uzluga.ru
добавить свой файл
1 2 3 4


Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В. Скобельцына

УДК

№ госрегистрации

Инв.№

УТВЕРЖДАЮ

Директор НИИЯФ МГУ

______________ М.И.Панасюк
«___»__________2009 г.


ОТЧЕТ
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ


«Изучение характеристик мониторных систем»


Шифр «2009-0113-ВР012-007», Государственный контракт № 01.164.1 2.НВ07 от 27 июля 2009 г.


по теме:

«Разработка методов контроля и управления мониторными системами в наносекундном режиме для калориметрической и мюонной систем LHCb эксперимента на Большом адронном коллайдере ЦЕРН»


( итоговый )



Руководитель темы

_________________




М.М.Меркин



Москва 2009

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ


Руководитель работ, зав.лаб. к.ф.-м.н. М.М.Меркин;


Н.с., к.ф.-м.н. Д.Е.Карманов


С.н.с., к.ф.-м.н. Н.В.Никитин


Вед. программист, Г.А.Богданова;


Вед. программист, В.Ю. Волков


Программист 1 категории С. В. Стегореску


Вед. инженер Н.В. Баранова


С.н.с. к.ф.-м.н, А.К.Лефлат


Вед. электроник, М.Г. Королев


С.н.с. к.ф.-м.н, Е.Г.Зверев


Гл. специалист Г.Ф.Чернолужский


С.н.с. к.ф.-м.н, А.Г.Воронин


Зав. лаб. д.т.н. С.Г.Басиладзе


Реферат


Отчет содержит стр. 37, рис. 15

СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КАЛОРИМЕТР, МОДУЛЬ, ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ, СИСТЕМА КОНТРОЛЯ, СХЕМА ПИТАНИЯ, ВРЕМЕННОЙ РАЗБРОС


Цель исследования


Комплексная подготовка и ввод в эксплуатацию мониторной системы электромагнитного калориметра


Целью работы является исследование физико-технических характеристик системы оперативного контроля электромагнитного калориметра LHCb (системы мониторирования основных параметров).


Калориметрическая система эксперимента LHCb предназначена для выделения электронов и идентификации фотонов на фоне большого потока вторичных частиц, преимущественно состоящих из адронов. Система состоит из сцинтилляционных счётчиков (SPD), однослойного предливневого детектора (PS), электромагнитного калориметра и адронного калориметра. Высокая поперечная сегментация электромагнитного калориметра необходима для эффективной реконструкции электронов, нейтральных пионов и разделения электронов и заряженных адронов, сопровождающихся фотонами. Энергетическая калибровка индивидуальной ячейки электромагнитного калориметра во время набора данных может быть произведена различными методами – например, на основе электронов, нейтральных пионов или минимально ионизированных частиц. Между проведением таких специальных сеансов стабильность поведения и отклика калориметрической системы будет проверяться с помощью системы мониторинга на основе светодиодов, для того чтобы получить наилучшее энергетическое разрешение. Поэтому проверка основных характеристик мониторной системы является важной задачей эксплуатации всей калориметрической системы эксперимента LHCb.


Предметом НИР в 2009 г. были следующие виды работ:


  • Проведение патентных исследований по ГОСТ Р 15.011-96

  • Изучение характеристик мониторной системы электромагнитного калориметра.

  • Модернизация 2000-канального источника высокого напряжения для Мюонной системы LHCb с целью повышения стабильности высоковольтного питания мюонных камер.

  • Изучение характеристик мониторной системы предливневого и сцинтилляционно-падового детекторов.

  • Изучение характеристик мониторной системы адронного калориметра.

  • Отладка систем контроля электромагнитного калориметра.

  • Разработка алгоритма анализа редких распадов тау-лептона.

  • Разработка алгоритмов и программного обеспечения для управления мониторной системой.

  • Разработка программного обеспечения для управления мониторной системой и анализа данных адронного калориметра.

  • Сравнение существующих алгоритмов, выбор оптимального алгоритма.

  • Настройка системы низковольтового питания электроники вершинного детектора установки LHCb .

  • Изучение основных характеристик предливневого и сцинтилляционно-падового детекторов с помощью мониторной системы.

  • Отладка системы медленного контроля вершинного детектора.

  • Разработка алгоритмов программного обеспечения управления высоковольтной системы, разработка алгоритмов редких распадов B-мезонов.

  • Разработка программного обеспечения для управления мониторной системой и анализа данных электромагнитного калориметра.


Работа выполнена в срок в соответствии с Календарным планом и согласно требований Технического задания.


Содержание



1. Введение

9

2. Структура мониторной системы

11

3. Основные компоненты мониторной системы

13

4. Светонепроницаемые коробки

16

5. Группы СИД/PIN-диоды

19

6. Распределение напряжений и сигналов

20

7. Исследование стабильности мониторной системы

24

8. Исследование долговременной стабильности

28

9. Система мониторирования предливневого и сцинтилляционно-падового детекторов LHCb.

