Универсальная автоматизированная установка МАС-1 для поиска и обмера событий, зарегистрированных в ядерной фотоимульсии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ГОСУДЛРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

С . { 3 •

На правах рукописи.

Силаев Виктор Иванович

УНИВЕРСАЛЬНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА МАС-1 ДЛЯ ПОИСКА И ОБЙЕРА СОБЫТИЙ, ЗАРЕГИСГРИГОВДННЫХ В ЯДЕРНОЙ ФОТОЭМУЛЬСИИ.

Специальность 01.04.01.- Техника физического эксперимента, Физика приборов и автоматизация физических исследований.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата Физико-математических наук.

МОСКВА-1997

уда 539.1

Работа выполнена в Государственном Научном Центре

Российской Федерации -Института Теоретической и Экспериментальной Физики.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

¡0. Д. Алешин

Официальные оппоненты: доктор физико-математиеских наук

Е.П.Кузнецов (ФИАН),

кандидат физико-математических наук Нилов А.Ф. (ИТЭФ).

Ведущая организация; Московский Инженерно-Физический Иститут.

Защита состоится 2.0 в 11 часов на заседании диссертационного

совета Д.034.01.01 по адресу: г.Москва, 117259,Б.Черемушкинская ул.,25, кон-

ференц-зал ИТЭФ.

Автореферат разослан (? 5~. о 4 199?г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

/-/V" /П

кандидат физико-математических наук Ю.Б.Терехов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Диссертация посвящена разработке, созданию и внедрению универсальной измерительной установки МАС-1 для поиска и обмера событий, зарегистрированных в больших объемах ядерной эмульсии.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ И ЕЕ НОВИЗНА.

Целью диссертационной работы является разработка методики автоматизированного поиска и обработки информации, об элементарных частицах, зарегистрированной в объемах фотоэмульсии, исчисляемых сотнями литров.

Создание методики для обработки информации в больших объемах ядерной фотоэмульсии позволяет существенно увеличить эффективность исследований физических процессов с участием короткоживущих частиц на большом количестве статистического материала. Созданная в ИТЗЗ> измерительная установка МАС-1 по совокупности технических характеристик не имеет аналогов в России и не уступает зарубежным аналогам.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

Созданная установка МАС-1 участвует в обработке информации о нейтринных

взаимодействиях в эксперименте ИА-95 (СЕВД) по поиску О -¿-> V- осцилляций.

у/

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены на международных конференциях по физике высоких анергий: Международной конференции по твердотельным трековым детекторам и их применению (Дубна, 24-26 марта 1992г), 17 Международной Конференции по твердотельным ядерным трековым детекторам (Дубна, 24-28 августа 1994г), 18 Международной Конференции по твердотельным ядерным трековым детекторам (Каир, сентябрь 1998г).

По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ / 4-11 /. Предварительная защита диссертации проведена на заседании секции НТО N3 ИТЭФ.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИЙ.

Диссертация состоит из восьми глав, включая введение и заключение. Ее объем 49 страниц. Диссертация содержит 26 рисунков и три таблицы. Список цитируемой литературы содержит 35 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИЙ.

В главе I, "Введение", обосновывается необходимость создания специальных трехкоординатных автоматизированных измерительных микроскопов для изучения процессов с участием короткоживувдих частиц, пробеги которых составляют от десятков до сотен микрон.

В главе II, "Осцилляции нейтрино", кратко излагаются условия возможного экспериментального наблюдения этого явления, описанные в работе /1/, и задача получения ограничений на параметры 28 и Л2, в эксперименте ИА-95, которая изложена в работе /2/ (см. рисунок 1).

по поиску которой предполагается вести исследование возможного явления

Приводится реакция вида:

В главе III, "Детектор холлаборации CHQRUS", приводится краткое описание установки эксперимента WA-95 - спектрометра, предназначенного для регистрации и определения физических характеристик частиц, ровдающихся в нейтринных взаимодействиях. Общий вид спектрометра, взятый из работы /5/ см. на рисунке 2.

