изменения их толщины.

8 10 №

Рис. 6: Спектр числа наименьших значений йЕ/¿х({)те, использованных при вычислении среднего значения - ¿Е/Лх,^ методом гибкого отбора при оптимальном значении коэффициента к, а) - для пионов; 6) - для каонов. Р=0.7 ГэВ/с, Ь=А см, Л^г=7, кш=1.2.

Рис. 7: Расчетное разделение (я- — к) спектров (РОО%) для оптимальных значенш коэффициента к, при использовании метода гибкого отбора. Ь=2 см, Т<|г=6.6 мкс 10-битный РАПС с нелинейностью ±1/4 МР, а) *ш=1.2; 6) кш= 3.0 (80% и 309 сбор заряда).

Рис. 8: Расчетное разделение (г—к) спектров (Р00%) для оптимальных значений коэффициента к, при использовании метода гибкого отбора. Ь=4 см, 7л-=13.2 мкс, ¡г„=1.2, а) 10-битный ГАБС с нелинейностью ±1/4 МР, 6) 8-битный РАйС с телипейностью ±1/4 МР.

В случае "реального" уровня шумов, при увеличении толщины зазора камеры до Ь=4 см разделение частиц становится лучше (Рис. 8а).

Для 8-битной модели реального РАБС с нелинейностью ±1/4 МР ре-(ультаты на Рис. 8Ь лишь слегка отличаются от аналогичных результатов хпя 10-битного РАБС.

При моделировании значение времени дрейфа электронов (при бес-юнечно большом те) менялось в диапазоне ±30% - заметных изменений в $еличинах РОО% при этом не было обнаружено.

"Выключение" радиоактивного /?-распада 85Кг дало незначительное улучшение в Р00% (порядка 5%).

Моделирование было проведено так же для случая использования сиг-хала с одного электрода с двойным дрейфовым промежутком, когда сигналы : двух зазоров камеры накладываются друг на друга. При этом происходит увеличение величины сигнала, но информация о его "структуре" фактиче-:ки теряется. На Рис. 9 приведены результаты расчета для этого случая.

Описанный метод анализа формы сигнала с целью исключения влития энергичных ¿-электронов позволяет улучшить разделение частиц по лассе при относительно небольших значениях импульса. Предсказанное разделение т- и ¿-мезонов с импульсом 0.8 ГэВ/с в 4 см камере с жидким кри-

tc 50 о 45 ^ 40

L-(2>2) cm

Рис. 9: Расчетное разделение (эт — к) спектров (Р00%) для оптимальных значений коэффициента к, при использовании метода гибкого отбо-

35 30 25 20 15 10 5 0

0.5

pa. L=(2х2)см, Т^г= 6.6 мкс, кш = 1.2,

10-битный FADC с нелинейностью ±1/4 MP (двойной зазор).

0.6 0.7 0.8 ' Р (Gev)

птоном составляет около 2а. При более высоком импульсе этих же части отношение сигнала к шуму предусилителя не позволяет достичь этого ypoi ня из-за малого значения RDEr,t.

Во второй главе описывается программируемый блок двумерного анг лиза на основе быстродействующего FADC и пример его использования.

Современные физические установки характерны значительно возрос шим объемом информации, которая должна быть передана в ЭВМ. Для сш жения объема записываемой на магнитную ленту информации необходим производить отбор событий по заранее заданным критериям до их запиа Описываемый блок предназначен для преобразования в код двух входны параметров (Qex или времени) и выработки логического сигнала, налич! которого определяется содержимым памяти. Блок состоит из двух канало работающих в диапозоне до ~100 пКл. Блок содержит микросхему 03. К500РУ415 и два быстрых 6-ти разрядных FADC К1107ПВЗБ прямого npi образования с выходом э.с.л. Оцифровка входных параметров и, тем самьп задание адреса ОЗУ осуществляется с помощью FADC. Микросхема 03. заполняется и может быть прочитана ЭВМ через КАМАК. Число уровне квантования каждого из двух параметров 25. Для калибровки и контрой блока имеется возможность считывать в ЭВМ содержимое обоих регистре

Если на вход IN любого канала включить встроенный генератор тока, 1 он будет работать как преобразователь время—»код.

FADC.

Каждый канал делает преобразование заряда в код (Q —»-код),

Стоп

| Блок характеризуется малым временем решения ~100 не, а также небольшим временем восстановления ~350 не (во время которого выдается сигнал Busy). Блок выполнен в стандарте КАМАК, размер модуля 1 М.