34

10.Изучение характеристик мониторной системы предливневого и сцинтилляционно-падового детекторов.

39

10.1.Временной отклик СИД на выходе интегрирующих цепей электроники.

39

10.2. Повторяемость временного отклика в группах СИД, зажигаемых одним каналом.

40

10.3. Зависимость временного отклика от типа СИД и размера ячейки детектора.

41

10.4. Зависимость величины светового сигнала на выходе интегратора от величины напряжения смещения на группах светодиодов.

43

11.Разработка алгоритмов и программного обеспечения для управления мониторной системой.

44

12.Изучение основных характеристик предливневого и сцинтилляционно-падового детекторов с помощью мониторной системы.

48

13.Исследование мониторных характеристик мюонной систкмы.

52

14.Заключение.

57

ОПРЕДЕЛЕНИЯ


В настоящем отчете о НИР применяются следующие термины с соответствующими определениями:


Кварки – известные на сегодняшний день истинно элементарные частицы

Глюоны – переносчики сильного взаимодействия

Адроны – сильно взаимодействующие частицы

Мезоны - это сильно взаимодействующий бозон, или же, что то же самое, адрон с целым спином

Коллайдер – тип ускорителя

Большой Адронный Коллайдер - строящийся в настоящее время в Европейском центре ядерных исследований CERN (Centre Europeen de Recherche Nucleaire) усилиями физиков всего мира, является ускорителем, предназначенным для ускорения протонов и тяжелых ионов

Пьедестал – шумовой отклик детектора и сопряженной с ним электроники

Наносекунда – временной интервал равный 10-12 секунды

ФЭУ – фотоумножитель

ГэВ – единица измерения энергии равная 109 эВ

ЭК – электромагнитный калориметр

СИД - светоизлучающий диод

СР четность – симметрия относительно комбинации пространственной (Р) и зарядовой (С) симметрии

СМ – Стандартная Модель – модель, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц

СКМ – матрица смешивания кварковых токов

ЭВМ – электронная вычислительная машина

НИР – научно-исследовательская работа

РОСПАТЕНТ – Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

МПК (МКИ) – международная патентная классификация (международная классификация изобретений);

НКИ — национальная классификация изобретений;

МПКО — международная классификация промышленных образцов;

НТИ — научно-техническая информация;

ГС — гармонизированная система (гармонизированная товарная номенклатура);

СМТК — стандартная международная торговая классификация ООН;

БТН — Брюссельская таможенная номенклатура;

УДК — универсальная десятичная классификация;

RU – Россия;

БАК – Большой адронный коллайдер;

ЦЕРН – Европейский Центр ядерных исследований;

LHCB – детектор БАК, оптимизированный для изучения B-мезонов, то есть частиц, содержащих b-кварк;

КХД – квантовая хромодинамика;

СМ – стандартная модель;

VELO – Vertex Locator – кремниевый микростриповый треккер эксперимента LHCb;

PVSS – система медленного контроля эксперимента LHCb – программый продукт.


  1. Введение



Одним из важнейших проектов в физике высоких энергий, который будет реализован в ближайшем будущем, является запуск и ввод в эксплуатацию Большого Адронного Коллайдера LHC в ЦЕРНе (Швейцария). Ускоритель был запущен в 2008 году, однако полной ввод в эксплуатацию коллайдера был отложен до 2009 г. Набор физических данных на новой машине позволит существенно расширить диапазон исследований в области фундаментальной ядерной физики, нацеленных на более глубокое понимание основополагающих свойств материи. Участие России в проекте БАК – важнейшая часть национальной научной программы в области исследований фундаментальных свойств материи. Российские физики принимают активное участие в создании экспериментальных установок на БАК, разработке программного обеспечения и программ физических исследований. В процессе проведения экспериментов на БАК потребуется решение уникальных задач, в ходе которых будут созданы новые технологии с широким применением в промышленности и информатике.

Главные задачи эксперимента LHCb - тщательный анализ CP-нарушающих асимметрий в распадах B-мезонов, проверка СМ и поиск CP-нарушающих асимметрий за счет эффектов вне рамок СМ, систематическое исследование всех возможных распадов B-мезонов, в особенности тех, которые чувствительны к проявлениям новой физики. Точное определение параметров матрицы CKM и других важных параметров СМ.


В настоящее время b-физика - главный полигон исследования нарушения CP-симметрии, что имеет ключевое значение для понимания истории образования нашей Вселенной, в частности, ее барионной асимметрии. Распады B-мезонов еще много-много лет будут представлять собой увлекательную область перспективных исследований.


Для изучения этих физических процессов требуется не только создание ускорителей нового уровня энергий и светимости, но и создание новых детекторов, способных выделять редкие сигнальные события из огромного потока фоновых событий. Отсюда возникает необходимость создания высокоэффективной системы идентификации и регистрации частиц. Колоссальное увеличение энергии сталкивающихся частиц и необходимость улучшения точности измерения ставит перед создателями регистрирующей аппаратуры проблемы создания детекторов и их элементов, способных работать в условиях тяжелых радиационных условиях и занимающих малый объем. Решение такой задачи возможно только на основе самой современной технологии с применением новых материалов и новых конструкторских решений.