Более подробно описывается устройство эмульсионного вершинного детектора и устройство пластины с рабочими эмульсионными слоями, предназначенной для работы на поисково-измерительном микроскопе. Конструкция вершинного детектора обеспечивает предсказание координат грека с точностью до размеров области 50мкм X 50мкм. Размерами фотопластины определяются требований к размерам области измерений микроскопа а в ее конструкции заложены требования к алгоритму автоматизации процессов поиска и обмера событий.

В главе 17, "Установка МАС-1", описывается конструкция полуавтоматической установки, на которой в ИТ» производится работа с Зютоэмульсионными слоями эксперимента WA-95.

По функциональному назначению и конструктивно установку МАС-1 можно рассматривать как состоящую из трех основных составных частей:

1. Исполнительная часть - микроскоп МАС-1.

2. Управляющая часть - стойка электроники и ЗЕМ.

3. Оперативная часть - пульт оператора.

Микроскоп МАС-1.

Микроскоп МАС-1 (см. рисунок 3) представляет собой электронно-оптико-меха-мческую конструкцию, смонтированную на чугунной контрольной плите <1>

L600MM х 1000мм х 240мм и весом ЭООкг. Поверочная плоскость контрольной плиты зыполняет роль базы прибора, на которой монтируются и юстируются отдельные 'злы микроскопа. Габаритные размеры микроскопа: 1800мм х 1180мм х 1000мм. [од прибор подведена воздушная подушка <2> в виде двух автомобильных камер, вкачанных до давления 0.13ати, которые поднимают его над полом, изолируя от ибраций, распространяющихся по помещению.

Конструкция микроскопа выглядит следующим образом. На базовой плоскости

Vp —902 c.l. limits

102

% 101 0)

N

I 10°

1Сrl

ю-4 1СГ3 1СГ2 10~l 1QT°

sina 28Mr

РИС. 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ ¿Гм4 и SIN2,28 В ПРВДДУЩИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ И ЭКСПЕРИМЕНТЕ WA-95.

прибора крепятся 4 прямоугольные призмы <3> по 430мм, каждая, по которым на прецизионных подшипниках движется массивная (60кг) Y-каретка <4>.

Прямолинейность движения Y-каретки достигается эа счет двух взаимно-отъюстированных призменных направляющих <5>, длиной 480мм, каждая. Призменные направляющие крепятся на Y-каретке сверху и обжимаются парами прецизионных упорных подшипников <6>, крепящихся на массивных подставках, установленных и закрепленных на базовой плоскости микроскопа. Сопрягаемые поверхности деталей узлов упорных подшипников выполнены с высокой точностью, обеспечивающей вращение подшипников в плоскости, параллельной базовой плоскости.

На У-карзтке в направлении, перпендикулярном ее движению, смонтированы и отъюстированы две призмы длиной 920мм, каадая, по которым движется предметный столик, Х-каретка, на откалиброванных стальных шариках диаметром 8им. Одна из этих призм <7>-направляющая, обеспечивающая прямолинейность движения предметного столика.

Предметный столик <8> представляет собой легкую (~6кг) конструкцию с размерами 580мм X 580мм X 20мм, к которой снизу крепятся две ответные направляющие призмы, каждая из которых работает в паре с призмой, длиной 920мм, уста-ношеной на Y-каретке.

Столик имеет окно с размерами 460мм X 460мм, для прижимного стекла <9>. По периметру стекла ггрсфрезерована прямоугольная канавка Змм X 7мм для вакуумного прижима пластины с фотоэмульсионными слоями, о которых говорилось в разделе III.-От прямолинейности движения кареток X и Y зависит точность измерения расстояний и углов в горизонтальной плоскости XY.

Измерения по вертикали производятся с помощью Z-каретки dü>. Z-каретка монтируется на неподвижной стальной раме <11>, крепящейся к базовой плите.