Блок выполняет следующие команды КАМАК:

NA(0)F(0) - чтение памяти с последующим инкрементом адреса;

NA(1)F(0) - чтение регистров двух FADC;

NA(0)F(24) - сброс FADC и счетчика адреса в "О", блокировка стартовых сигналов;

NA(0)F(26) - разблокировка стартовых сигналов;

NA(0)F(16) - запись в память с последующим инкрементом адреса.

Описывается организация триггера на базе двух ПБДА для выделения процесса образования кумулятивных протонов на установке СИГМА-АЯКС. Селектирование кумулятивных протонов и пионов по массе производилось на основе анализа времени пролета и кинетической энергии частиц. Для подавления фона случайных запусков использовался второй блок, анализирующий времена пролета частицы через два сцинтилляционных счетчика, расположенных на разных расстояниях от мишени. Использование ПБДА на основе быстродействующих FADC позволило осуществить функции триггера второго уровня за время порядка 100 не и уменьшить количество запусков устаповки в 5-ИО раз.

В третьей главе описывается интерфейс IBM PC для контроллера КАМАК. В ЛЯП ОИЯИ были разработаны интерфейсы к различным ЭВМ (серии DEC), состоящие из двух блоков: собственно интерфейса ЭВМ (КЭ001 для "СМ-4", КЭ002 для "Электроника-60" по каналу ПДП, КЭ003 -по програмному каналу) и контроллера КАМАК - КК007. Последний является машинно-независимым и имеет три режима, два из которых блочные. Блок интерфейса IBM PC также разработан для совместной работы с контроллером КК007. При этом он может работать как в режиме программного обмена данными так и по каналу ПДП (в последнем случае используется контроллер ПДП 8237 имеющийся в ПК). Длительность цикла обмена соответственно 24 мке и 5.5 мке на слово 16 бит (измерения для IBM PC/XT). Блок может работать по прерыванию.

Интерфейс состоит из двух плат ИПКЛ и И ПК' 2, которые вставляются соответственно в свободный разъем расширения ПК и в крейт КАМАК. Платы соединяются кабелем из скрученных пар. Блок ИПК-2 соединяется также с контроллером КК007 с помощью дополнительной магистрали. К одному блоку ИПКЛ могут быть подключены последовательно цва блока ИПК-2.

Написано программное обеспечение на Ассемблере IBM PC для работы с блоком во всех упомянутых режимах и, в частности,'по прерыванию.

Подпрограммы вызываются из программ на языках FORTRAN-77 и Си.

В четвертой главе описываются микропрограммируемый контроллер НМЛ ЕС 5012-03 (с высокой скоростью обмена данными <96 кБайт/с) для подключения к ЭВМ серии DEC и IBM PC и интерфейс НМЛ типа СМ 5309 (а так же СМ 5306 или СМ 5308) к IBM PC. Предельная скорость передачи информации для накопителя СМ 5309, имеющего скорость протяжки ленты 1.14 м/с, при двух способах записи равна 36 Кбайт/с и 72 Кбайт/с (у модели СМ 5306 скорость ленты =2 м/с, у СМ 5308 =0.63 м/с). Оба блока позволяют выполнять набор стандартных операций с магнитофонами.

Контроллер включается совместно с интерфейсами ПДП (упомянутыми в 3-й главе): КЭ001, КЭ002 или интерфейсом ИПК для IBM PC. Контроллер магнитофона является микропрограммируемым устройством выполненным на элементах серии AM 2900 (1804), К589, К155, К573 по традиционной функциональной схеме. Микрокоманды длиной поля 48 бит записаны в 6 микросхемах ППЗУ К573РФ2 (или КР565РТ7). Выборка микрокоманд из ППЗУ осуществляется под управлением устройства микропрограммного управления. Микропрограмма отлаживалась с помощью специально разработанного блока ОЗУ, связанного с ЭВМ и подключаемого вместо микросхем ППЗУ. Отлаженная микропрограмма затем была записана в ППЗУ контроллера.

Интерфейс НМЛ типа СМ 5309 (СМ 5306 или СМ 5308) к IBM PC, подключается к НМЛ через форматер ИЗОТ 5004-С, поставляемый вместе с накопителем, и позволяет работать с плотностью записи/чтения данных 800 и 1600 Bpi. Интерфейс выполнен на одной плате конструктива IBM PC XT на основе двух БИС программируемого параллельного интерфейса КР580ВВ55 и микросхем серий ТТЛ средней и малой интеграции. Передача информации производится по каналу ПДП. Имеется возможнось полного автономного (без магнитофона) самоконтроля с диагностикой неисправного узла.