Участие в развитии эксперимента LHCb способствует:


- реализации имеющихся технических и технологических разработок, созданию новых технологий;

- сохранению научного потенциала, привлечению молодежи в физику высоких энергий.


Кроме этого одной из основных целей проекта является:

- развитие центра для обработки калориметрических данных эксперимента LHCb с целью разработки методики идентификации частиц и изучения ливневых характеристик детектора;

- осуществление математического моделирования физических процессов, происходящих при взаимодействии протонов при сверхвысоких энергиях на основе существующих моделей, для идентификации которых используется калориметрическая информация;

- тестирование программных продуктов.


2. Структура мониторной системы.


Система мониторирования эксперимента LHCb предназначена для выполнения следующих основных задач:

1. Контроль работоспособности считывающих цепей;

2. Мониторирование долговременной стабильности отклика калориметра с точностью 1÷2% на уровне выходных сигналов отдельных каналов (определяется, в основном, поведением коэффициентов усиления ФЭУ);

3. Измерение коэффициентов усиления ФЭУ.


Энергетическая калибровка индивидуальной ячейки калориметра во время набора данных может быть произведена различными методами – например, на основе электронов, нейтральных пионов или минимально ионизированных частиц. Между проведением таких специальных сеансов стабильность поведения и отклика калориметрической системы будет проверяться с помощью системы мониторинга на основе светодиодов, для того чтобы получить наилучшее энергетическое разрешение. Каждая ячейка калориметра освещается с помощью светодиода. Светодиоды включаются посредством карты управления светодиодной системы, а их интенсивность контролируется HV-LED-DAC картами. Многоканальные карты триггерных сигналов светодиодов (LEDTSB) осуществляют общий контроль и выравнивание времени.


Мониторная система электромагнитного калориметра LHCb выполнена на основе светоизлучающих диодов (СИД). Число СИД, обслуживающие различные области калориметра следующие: 168 СИД для внешней секции, 112 СИД в средней и 176 СИД во внутренней зоне. Каждый индивидуальный СИД освещает группу ячеек соответствующей секции: зона, состоящая из 4х4 ячеек для средней и внешней частей калориметра и 3х3 – для внутренней части калориметра. СИД расположены в зонах с пониженной дозой облучения под и над платформой, на которой расположен электромагнитный калориметр. Свет от СИД передается на переднюю поверхность ячейки с помощью длинного, чистого оптического волокна. Свет от каждого волокна впрыскивается в отдельные группы ячеек через специальные оптические соединения и затем транспортируется на хвостовую часть модуля к входному окну ФЭУ.


Поведение каждого СИДа контролируется с помощью индивидуальной платы электроники, которые отслеживают такие параметры как интенсивность входного импульса света, форма импульса и относительное время.


Интенсивность световой вспышки устанавливается для каждого индивидуального СИД через систему распределения напряжений или контрольные корзины, которые обеспечивают основные компоненты мониторной системы необходимым напряжением. Амплитуда световых сигналов регулируется одновременно для больших групп каналов или секторов - этого достаточно для выполнения задач, поставленных перед системой мониторирования. Охватываемый диапазон по свету при этом достаточно широк для того, чтобы с запасом перекрыть динамический диапазон системы фотоприема ЭК.


СИДы поджигаются с помощью короткого импульса, вырабатывающегося специальными картами (карта распределения тригерного сигнала СИД - LEDTSB). 8 таких специальных карт, обслуживающих ЭК, расположены в специальных корзинах, расположенных над ЭК. Каждый LEDTSB производит 64 импульса (LVDS стандарт), которые передаются к СИД платам с помощью витой пары. Витые пары группируются по 4 в 16 передающих жгутов. Набор программируемых задержек (64 задержки) позволяет выставлять индивидуальное относительное время на каждый канал с шагом в 1 нсек в диапазоне 0-300 нсек. Такой диапазон достаточен для компенсирования разброса времени срабатывания мониторной системы из-за различной длины оптических волокон (2-8 м). 64-битовый код используется для программирования необходимой последовательности вспышек для каждого индивидуального СИДа.


Для того чтобы уменьшить и контролировать эффекты, связанные с возможной нестабильностью самой мониторной системы, интенсивность СИДов мониторируется с помощью очень стабильных кремниевых PIN-диодов. Один PIN-диод обслуживает группу из 2 или 4 СИДов. Выходной импульс PID-диода усиливается и формируется с помощью специального малошумящего PIN-усилителя и транспортируется к считывающей электронике (FED). Всего, для внешней части калориметра используется 52 PIN-диода, для внутренней – 28, для внешней – 44.


Общая структура мониторной системы ЭК LHCb показана на рис. 1.





Рис. 1. Структура мониторной системы электромагнитного калориметра LHCb



следующая страница >>