- 2 -
ВВЕДЕНИЕ
Исследование неупругих взаимодействий адронов с веществом продолжает оставаться одной из актуальных проблем для физики космических лучей. Необходимо отметить, что в экспериментах на встречных пучках трудно получить информацию о вторичных частицах, летящих под малым углом к направлению сближения взаимодействующих адронов. Особую ценность приобретают исследования костя 15
мических лучей в области энергий 10х -10А эВ в связи с тем, что в потоке ядерно -активной компоненты на уровне гор в большом количестве (до 40%) присутствуют пионы, эксперименты с которыми на встречных пучках невозможны по принципиальным причинам. Поэтому эксперименты в космических лучах на высотах гор позволяют изучать взаимодействие пионов с энергиями, недоступными современным ускорителям.
Большую актуальность имеют задачи, связанные с изучением ряда аномалий, таких как Тянь-Шанский эффект, "кентавры", "миникентавры" и др., которые наблюдаются в космических лучах при энергиях выше десятков ТэВ. Изучение этих явлений необходимо продолжить при больших энергиях /37/. Следует учитывать также, что, как это случалось ранее, эксперименты в космических лучах могут играть и рекогносцировочную роль при развитии ускорительной тематики /37/.
Таким образом, несмотря на ввод в строй нового поколения ускорителей типа "коллайдер", не потеряли своего значения эксперименты в космических лучах, с помощью которых можно изучать как нуклон-нуклонные взаимодействия, так и взаимодействия нуклон-ядро, ядро-ядро, взаимодействия, вызванные пионами высоких энергий, и взаимодействия при более высоких энергиях, чем достиг-
- 3 -
нутые на встречных пучках /97/. При этом исследования на ускорителях и в космических лучах взаимно дополняют друг друга /97/.
Особенностью экспериментов в космических лучах является
малая статистика событий, поскольку с ростом энергий первичных
частиц их интенсивность из-за падающего характера энергетического
спектра космических лучей резко уменьшается. Стремление увеличить
статистику приводит к необходимости значительного расширения
тз
площадей детекторов. При энергиях частиц больше 10 эВ площадь детекторов и, в частности, ионизационных калориметров, должна составлять поэтому десятки и сотни кв.метров. Большая площадь увеличивает вероятность группового падения адронов, что предъявляет более жесткие требования к системе отбора событий. Для надежного сопоставления данных в калориметре и в рентгено-эмуль-сионной камере (РЭК) данные по целеуказанию в РЗК должны выдаваться одновременно с регистрацией события в калориметре, т.е. требуется решение задачи временной селекции.
С переходом исследований в новую область энергий возрастает роль комплексных экспериментов в космических лучах, поэтому необходимо обеспечить возможность объединения калориметра с другими установками, а также подключения дополнительных датчиков и детекторов. В течение ряда лет (1970-1975) на Высокогорной станции космических лучей (ВСЮ!) ИФВЭ АН КазССР, расположенной на высоте 3340 м над уровнем моря, эксперименты проводились на установке, состоящей из ионизационного калориметра площадью 9 м^, двух камер Вильсона, мишени и РЭК /31, 32/. Калориметр был оборудован фильмовой системой регистрации и позволял отбирать полезные события по простейшим критериям - по суммарной ионизации в поглотителе и распределению ее по рядам ионизационных камер. Это приводило к большим затратам ручного труда еще на начальной стадии
_ 4 -
обработки экспериментальных материалов - при проявлении фотопленки, просмотре её на просмотровых устройствах и т.д.. В результате накапливался большой объем избыточной информации, которую необходимо было отфильтровывать вручную. Ввиду этого обработка данных калориметра затягивалась на многие месяцы. Отсут-
' * <•*' * *
ствие оперативности в определении энергии первичной частицы и координат её прохождения через калориметр создавало трудности сопоставления событий в РЭК и в калориметре.
Таким образом, актуальной задачей при создании нового калориметра площадью 44 м^ на ВСКЛ была автоматизация получения и обработки данных калориметра.