Для обоих устройств разработано программное обеспечение (в частности для работы по прерыванию) в виде пакетов подпрограмм нижнего уровня, тестовых программ и диалоговой системы архивации информации. Вызов подпрограмм производится из программ на языках (FORTRAN), FORTRAN-77 и Си для IBM PC.

В пятой главе приводятся результаты экспериментального изучения нового метода разделения частиц (тг-к) в диапазоне (0.5-г0.7)ГэВ/с путем анализа формы сигнала с жидкокриптоновой ионизационной камеры. Для получения ионизационных потерь соответствующих ¿-мезонам были использованы протоны с такой же скоростью ß. Детектор экспонировался на пионном и протонном пучках канала Т11 ускорителя CERN PS. Независимая идентификация пучковых частиц осуществлялась газовым черенков-

ким счетчиком и двумя сцинтилляциояными счетчиками, измеряющими ремя пролета (TOF). Многочастичные взаимодействия подавлялись с по-ющыо сцинтилляционного счетчика антисовпадений и путем анализа сиг-алов во втором ТО F-счетчике по амплитуде. Для этого был использован дин канал ПБДА. Второй канал ПБДА использовался для измерения вре-[ени пролета и отбора частиц по этому параметру.

Четыре сигнала с выходов ФЭУ ТОF-счетчиков подавались на дискриминаторы со следящим порогом а затем на преобразователи время-код Le-Croy 2228А) для последующего анализа.

С целью оценки примеси распадных мюонов в пионном пучке с им-[ульсом (0.5-гО.8)ГэВ/с было проведено моделирование с учетом параметров [спользованной установки. Результат моделирования дает оценку примеси 1юонов в событиях давших сигнал Триггер на уровне 2%, при этом харак-•еристики ионизационных спектров мюонов и пучковых пионов существенно ге отличаются.

Прототип жидкокриптонового калориметра состоял из последователь-гого ряда параллельных ионизационных камер размером 8х 12 см2 с зазором 1ежду высоковольтными и сигнальными электродами равным 2 см. Он погашался в криостат с внутренним объем 6.7 литра. Камеры были расположены перпендикулярно оси пучка. Электроды были сделаны из двухсторон-:его фольгированного стеклотекстолита FR4 (толщиной 0.5 мм), толщина [едной фольги 18 мкм. Всего было использовано 9 электродов попеременно одключенных к "земле" (5 сигнальных плоскостей) и к высоковольтному итанию (4 электрода). Первый и последний сигнальные электроды имели игнальные площадки размером 8x8 см2, а на остальных трех были сделаны игнальные полоски - стрипы шириной по 1 см. Два электрода имели парал-ельные стрипы с двух сторон и взаимпо перпендикулярные друг другу. На дном сигнальном электроде ортогональные стрипы (в направлениях х и у) ыли сделаны с двух сторон. Был использован промышленно поставляемый риптон.

К пяти центральным стрипам на каждом стриповом электроде и к сиг-альным площадкам на крайних электродах были подключены малошумя-хие зарядочувствительные предусилители. Оставшиеся части сигнальных пектродов были заземлены. Гибридные предусилители (на основе транзи-горов FET SNJ-903L) располагались на плате в экранирующем кожухе епосредственно на верхней крышке криостата.

Сигналы с парафазных выходов интегрирующих предусилителей с по-ощью кабеля из скрученных пар подавались на формирующие усилители г,л=500 не). Сигналы с выходов этих усилителей оцифровывались с помо-ц»ю амплитудных преобразователей (ADC SILENA Mod. 4418/V).

Для описываемого ниже анализа формы сигнала использовался только

Рис. 10: Типичная форма сигнала, зарегистрированная оцифровщиком с выхода ИП (из событий прошедших все критерии отбора).

ш 500 Е-

о

400 300

200 100

01-11' ■ I ■ ■1111 ■ 1 ■ 11' ■ ■ I ■ ■ ■ ■ 11 ■ ■ ■ I

50 100 150 200 250 300

Digitizer cell

один канал, подключенный к последнему (по пучку) сигнальному электро ду размером 8x12 см2 с 2-см зазором. Сигнал с гибридного предусилител? этого канала подавался, помимо формирующего усилителя, на широкополое ный усилитель а затем на оцифровщик формы сигнала (Le-Croy Mod. 2262 с частотой выборки 40 МГц. Этот модуль в стандарте КАМАК позволяв! сделать 316 измерений величины сигнала с 10-битным разрешением. Вход ной сигнал непрерывно оцифровывается до прихода сигнала Стоп.

