Регистрируемая информация

 

Вспомним как выглядит блок-схема одной станции Русалка.

В каждом из сцинтилляционных счетчиков заряженная частица при “протыкании” сцинтиллятора сначала возбуждает атомы и молекулы сцинтиллятора (в нашем случае сделанного из специальной пластмассы с добавками) после чего это возбуждение как то усредняется (снимается). Часть уходит в нагрев материала, а часть высвечивается в виде квантов света. С помощью специальных светопередающих волокн этот свет передается на фото-катод фотоумножителя- ФЭУ. Подобные волокна, но без сместителей спектра, используются для передачи сигналов на большие расстояния практически без помех - это оптоволоконные кабели. На них весь Интернет теперь основан. Про конструкцию нашего счетчика посмотрите здесь. Свет, попавший на ФЭУ, преобразуется в электроны (буквально), усиливается в динодной системе и на выходе ФЭУ возникает импульс тока. Электронный блок, на который поступают сигналы с ФЭУ, должен решить несколько задач:

  • выбрать только те сигналы с ФЭУ, которые выше порога;
  • среди этих сигналов выбрать такие случаи, в которых сигналы в двух счетчиках (ФЭУ) появляются по времени близко друг от друга (временное совпадение)
  • для случаев удовлетворяющим двум перечисленным условиям передать в цифровом виде на диск ПК следующие величины:
    1. абсолютное время появления сигнала(ов) в каждом ФЭУ;
    2. длительность сигнала(ов) в каждом ФЭУ на уровне порогового уровня.

Давайте, хотя бы в общих чертах, разберем, как это делается на практике. (см рисунок слева). На рисунке, сделанному мной “от руки”, приведены: сигналы с ФЭУ от счетчика №1 (красный) и счетчика №2 (синий). Они специально сделаны разной амплитуды, чтобы показать, что сигналы на выходе счетчика всегда отличаются от случая к случаю. Они, как говорят физики, статистически распределены вокруг некоего среднего значения амплитуды сигнала. Для наглядности я нарисовал случай, когда сигнал в обоих сц.счетчиках появляются в одно и то же время (как будто это случай прихода реального ШАЛ). Черная горизонтальная линия, пересекающая сигналы около основания, это уровень порогового сигнала.

С помощью электронной схемы - дискриминатора, мы с вами решаем “есть сигнал с детектора или нет”. Для этого на дискриминатор мы подаем пороговый уровень (постоянное напряжение). Правильный его выбор есть одна из задач, которую физик должен решить при настройке установки. Обратите внимание, что дискриминатор дает сразу две величины - время пересечения сигналом порогового уровня или время фронта сигнала (t0(1) или t0(2)) и мы будем использовать этот момент для определения абсолютного времени появления сигнала (подробнее см. ниже). Но, кроме того, мы без особых затрат получаем еще одну полезную величину - длительность сигнала на уровне порогового напряжения DT(1) и DT(2). Как видно из рисунка, эта величина связана с амплитудой сигнала. Синий сигнал больше красного и поэтому DT(2) больше, чем DT(1). Мы надеемся, что использование этого измерения поможет нам определять сколько частиц ШАЛ сразу пересекли наш детектор. Поскольку они все прийдут в одно и то же время - фронт ШАЛ, то по времени мы их не сумеем разделить и потом посчитать. Но амплитуда сигнала и, следовательно, DT(х) для таких случаев будет больше (в среднем!), чем для случаев, когда в счетчик попала только одна частица ШАЛ.