Актуальность работы. Эксперименты в области сверхвысоких энер* гий требуют использования ионизационных калориметров с площадями в десятки и сотни квадратных метров, что сдерживается по следующим причинам:
I. В настоящее время отсутствуют разработки электронной аппаратуры на базе средств микроэлектроники, которые могут быть использованы для больших калориметров с учетом специфики экспериментов, проводимых в области космических лучей. В тоже время, использование принципов построения регистрирующих, систем старого поколения в современных системах с применением интегральной технологии не всегда возможно ввиду сильного различия величин уровней сигналов в этих системах, Так, например, если ламповые схемы позволяли работать с уровнями порядка единиц и десятков вольт, то при использовании типовых аналоговых интегральных схем максимальный уровень сигналов не будет превышать величину 5-10 вольт. С учетом динамического диапазона сигналов в 60 - 80 дб, который характерен для электроники калориметра, работающего в космических лучах, минимальный уровень сигналов составит порядок единиц и десятков милливольт. Обработка малых сигналов в большом числе ка-
налов с помощью методов, применявшихся в аппаратуре старого поколения, т.е. их аналоговое запоминание, коммутация, сравнение становится трудноразрешимой технической задачей, особенно если учесть значительные размеры калориметров и, как следствие, большую протяженность связей в системе* Поэтому становится актуальной проблема разработки совершенно новых принципов многоканальной регистрации данных ионизационных калориметров большой площади, которые должны обеспечить долговременную перспективу развития автоматизированных систем реального времени для таких калориметров*
2. В существовавших ионизационных калориметрах немедленное запоминание сигналов от ионизационных камер осуществлялось в аналоговой памяти, что затрудняло разработку устройств регистрации лавин в современных многоканальных системах больших калориметров. Кроме того, как показано в работе /85/, для таких систем становится большой проблемой их развитие, т.е. увеличение числа каналов и подключение различных детекторов в уже действующей системе, что бывает необходимо при изменении методики эксперимента и объединении различных установок в единый комплекс*
3. Для калориметров,используемых в экспериментах с космическими лучами, не была решена проблема создания гибкой системы автоматической коррекции характеристик измерительных каналов с целью поддержания высокой степени их однородности.
В силу указанных причин разработка методов и электронной аппаратуры нового поколения для решения задач автоматизации получения данных с ионизационных калориметров большой площади представляется актуальной.
Целью работы являлось решение задач автоматизации сбора и обработки экспериментальных данных для ионизационных калориметров большой площади.
- 6 -
Автор защищает настоящей работой:
1. Решение задач автоматизации получения данных в реальном времени для больших калориметров на базе средств микроэлектроники,
2. Разработку метода многоканального зарядо-цифрового преобразования в широком диапазоне с первоначальным запоминанием данных в цифровой памяти,
3. Разработку гибкой системы автоматической цифровой коррекции характеристик измерительных каналов налориметра на базе ЭВМ.
4. Теоретическое обоснование и разработку измерительного канала калориметра с токовым входом и выходным сигналом в виде временного интервала.
5. Разработку ряда электронных блоков: 672 - канального зарядо-цифрового преобразователя с диапазоном 2000, быстрой цифровой памяти, оригинальной схемы устройства формирования спектрометрического сигнала, зарядо-временного и амплитудно-временного преобразователей с диапазоном 120, схемы сжатия диапазона и др.
Научная новизна результатов.
1. Впервые создана автоматизированная система реального времени для адронного калориметра наибольшей в настоящее время площади /44 м2/ на базе средств микроэлектроники и стандарта КАМАК.
2. Впервые для калориметра большой площади разработан метод первоначального цифрового запоминания данных о развитии лавин в поглотителе. С учетом метода разработан 672-канальный зарядо-циф-ровой преобразователь с диапазоном 2000 в стандарте КАМАК.
3. Для калориметра большой площади впервые разработаны метод и система автоматической цифровой коррекции характеристик измерительных каналов на базе ЭВМ.