Информация с регистрирующей аппаратуры была записана при тре: значениях импульсов пионов (580,680 и 780 МэВ/с) и при трех соответству ющих им значениях импульса протонов (1100,1270 и 1440 МэВ/с). Импуль сы частиц были расчитаны с целью получить пионы и "каоны" с импуль сами 500, 600 и 700 МэВ/с на входе в последнюю ионизационную камеру.

Из зарегистрированных были отобраны одночастичные события с тре ками в середине камеры и без заметного влияния внешних наводок на форм; сигнала с выхода оцифровщика (Рис. 10). Они были использованы для по следующего анализа.

Форма сигналов была проанализирована с целью получения значени: времени дрейфа (Tdr=7.2±0.04 мкс). Путем двухкратного "дифференциро вания" формы сигнала получались несколько значений dE/dx(i)mei в одно} 2-см зазоре. Для экспериментальной оценки величины те был использова] факт систематического снижения величины среднего значения в спектра dE/dx(i)mea с увеличением номера (i) квази-слоя. В случае Nis= 4 был: посчитаны отношения dE/dx(n)mes/dE/dx(4)mej при п = 2,3,4, как дл экспериментальных данных так и для смоделированных событий с такш же значением Tjr и аналогичным разбиением на группы.- Спектр значени dE/dx( 1)тел, отвечающий первому квази-слою, был исключен из рассмотре

1.2

щ

|1.15

>

1.1

о

г

1.05

\

__ \ # ех»ег1те<Ма1

\ ♦ а М.С.

4 М.С. т,~2Ъц»

» М.С у .-а/л

- ♦ \ в М.С.

0 4 ч а М.С. т.-Л^в

1 ч 1 14

2 3 4

N с^ риоэ!—дар

Рис. 11: Зависимость нормированных средних значений в.Е/<1х от номера квази-слоя, для экспериментальных и моделированных данных. Нормировка сделана на среднее значение (1Е/(1х в последнем 4-ом квазислое.

1

ния, ввиду того, что они наиболее подвержены систематическим ошибкам. На Рис. 11 показаны результаты обработки экспериментальных и моделированных событий. Из этого сравнения была найдена оценка времени жизни свободных электронов тс ~27 мкс.

Основываясь на результатах калибровочных измерений был сделан вывод, что в нашем случае заряд собранный предусилителем оказался в 2.84 раза меньше чем следовало ожидать исходя из вычислений с учетом следующих значений 1^=20.5 эВ/пару и тс= 27 мкс. По-видимому потеря заряда произошла в результате процесса рекомбинации. Подобный результат приводится в литературе, где указывается, что при использовании промышленного криптона высокой степени очистки (примесь Ог <0.1 ррш, лучше чем в нашем случае) сигнал с камеры, тем не менее, был в два раза меньше чем после дополнительной очистки криптона.

В случае относительно малого те (Рис. 11), когда это приводит к заметному изменению средних значений спектров <1Е/¿х(1')те, в разных квазислоях, необходимо провести некоторую процедуру нормировки. Тогда можно будет сравнивать значения <1Е/с1х(¿)те, в разных квази-слоях. Естественно предположить, что эти спектры в принципе должны быть одинаковыми, тогда для нормировки могут быть использованы кумулятивные функции спектров в,Е/¿х(г)те, в разных квази-слоях. Такая нормировка использующая кумулятивные функции спектров ¿£/<£х(»)те, в каждом квази-слое была успешно проверена при моделировании и использовалась в анализе данных.

При использовании метода гибкого отбора разделение скорректированных спектров удельных потерь для экспериментально полученных данных улучшилось по сравнению с методом УС, оно показано на Рис. 12 а. Для сравнения на Рис. 12 Ь показаны результаты разделения частиц полученные

Рис. 12: а) Характеристика экспериментально полученного разделения (п-к) частиц (РОО%) при использовании метода гибкого отбора; Ь) Аналогичные характеристики при моделировании с параметрами полученными в эксперименте (помимо величины шума). Различные кривые соответствуют разному разделению на квази-слои. Ошибки приведены только для ADC спектров и для случая Nqg=A\ при другом числе квази-слоев ошибки близки к соответствующим значениям при N„= 4.

при моделировании 2-см жидкокриптоновой камеры. В качестве параметров kw, Tdr и те были взяты соответствующие результаты из анализа наших экспериментальных данных, "амплитуда" шума использованная в этих вычислениях полагалась равной 1 (в условных единицах, использованных при моделировании). Напомним что это соответствовало измеренным шумам предусилителя с дополнительной емкостью на входе равной С,„=82 пФ. В нашем случае дополнительная емкость на входе предусилителя была около 30 пФ. Таким образом различие экспериментальных и расчетных данных неплохо объясняется другой величиной шума, заложенной при моделировании.

