Zaznamenávaná informace.

 

Připomeňme si jak vypadá blokové schéma jedné stanice Rusalka. 

V každém ze scintilačních čítačů nabitá částice při průchodu scintilátorem zpočátku nabudí (přemístí na vyšší energetickou hladinu) elektrony atomů nebo celé molekuly (podle toho o jaký materiál se jedná) scintilátoru. V našem případě se jedná o určitý druh plastu s příměsemi – nabudí se elektrony. Tento stav je nestabilní a tak po určitém čase dojde k návratu do původního stavu. Část uvolňované energie materiál ohřeje, část je vyzářena ve formě světla určité vlnové délky, charakteristické pro použitý materiál. Toto světlo je speciálními světlo vedoucími vlákny (světlovody) přeneseno na katodu fotonásobiče. Podobná vlákna se používají pro přenos signálů na velké vzdálenosti. Jsou to optická vlákna, na kterých je postaven přenos informace pro televizi i internet. Naše vlákna se od nich liší tím, že obsahují ještě příměsi, které jsou schopny změnit původní vlnovou délku světla na jinou (delší) vlnovou délku pro kterou je daný materiál průhlednější (což znamená, že ztráty při přenosu jsou menší). Konstrukci našeho čítače si prohlédněte zde. Kvant světla (foton), který dopadne na fotokatodu fotonásobiče, se změní na elektron, který je zesílen (vynásoben, rozmnožen) tak, že na výstupu fotonásobiče již bude proudový impuls (typické pro fotonásobič zesílení je 106). Elektronika, která přijímá signál z fotonásobiče musí být schopna:

  • akceptovat pouze ty signály z fotonásobiče, které mají amplitudu vyšší než určitou úroveň (práh);

  • z těchto signálů akceptovat pouze ty, které přicházejí ve stejném nebo velmi blízkém čase se signálem z druhého fotonásobiče (časová koincidence)

  • pro případy, které vyhovují oběma výše uvedeným kritériím je třeba zapsat na disk počítače tyto hodnoty:

    1. absolutní čas vzniku signálu v každém z fotonásobičů;

    2. délku signálu s amplitudou vyšší než práh v každém z fotonásobičů.

Zkusme si, alespoň ve všeobecnosti, představit co uvidíme v praxi. (viz obrázek sleva). Na obrázku, který jsem nakreslil „od ruky“, jsou ukázány signály fotonásobiče čítače №1 (červený) a čítače №2 (modrý). Jsou schválně nakresleny s různou velikostí (amplitudou), abychom si uvědomili, že signály z výstupů čítačů jsou většinou různé. Jsou, jak říkají fyzici, statisticky rozděleny okolo některé střední hodnoty amplitudy signálu. Abych nekomplikoval situaci, nakreslil jsem případ ve kterém se signál na obou čítačích objevuje současně (případ reálné ŠAS – Široké Atmosférické Spršky). Černá vodorovná čára, která protíná signály u základny, odpovídá úrovni prahového signálu.

Prostřednictvím elektronického modulu – diskriminátoru, se rozhodujeme, zda je pro nás signál z detektoru zajímavý nebo ne. Proto diskriminátoru zadáváme prahovou úroveň (stejnosměrné napětí). Správný jeho výběr je jedna z úloh, kterou fyzik musí definovat při nastavení aparatury. Všimněte si, že diskriminátor nám určí hned dvě hodnoty – čas, kdy signál překročí úroveň prahu nebo náběžnou hranu signálu t0(1) nebo t0(2)) . My použijeme tento moment pro určení absolutního času, kdy se objevil signál (podrobnosti jsou uvedeny níže). Mimo toho získáváme ještě jednu užitečnou hodnotu a to délku signálu, v případě kdy je amplituda vyšší než úroveň prahového napětí DT(1) a DT(2). Modrý signál je silnější než červený a proto je DT(2) větší nežDT(1). Doufáme, že s pomocí těchto měření se nám podaří zjistit počet částic ŠAS, které prošly naším detektorem. Protože všechny přiletí současně - čelo ŠAS nejsme schopni je rozdělit podle času registrace a potom přepočítat. V těchto případech ale bude (v průměru) vyšší amplituda signálu a DT(x) než v případě registrace jediné částice.