С отдельными сигналами мы предварительную подготовку провели. Теперь надо придумать, как выделять события “совпадающие”. А что это слово значит? Это значит, что мы должны выбрать из всех поступающих событий только такие пары событий в двух счетчиках, когда оба сигнала появляются в пределах заданного нами временного диапазона. Почему диапазона, а не точно, можете вы спросить. Ответ состоит в том, что это не математика, это реальная жизнь и невозможно требовать, чтобы оба сигнала появились точно в то же самое время. Кроме того, мы же с вами планируем по этой временной разнице появления сигналов определять направление (углы наклона) оси ШАЛ, что совпадает с направлением прилета первичной частицы КЛ. А это значит, что мы должны написать условие совпадения в вид |t0(1) - t0(2)| < Tсовп . Почему надо писать “по модулю” - вам, надеюсь, сразу понятно. В реальной жизни мы же не знаем с какой стороны прилетит ШАЛ и, следовательно какой из двух счетчиков сработает первым. Поэтому требовать мы должны ± . Для выделения из всех прошедших предварительный тест по амплитуде (в дискриминаторах) сигналов с ФЭУ, случаев парных срабатываний обоих счетчиков, удовлетворяющих теперь временным требованиям (совпадение в пределах заданного временного “окна”), используется еще одна схема - схема совпадений (СС). У нее два входа, на которые поступают сигналы от наших детекторов, отобранные по амплитуде и сформированные в дискриминаторах, и один выход. Первый из появившихся в любом из двух наших детекторов сигналов запускает внутри СС сигнал, заданной нами длительности Tсовп. Он показан на рисунке в самом низу. После чего схема смотрит, если по соседнему каналу в течение времени Tсовп появляется второй сигнал - на выходе СС тотчас же появляется сигнал, который означает, в пределах указанного вами временного диапазона Tсовп было совпадение времен появления сигналов с двух детекторов. Для нас с вами это “триггерный” (trigger - спусковой крючок, как я вам уже говорил) сигнал и при его появлении мы запускаем всю процедуру обработки и передачи в ПК зарегистрированной в данном случае ШАЛ (вернее очень на него похожего случая).

Пора теперь перечислить какие же величины2 мы с вами можем измерить в данном событии?

1 и 2: t0(1) и t0(2) времена появления сигналов в двух наших детекторов
3 и 4: DT(1) и DT(2) длительности этих сигналов на уровне порога.

 

 

Как мы получаем эти величины в понятной для ПК (цифровой форме)? Пропустим, пока, первые две величины, для понимания, как они определяются, нам надо будет понять, как работает GPS (Global Positioning System). Мне проще рассказать вам как можно превратить длительность сигнала в цифру? Для этого нам потребуются уже известные вам элементы: 1- Схема совпадений, 2- Генератор импульсов, 3. - Счетчик импульсов

По-моему теперь уже все ясно из рисунка. Схема совпадений выдаст нам на выходе столько сигналов генератора, сколько их “уложится” внутри измеряемого сигнала (красный верхний сигнал. Черная гребенка ниже его должна демонстрировать сигнал постоянной частоты от генератора, который поступает на второй вход схемы совпадений). То есть длительность нашего сигнала будет приблизительно равна числу импульсов на выходе схемы совпадений, умноженному на период генератора импульсов. Для примера - если частота генератора 100 мГц то период будет равен 10-8 секунды или 10 наносекунд и длительность сигнала на рисунке будет 10 нсек * n (число импульсов на выходе, равное в данном случае 11) ≈ 110 наносекунд. Почему приблизительно - вам тоже понятно. Точность такого метода равна длительности периода генератора и в рассматриваемом примере составляет 10 нсек. Чем выше частота генератора - тем выше точность измерения или “оцифровки”. Я употребил это важное для нас слово, так как таким методом мы превратили длительность сигнала в число импульсов, которые просто считаются еще одной стандартной электронной схемой - счетчиком.

Осталось сказать несколько дополнительных слов по поводу Системы Глобального Позиционирования или Global Positionning System (GPS), созданной в США или ее российского и пока плохо работающего аналога - ГЛОбальнаяНАвигационнаяСпутниковаяСистема - ГЛОНАСС. Подробное описание можно найти в Интернете (например здесь), но я попробую коротко описать эту технически очень сложную систему.