Движение Z-каретки осуществляется по цилиндрической направляющей, при этом прямолинейность ее движения обеспечивается с помощью двух,диаметрально-противоположных котировочных узлов <12>. Кавдый узел включает в себя прямолинейную призменную напраэдягащто, крепящуюся на Z-каретке, которая прижимается к упор-

ноцу прецизионному подшипнику, жестко связанному с рамой <11>.

На Z-каретке монтируется оптико-электронная система, передающая видео-сигнал на монитор пульта оператора.

6.Приводи.

Каждая из грех кареток приводится в движение своим двигателем постоянного тока ПЯ-250Ф <13> с печатной обмоткой на безинерционном дисковом якоре. Двигатель предназначен для работы в качестве исполнительного двигателя в системах автоматического регулирования.

Технические характеристики двигателя следующие: мощность - 250Вт, напряжение - 36В, ток якоря - 1QA, частота вращения - ЗОСОоб/мин, пусковой момент не менее 4НМ, электромеханическая постоянная времени - 15мс.

Двигатель связан через пластинчатую муфггу с фрикционным узлом <14>, пре-образуицим вращательное движение вала двигателя в поступательное движение каретки. Фрикционный узел обеспечивает линейное перемещение каретки, равное 400мкм на один оборот вала двигателя.

Устройство фрикционного узла представлено на рисунке ¿f. Червячный вал <3>, приводимый во вращение двигателем, вращает зубчатое колесо <2>, которое крепится на валу <4>. К фасонной части вала <4> с помощью пружинного устройства <5> прижимается шток <1>, неподвижно связанный с кареткой. Сцепление штока с валом обеспечивается за счет силы трения. При вращении вала, шток движется поступательно и перемещает каретку.

Отдельные узлы привода сопрягаются юстировкой относительно единой базовой плоскости прибора, при его сборке.

в.Отсчатные устройства.

Отсчет перемещений каждой из кареток осуществляется с помощью преобразователя линейных перемещений (ЮТ, модель BE1S4) <15>, закрепленного на соответствующей каретке. Принцип действия преобразователя линейных перемещений основан на модуляции светового потока растровым сопряжением, состоящим из переме-

0

1

V

V

О С)

I

ч!

о î: Q)

сЗ

«о

Fkc.Z. CHORUS

CALORIMETER

DETECTOR

рис. 4- фрикционный узел:

1 - ШТОК,

2 - ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО,

3 - ЧЕРВЯЧНЫЙ &ДЛ,

4 - фрикционный вал,

5 - прижимное устройство штока.

пемцихся относительно друг-друта растровой линейки и индикаторной пластины. Модулированный световой поток на фотоприемниках преобразуется в аналоговые электрические сигналы и передается в нормирующий преобразователь, где производится усиление, умножение по частоте в 4 раза, преобразование в прямоугольные импульсы. Величина одного отсчета ГШП соответствует перемещению каретки на расстояние, равное 1мкм.

Использование ШШ для отсчетов перемещений кареток имеет неоспоримое преимущество перед другими отсчетными устройствами, например ротационными датчиками, заключающееся в том, что отсчет ПЛП происходит только при перемещении каретки на соответствующее расстояние. Другими словами, полностью исключается вклад лифтов в соединительных узлах приводов в измеряемую величину перемещения кареток.

г.Свето-оптическая система и система передачи видео-сигнала.

Свето-оптическая система состоит из узла подсветки <16> фотоэмульсионного слоя и объектива <17>, формирующего действительное изображение треков частиц в плоскости фотокатода видеокамеры <18>( см. рисунок 3 )■ Система подсветки монтируется непосредственно на базовой плоскости плиты, что существенно упрощает ее сборку и юстировку.

Схема свето-оптической системы приведена на рисунке Световой поток от лампы накаливания 1, мощностью 25 эт, формируется конденсором 2, проходит через полевую диафрагму 3, отражается от поворотного зеркала 4, проходит колли-мирукщую линзу 5, апертурную диафрагму 6, объектив подсветки 7 с фокусным расстоянием 10мм, предметное стекло 8, толщиной 5мм, фотоэмульсионный слой 9 и попадает в объектив 10, формирующий действительное изображение, проектируемое на фотокатод телекамеры 11. Полное оптико-электронное увеличение с 60~крагным обьективом 10 составляет величину, равную 3800 крат , при поле зрения 105мкм X 85мкм.