S jednotlivými signály si už umíme poradit. Nyní je třeba vymyslet, jak máme definovat současné události. A co pod pojmem „současně“ vlastně chápeme? Reálně to znamená, že budeme ze všech přicházejících událostí vybírat pouze takové dvojice signálů z obou čítačů, které byly zaznamenány v předem definovaném časovém rozpětí (okně). Možná se zeptáte proč v časovém okně a ne současně? Odpovědí bude, že naše měření není ideální matematika, ale reálný život, v kterém je těžké požadovat, aby oba signály přišly současně. Mimo to, my s vámi ještě plánujeme z časového rozdílu v příchodu částic určit směr (úhel náklonu) osy ŠAS, která bude shodná se směrem, z kterého přiletěly prvotní částice kosmické spršky. Odsud vyplývá, že můžeme definovat pojem současně jako |t0(1) - t0(2)| < Tsouč. . Proč je třeba použít absolutní hodnotu je doufám pochopitelné. V reálném životě nevíme z jakého směru přiletí ŠAS a tudíž, který z čítačů zaznamená událost jako první. Proto požadujeme ± . Na vydělení všech současných (v časovém okně) signálů z fotonásobičů z obou čítačů překračujících prahovou hodnotu se používá ještě jedno schéma (koincidence). Má dva vstupy, na které jsou přivedeny signály z našich detektorů zformované v diskriminátorech a překračující práh a jeden výstup. První ze signálů z jednoho z dvou detektorů spustí v obvodu koincidence signál s definovanou námi délkou Tsouč. Na obrázku je úplně dole. Potom obvod čeká, zda se na sousedním vstupu v čase Tsouč.objeví druhý signál. Jestliže ano, na výstupu obvodu koincidence se objeví signál, který nám říká, že v rámci časového okna došlo ke koincidenci (současném příchodu) signálů z obou detektorů. Je to pro nás signál spouště (triggeru) a jestliže se objeví spustíme celou proceduru zpracování a přenosu do PP zaregistrované námi ŠAS. (přesněji řečeno kandidáta na ŠAS).

Je na čase, abychom vyjmenovali všechny hodnoty, které můžeme pro danou událost změřit

1 a 2: t0(1) a t0(2) časy registrace signálů v našich dvou detektorech
3 a 4: DT(1) a DT(2) doba trvání převýšení prahové úrovně těmito signály

Jak dostaneme tyto údaje v pochopitelné pro počítač (digitální) formě? Prozatím se nebudeme zabývat prvními dvěma hodnotami. Pro pochopení toho, jak jsou definovány, nám bude zapotřebí pochopit jak pracuje GPS (Global Positioning System). Zatím je mi jednodušší vysvětlit, jak změníme délku signálu na číslo. Potřebujeme k tomu nám už známé elementy: 1- schéma koincidence, 2- generátor impulzů, 3. - čítač

Předpokládám, že vše je pochopitelné při pohledu na obrázek. Schéma koincidence nám na svém výstupu vydá tolik impulzů generátoru, kolik se jich vejde do měřeného signálu (červený horní signál). Černý signál, který je pod červeným signálem, je signál od generátoru impulzů zadané frekvence, který je podáván na druhý ze vstupů schématu koincidence. Znamená to, že délka našeho signálu bude rovna počtu impulzů na výstupu schématu koincidence vynásobenému délkou periody generátoru impulzů. Například – frekvence generátoru je 100 MHz. Pak perioda bude 10-8 vteřiny (sekundy) neboli 10 nanosekund a délka signálu na obrázku bude 10 nsek * n (počet impulzů na výstupu, které je pro daný případ 11) ≈ 110 nanosekund. Proč přibližně už také asi chápete. Přesnost dané metodiky závisí od délky periody generátoru a v daném příkladě je rovna 10 nsek. Čím je frekvence generátoru vyšší – tím je vyšší přesnost měření nebo „digitalizace“. Použil jsem toto pro nás vážné slovo, protože tímto způsobem jsme zaměnili délku signálu počtem impulzů, které se jednoduše načítají ještě jedním standardním elektronickým obvodem - čítačem.

Zůstalo nám říci několik doplňujících slov ohledně Polohového systému neboli Global Positionning System (GPS), vytvořeného v USA nebo jeho ruského, prozatím špatně pracujícího analogu – GLObální Navigační Sputnikový Systém - GLONASS. Podrobný popis můžete najít na internetu (například tady), ale pokusím se krátce popsat tento technicky velmi složitý systém.