Главная идея состоит в следующем - если вывести на орбиту Земли много спутников (минимум 24), каждый из которых в строго согласованном и известном порядке будет излучать радиосигналы, содержащие: информацию о данном спутнике (его номер, расчетное положение на орбите в данный момент, сигнал точного абсолютного времени и некоторые другие служебные сигналы (неизвестные мне :-) то, не вдаваясь в очень сложные детали, можно сообразить, что можно сконструировать приемник, который сумеет, получая одновременно сигналы с нескольких спутников (чем больше тем точнее, но не менее 3-4), которые будут содержать, как я уже написал, информацию о положении каждого спутника в пространстве и единое время и зная таким образом точное расстояние до нескольких спутников с известным положением в пространстве можно определит место, гда находится наш приемник. И в факте того, что достаточно приемника, заключается первое великое преимущество такой системы. Для ее использования нужен только пассивный элемент - приемник, то есть их может работать одновременно сколько угодно много, так как они никак не влияют на работу наших спутников - не загружают их своими запросами. Эта возможность GPS дает начало широкому применению навигаторов на основе GPS для все транспортных средств (авто, корабли, морские суда). Для нас и нашего проекта важна другая техническая сторона такой системы. Надо принять во внимание, что для точных вычислений координат необходимо использовать очень точные часы. Это необходимо потому, что ошибка во времени всего в 0,001 секунды дает промах определения местоположения в 300 км. Именно поэтому на каждом из спутников GPS установлены атомные часы, причем не в одном, а в четырех экземплярах, чтобы гарантировать, что хотя бы одни из них будут работать в любом случае. Атомные часы на спутнике дают точность 0,000000001 секунды, или в переводе на “человеческий” язык 10-9 или 1 нано секунду. Привыкайте к этой удобной для физики высоких энергий величине. Свет за 1 нс проходит приблизительно 30 см. 1 метр свет пролетает за ~ 3 нс.

Возможность GPS выдавать абсолютное время3 с такой точность дает нам удивительную возможность - устанавливать временные совпадения не в электронной схеме, как я описал чуть выше, а с помощью GPS системы. Почему это удобнее и дает новые необычайные возможности? Для выделения факта временного совпадения с помощью электронной схемы - мне надо подвести к ней по кабелю (!) оба канала (в нашем случае с выхода двух сцинт. счетчиков). Мы (физики) к такой работе привыкли. Значительную часть жизни мы тратим на протягивание многих сотен метров кабелей от детекторов к стойкам, в которых собирается электроника. Но это нас ограничивает в пространстве, все же тяжело прокладывать кабель на расстояние свыше нескольких километров. А если научиться записывать в память компьютера не только данные о сигналах с детекторов (что мы умеем хорошо делать), но и это абсолютное (UTC) время, то, впоследствии, я могу, просматривая записанные в разных частях мира события (в Дубне, например, и в Ставрополе), определять которые из них совпадают во времени с точностью порядка 10 нс! Чтобы предостеречь вас от очередного необдуманного утверждения -”ну это все теперь просто!” сообщу, что и здесь есть многочисленные технические нюансы. Так спутники, конечно не передают “сигналы точного (UTC) времени” каждую наносекунду! Это и технически невозможно. Ведь спутник должен в момент передачи “выдать” достаточно много информации (см.выше) Поэтому спутники GPS системы выдают свои сигналы точного времени только каждую секунду, но с указанной выше “безумной” точностью.

Теперь, как мне кажется, мы с вами все основные понятие согласовали и, я надеюсь, поняли. Осталось только перечислить какая именно информация о каждом событии формируется в электронных блоках каждой отдельной станции нашей установки и потом запоминается и хранится в центральном сервере. Именно к анализу этой информации вы уже очень скоро получите доступ.

Я посмотрел на список регистрируемых величин (формат данных) и понял, что и здесь надо кое что объяснить. Список в полном объеме есть на сайте но я пока выбросил из него, то что носит чисто технический характер и оставил только то, что нам потребуется для начала.

Сначала список целиков, а потом начнем разбирать по пунктам.

Описание ROOT data format 

Будем считать, что этого пока достаточно, для понимания того, какие именно величины вам предстоит анализировать.



2 Обращаю внимание, что эти обозначения регистрируемых величин не совпадают с их названием в списке переменных, которые приняты для формата данных. Я взял пока более короткие и простые обозначания.

3 За ноль этого времени берется 1 января 1970 года, так называемое Coordinated Universal Time (UTC)