Поскольку фактический заряд с камеры был в 2.84 раза меньше ожидаемого - экспериментальное разделение частиц оказалось хуже чем расчетное для чистого криптона (Рис. 7а).

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Промоделированы ионизационные потери заряженной частицы и возникающих ¿-электронов в жидком криптоне и последующий сбор за-

ряда интегрирующим предусилителем. Подобран "програмный генератор" шума реального предусилителя. Предлагается метод анализа нескольких значений dE/dx{i)me„ позволяющий (с учетом шума) улучшить селектирование частиц по сравнению с методом усеченного среднего. Показана возможность селектирования я-- и fc-мезонов на уровне 2(7 при импульсе <0.8 ГэВ/с в 4-см зазоре жидкокриптоновой ионизационной камеры.

2. Подтверждена возможность улучшения разделения ж- и ¿-мезонов в одном 2-см зазоре жидкокриптоновой камеры, что позволило поднять границу разделения на уровне 2сг с 0.6 до 0.685 ГэВ/с.

Делается сравнение экспериментальных результатов с предсказаниями моделирования и указываются пути улучшения отношения сигнала к шуму.

Описанный метод может быть использован для идентификации частиц в относительно тонких детекторах, в частности для регистрации частиц с Z > 1, а так же для определения некоторых параметров камеры (например TiT и ге).

3. Разработанный программируемый блок двумерного анализа на основе быстродействующего FADC дает возможность быстрого (~100 не) и гибкого отбора событий при одновременном анализе двух параметров. Программируемость и, как следствие, гибкость таких блоков позволяют использовать их в других экспериментах.

4. Описанный интерфейс IBM PC для КАМАК, позволяет производить обмен информацией как по каналу ПДП, так и по программному каналу. Наличие аппаратных средств и соответствующего математического обеспечения дает возможность принимать информацию по каналу ПДП в режиме прерываний, что увеличивает скорость приема при параллельной обработке. Он позволяет также работать с новыми более быстрыми компьютерами IBM РС/АТ-386.

5. Разработанные микропрограммируемый контроллер магнитофона ЕС 5012-03 (для ЭВМ типа "СМ-4", "Электроника-60", IBM PC) и интерфейс НМЛ типа СМ 5309 (СМ 5306, СМ 5308) к IBM PC позволяют реализовать набор стандартных операций на НМЛ. Передача информации производится по каналу прямого доступа к памяти процессора; имеется возможность работы по прерыванию - что дает высокую скорость приема информации и эффективность работы процессора.

Разработанное программное обеспечение в виде пакета подпрограмм нижнего уровня, тестовых программ и диалоговой системы архивации информации дает возможность работы с магнитной лентой на IBM PC и использования программ на языках FORTRAN-77 и Си.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кулинич П.А., Седых Ю.В., Сергеева Н.В., Интерфейс КАМАК персонального компьютера "Правец-16". - Сообщение ОИЯИ, Р10-87-876, Дубна, 1987.

2. Кулинич П.А., Ольшевский А.Г., Сергеева Н.В., Контроллер магнитофона типа ЕС 5012. - Сообщение ОИЯИ, Р10-88-234, Дубна, 1988.

3. Кулинич П.А., Толедо Р., Программируемый блок двумерного анализа на основе быстродействующего аналого-цифрового преобразователя. - ПТЭ, 1988, т.6, с.85.

4. Денисов Д.С., Ерошин О.В., Кулинич П.А., Лейтнер Р., Ольшевский А.Г., Половников С.А., Толедо Р., Селектор событий на базе программируемых блоков двумерного анализа для выделения процесса образования кумулятивных протонов. - ПТЭ, 1989, т.5, с.131.

5. Комиссаров Е.В., Кулинич П.А., Сидоркин В.В., Интерфейс НМЛ СМ 5309 (06, 08) для ПК IBM PC. - Микропроцессорные средства и системы, 1990, т.4, с.84.

6. Kulinich Р.А.. Usage of shape of signal from liquid ionization chamber fot rejection delta electrons and multiple measurement of dE/dx. - Preprint JINR, E13-94-97, Dubna, 1994 (submitted to NIM).

7. Cantoni P., Frabetti P.L., Stagni L., Kulinich P.A.. Diaferia R., Parmeg-giano S., Maggi В., Lanni F., Palombo F., Sala A., Manfredi P.F., Re V., Speziali V., Experimental study of particle separation in a LKr ionization chamber by multiple measuring of dE/dx using the shape analysis of the signal. - Preprint JINR, E13-94-214, Dubna, 1994 (submitted to NIM).

Рукопись поступила в издательский отдел 17 июня 1994 года.