В качестве конденсора подсветки 7 используется длиннофокусный микроскопный обьектив, обеспечивающий освещенность фотослоя только в области поля зрения

РИС-3" - СХЕМА СЬТСЮПТИЧЕСЮЛ СИСТЕМЫ МИГРОСГОПЙ "ПАС - 1"

объектива 10. Использование длиннофокусного микроскопного объектива 7 вместо короткофокусного конденсора подсветки, обычно использующегося в микроскопах, позволило существенно снизить фон, создаваемый рассеянным светом в толщах и на границах сред, через которые проходит подсвечивающий световой поток и получить контрастное изображение зерен трека.

На установке МАС-1 действительное изображение треков формируется с помощью специального 60-кратного объектива с передним рабочим отрезком, равным 1мм, что в три раза превышает длину рабочего отрезка обычных микроскопных обьекти-вов с тем же увеличением. Такой специальный обьектив бьи сконструирован и изготовлен в Японии для работы с фотослоями эксперимента CHORUS,имеющими толщину до ЭООмкм.

Для передачи видео-сигнала на экран монитора оператора используется промышленная телевизионная камера КТП-32 с вцдиконом Эмм X 12мм и стандартным телевизионным сигналом. Разрешающая способность камеры в центре видикона составляет 450 телевизионных линий. Такое разрешение соответствует тому, что, при 60-кратном обьективе <10>, на зерно почернения фотоэмульсии релятивистского трека, имеющего размер 1мкм, приходятся 3 телевизионные линии.

Для считывания изображения и передачи его в ЭВМ, с последующей обработкой, используется телевизионная камера с ПЗС-матрицей, имеющей полномасштабный кадр 576 X 512 пикселей.

2. Электроника и ЭВМ.

Управление перемещением каждой из трех кареток микроскопа осуществляется с помощью мини-ЭВМ (МЭВМ) и электроники, включающей в себя датчики линейных перемещений (ПЛП), счетчики, интерфейсы, и силовые модули, объединенные между собой в единую систему//*?/^.(Схему управления каретками см. на рисунке б) •

Управляющая программа ПЭВМ вычисляет код воздействия на серводвигатель ПЯ-250 в зависимости от разности между заданной и текущей координатами и скорости изменения этой разности.

тк

дисплеи

X У 2

шиш

СИЛОВЫЕ БЛОКИ

Их 1 Му ГРШ -гг1 ^г^

м э 9 м

интерфейс

"вектор"

монитор

шдры УПРАВЛЕНИЯ

о

-о

г у х

х V г

1-4с

С4С

■электродвигатели

рис, 6- схема управления баретками ми( росюпа мас - 1.

Текущая координата поступает в МЗШ через счетчики от ТШ1, установленные на каждой из кареток. Координаты точки шазда для кареток задаются либо оператором с помощью шара управления, либо программным способом.

Б системе управления двигателями используется шротно-импульсная модуляция (ШМ) напряжения питания якоря, при которой код, генерируемый МЭВМ преобразуется в интерфейсном модуле в ширину импульса управляющего сигнала.

В аппаратуре управления использованы унифицированные интерфейсные модули Ь-4С и Ь-4М, изготовленные в стандарте "ВЕКТОР". В модуле Ь-4С происходит реверсивный счет импульсов, поступаемых с датчиков линейных перемещений.

Модуль Ь~4М используется для управления двигателями. Управляющие сигналы с модуля Ь-4М передаются для усиления по мощности в силовые блоки, откуда поступают на якори двигателей кареток.