Základní myšlenka – jestliže vyšleme na oběžnou dráhu Země mnoho družic (minimum 24), každá z kterých v přesně definovaném a známém pořadí bude vysílat radiové vlny, obsahující informaci o této družici (její číslo, polohu na oběžné dráze v daném okamžiku, signál absolutního času a některé další služební signály o kterých nic nevím :-)) pak, bez vysvětlování složitých podrobností, si je možné představit, že existuje přijímač, který může, za předpokladu, že přijímá signál od několika družic současně (čím více tím lépe, ale ne méně než 3-4), přesně určit místo kde se sám nachází. Ve faktu, že k využití navigačního systému potřebujeme jen přijímač je velkou výhodou daného systému. Pro práci je třeba mít jen pasivní prvek – přijímač. Současně může pracovat tolik kolik jen chceme přijímačů bez toho, že by to mělo nějaký vliv na práci družic – přijímače nezatěžují družice svými požadavky. Takto navržená GPS vytvořila předpoklady pro široké použití navigačních prostředků využívajících GPS pro všechny dopravní prostředky (auta, letadla, mořské lodě). Pro nás je podstatné, že pro přesný výpočet souřadnic je třeba používat velmi přesný údaj o čase. Chyba v čase jen 0,001 vteřiny zapříčiní chybu v poloze 300 km. Právě proto na každé z družic GPS pracují přesné atomové hodiny a to ve čtyřech exemplářích, aby bylo zabezpečeno, že alespoň jedny vždy budou pracovat. Atomové hodiny na družici pracují s přesností 0,000000001 vteřiny, neboli 10-9 sekundy nebo 1 nanosekundu. Tato hodnota je pohodlná pro výpočty ve fyzice vysokých energií. Světlo prolétne za 1 vteřinu asi 30 cm, 1 metr překoná světlo přibližně za 3 vteřiny.

To, že můžeme získat z GPS absolutní čas3 s vysokou přesností, nám nabízí unikátní možnost a to získávat časové koincidence ne z výstupu elektronického obvodu, jak bylo popsáno výše, ale při pomoci GPS. Proč je to pohodlnější a dává nové, neobvyklé možnosti? Abychom vydělili koincidenci na výstupu elektronického obvodu musíme na každý z jeho vstupů připojit vodič (!) z každého z obou kanálů (v našem případě z výstupů scintilačních čítačů). My (fyzici) jsme si na takovou práci zvykli. Velkou část života trávíme tím, že taháme stovky metrů kabelů z detektorů k stojanům s elektronikou. To nás samozřejmě prostorově ohraničuje. Je těžké tahat kabely na velké vzdálenosti. Jestliže zapíšeme do paměti počítače nejen údaje z detektorů (to už umíme udělat), ale zároveň s nimi i absolutní čas (UTC), to posléze můžeme, prohlížejíc data zapsaná v různých částech světa (např. v Dubně a v Stavropoli), ustanovit ty události, které se udály současně s přesností v řádu 10 ns! Abych zabránil dalšímu nedomyšlenému tvrzení - „nyní je to už jednoduché!“ - upozorním jen, že i zde je ještě mnoho technických problémů. Například, že družice nevysílají signály přesného času každou nanosekundu! To ani není technicky možné. Družice musí v moment přenosu vyslat dostatečné množství informace (viz výše). Proto družice systému GPS vysílají signály přesného času jen jednou za vteřinu, zato s uvedenou výše vysokou přesností.

Nyní, zdá se mi, jsme si vysvětlili a doufám, že i pochopili všechny základní pojmy. Zůstává jen detailně vyjmenovat jaká informace o každé z událostí se v elektronice každé ze stanic vytváří a potom zaznamenává v centrálním serveru. K analýze této informace už brzy budete mít přístup.

Prohlédl jsem si seznam zaznamenávaných hodnot (formát dat) a pochopil jsem, že i zde je třeba ledacos vysvětlit. Úplný seznam je na stránce, zatím jsem z něj vyloučil vše, co má čistě technický charakter a ponechal jsem jen to, co nám zpočátku postačí.

Nejprve uvedu celý seznam a pak ho vysvětlím po jednotlivých bodech.

Popis ROOT data format

Řekněme, že to nám prozatím stačí pro pochopení toho jaké hodnoty budeme analyzovat.


 2 Všimněte si prosím, že tato označení veličin se neshodují s jejich názvy v seznamu proměnných, které jsou použity ve formátu dat. Prozatím jsem použil krátká a jednoduchá označení.


3 Za nulu tohoto času je vzat 1 leden 1970, tak zvaný Coordinated Universal Time (UTC)