Единая упраагшщая программа МЭВИ, работавдая с установкой ШС-1 в режиме реального времени, в процессе движения кареток сравнивает их текущие координаты с заданными и определяет скорость движения каретки. Эта скорость зависит от расстояния до заданной точки, уменьшаясь до нуля, при достижении окрестности точки, радиусом 5 микрон. Максимальная скорость движения кареток составляет 12 мм/сек.

Управляющая программа позволяет осуществить автоматизацию различных операций микроскопа, таких как:

1. Автоматическую выездку к реперным меткам и заданным точкам.

2. Определение центра круглых меток.

3. Автоматическое сканирование эмульсии по глубине.

4. Автоматическое сканирование зоны поиска в горизонтальной плоскости фотоэмульсионного слоя путем перемещения поля зрения объектива либо по спирали, либо по заданному направлению.

5. Вычисление длин и углов треков в эмульсии.

6. Предсказание координат продолжения треков, при переходе от одного слоя Фотоэмульсии к другому.

7. Запоминание координат точек в буфере памяти, их передачу в банк данных.

Наряду с автоматизацией операций микроскопа, программа обеспечивает диалог оператора с МЭВМ путем высвечивания информации на экране дисплея.

На экран дисплея выносится следующая информация:

1. Дата, время, данные об эксперименте, тш используемого объектива,

2. Текущие координаты точек.

3. Данные об измеренных углах.

4. Длина измеренного трека и его проекции на плоскость ХУ.

5. Информация об усадке фотослоя.

6. Координаты продолжения трека после его обрыва.

7. Информация об операциях, проводимых микроскопом.

8. Информация о заполнении буфера памяти координатами запомненных точек.

Созданием специальной программы и электроники для установки МАС-1 была решена задача по автоматизации процесса управления микроскопом и обеспечению высокой точности измерений.

3. Пульт оператора.

Пульт оператора укомплектован стандартным черно-белым монитором БК-50, на экране которого оператор просматривает изображение треков частиц в эмульсионных слоях. В центре экрана расположено перекрестие, с которым совмещается точка наблвдения при измерениях. На столе оператора размещается также алфавитно-цифровой дисплей и два пара управления каретками микроскопа: один шар -для управления каретками X и У, второй - для управления кареткой 2.

С помощью шаров управления и; клавиатуры дисплея оператор подает команды на исполнительные механизмы микроскопа и ведет контроль за информацией, поступающей с кини-ЭШ на экран монитора //4/.

Телевизионный монитор позволяет оператору визуально следить за картиной, попадающей в поле зрения объектива микроскопа, при сканировании фото-эмульсионного слоя, и подводить измеряемое зерно под перекрестие, для отсчета его координат.

В главе V, "Результаты испытаний микроскопа МАС-1", приводятся следующие данные:

1.Прямолинейность движения кареток сравнима с прямолинейностью движения кареток промышленных микроскопов.

2.Флуктуации относительно направления перемещения кареток не превышают

+ 1-ой угловой секунда.

3.Взаимная ортогональность осей системы координат микроскопа составляет 90.02±0.02град.

4.Точность измерения расстояния между двумя рисками эталонного обьект-мик-рометра в горизонтальной плоскости равна i О.Змкм, по вертикали - i О.бмкм.

5. Точность измерения пространственных углов на фиксированной базе ЮОмкм составляет £ Змрад.

6. Точность измерения пространственных углов реального трека в фотоэмульсионном рабочем слое на той же базе ЮОмкм составляет £ 5мрад.

7. Точность автоматического выезда объектива микроскопа в любую точку области измерений лучшэ, чем ¿ 5мкм.

В главе VI, "Эмульсионный блок и методика поиска событий", основное внимание уделено процедуре работы оператора на установке МАС-1.

Просмотр эмульсионного сдоя происходит в форме диалога оператора и управляющей программы.

Поисковая задача оператора состоит в тем, чтобы по заданному набору целеуказаний (пространственных углов и координат) отыскать трек-кандидат и проследить его из слоя в слой до вершины взаимодействия.

В главе VII, "Результаты поиска нейтринных событий на микроскопе МАС-1", приводится сравнение данных по измерению угловых величин треков мюонного тестового пучка Х-7 ускорителя SPS, полученных на установке МАС-1, с данными, полученными в других лабораториях коллаборации. Из сравнения видно, что точности измерений на установке МАС-1 не хуже, чем на установках зарубежных лабораторий .

Основные данные, характеризующие эффективность поиска троков по предсказаниям, следующие:

1. Число треков, предсказанных для поиска, - 110.

2. Число треков, найденных по предсказаниям, - 100.

3. Число найденных событий - 64.

4. Число ненайденных трексЕ - 10.

При изучении найденных событий путем прослеживания треков, выходящих из звезда, на длине 4,5мм было найдено 3 трека с изломом, что позволяет по топологии и длинам распада отнести их к числу кандидатов на события с короткожи-вущимн частицами.

В главе VIII, "Заключение", перечисляются особенности конструкции и ноше решения, которые обеспечили создание измерительной установки МАС-1, по техническим характеристикам не уступающей зарубежным аналогам.

К ЗАЩИТЕ ПРЕДСТАВЛЯЕТСЯ разработка, конструирование и создание универсальной поисково-измерительной автоматизированной установки МАС-1, предназначенной для исследований физических процессов, зарегистрированных в ядерной фотоэмульсии .

ССЫЛКИ.

1.С.М.Еиленький, Б.М.Понтекорво. Смешивание лептонов и осцилляции нейтрино. УФН 123, вып.2, 181 (1977).

2.CHORUS COLLABORATION. A new search for Y'->V- oscillation.

h с

CERN-РРЕ/93-131, July, 20, 1993.

3.Third Workshop on Lepton Physics. Montreux, by Giovanni FDSA. 19-22, September 1994.

4. Ю.Д.Алешин, И.А.Мельниченко, В.И.Силаев и др. "Трехкоординатный автоматизированный микроскоп МИГ-Э для поиска и обмера событий в ядерных фотоэмульсиях" . Препринт КГЭФ 30-89, М.-ЦНИИатоминформ-1989.

5. Ю.Д.Алешин, И.А.Мельниченко, В.И.Силаев и др. "Проведение измерений б ядерных Фотоэмульсиях на установке ТЕМП". Препринт ИТЭФ 7-92, М- 1992.

6. Ю.Д.Алешин, В.И.Силаев и др. "Предложение на разработку измерительных приборов МАС-1 и МАС-2". Препринт ИТ» 42-92, М. 1992.

7. Y.D.Aleshin, V.V.Kolesnikov, I.A.Melnishenko, V.l. Silaev.

"The ¡aeasurement of nuclear eculsion to experiment WA-95" . Radiation Measurements. Vol.25, Nos. 1-4, pp.273-274, 1995.

8. Ю.Д.Алешин, в.В.Колесников, И.А.Мельниченко, В.И.Силаев. "Автоматизированный голографический микроскоп МИГ-1". ПТЭ ИЗ, т.39, стр.72,1996.

9. Ю.Д.Алешин, В.В.Колесников, В.И.Силаев. "Устройство для контроля за механическими перемещениями элементов". ПТЭ N3, т.39, 1S36.

10. Ю.Д.Алешин, В.В.Колесников, В.И.Силаев. "Микроскоп МАС-1 со столом измерений 400мм X 400мм для поиска и обмера событий в ядерных фотоэмульсиях". ПТЭ N3, 1397.

11. ¡О.Д.Алешин, О.К.Егоров, В.В.Колесников В.И.Силаев и др."Анализ нейтринных событий эксперимента WA-95 в ядерной фотоэмульсии, найденных в ИТЭФ". Препринт КТО К10-97.

12. Гончаров В.А. и др. Препринт ИФВЭ, 75-208, Серпухов, 1975.

13. Алиев Ф.И., Гончаров В.А. и др. Унифицированная электронная аппаратура. управления. Препринт ИФВЭ, 84-209, ОАЭ, 1984.

14. йньшаков В.И. и др. Препринт ИФВЭ, 78-95, Серпухов, 1978.