4. Предложено устройство для формирования спектрометрического сигнала, на которое получено авторское свидетельство/79/. На основе устройства разработаны зарядо-временной и амплитудно-временной
преобразователи с динамическим диапазоном 120, отличающиеся способами зарядки накопительного конденсатора и выделения интервала разряда.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
1. Разработана электронная аппаратура нового поколения для ионизационного калориметра большой площади. При разработке основных узлов использовано изобретение автора. По результатам внедрения изобретения имеется акт использования.
2. На основе разработанной электронной аппаратуры при непосредственном участии автора на Высокогорной станции космических лучей ИФВЭ АН КазССР создана автоматизированная система реального времени для ионизационного калориметра площадью 44 м^. Это позволило начать регулярное проведение экспериментов на калориметре с максимальной среди существующих калориметров площадью.
3. Эксперименты на калориметре и обработка данных имеют целью изучение взаимодействий космических частиц сверхвысоких энергий в соответствии с планом исследований по темам:"Исследование неупругих взаимодействий адронов в области энергий
10 - 10^ эВ" и "Изучение характеристик взаимодействий частиц
сверхвысоких энергий". Данные, полученные за 1662 часа (832 событие ) обработаны. Результаты обработки показали, что установка работает в полном соответствии с заданными техническими условиями.
Таким образом, на базе созданных аппаратных средств в Лаборатории космических лучей Института начала функционировать АСНИ космических лучей в области сверхвысоких энергий.
4. Проведенные разработки и созданная на их основе электронная аппаратура могут быть использованы на различных калориметрах, в том числе работающих по ускорительной тематике, а также на других экспериментальных установках.
- 8 -
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции по космическим лучам (Пловдив, 1977 на Всесоюзном Совещании по автоматизации научных исследований в ядерной физике С Алма-Ата, 1978 )
I
и Всесоюзных Семинарах по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях С Душанбе, 1980; Новосибирск 1982 ), были представлены на Ш Всесоюзный Семинар по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях ( Тбилиси, 1984 ), докладывались на специальных семинарах Тянь-- Шанской Высокогорной научной станции ФИАН СССР и ИФВЭ АН КазССР. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе получено одно авторское свидетельство.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и Приложения и содержит 137 страниц текста, 37 страниц иллюстраций и список цитированной литературы из 102 наименований.
- 9 -
ГЛАВА I
ОБЗОР НЕКОТОРЫХ РАБОТ ПО ИОНИЗАЦИОННЫЙ КАЛОРИМЕТРАМ. СРАВНЕНИЕ РЕГИСТРИРУЮЩИХ СИСТЕМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ БОЛЬШИХ КАЛОРИМЕТРОВ.
1.1 В различных задачах по детальному исследованию взаимодействий частиц высокой энергии с ядрами вещества, изучению зависимости процессов от энергии и природы "первичных" частиц, исследованию энергетических спектров в составе широких атмосферных ливней (ШАЛ) и др., требуется знание энергии первичной частицы космического излучения. В то же время, различные кинематические методы определения энергии частицы в большом числе случаев зачастую дают лишь ее оценку.
В 1957 г. Н.Л.Григоровым, В.С.Мурзиным, И.Д.Рапопортом (НИИЯФ РАГУ) был предложен метод "ионизационного калориметра", позволивший решить эту проблему /I/. Начиная с этого времени, ионизационный калориметр стал обязательной частью большинства экспериментальных установок в физике космических лучей. По теории ионизационного калориметра имеется большое число работ, поэтому кратко остановимся лишь на основных принципах работы этого прибора.
Ионизационный калориметр представляет собой спектрометр полного поглощения для ядерно-активных частиц, электронов и фотонов высокой энергии и измеряет суммарную ионизацию, создаваемую первичной частицей и частицами, образовавшимися в поглотителе за счет развития ядерных и электромагнитных каскадов. При этом основная доля энергии передается нуклонам, заряженным и нейтральным мезонам и продуктам расщепления атомных ядер.
Электронно-фотонные ливни, образованные нейтральными пионами, быстро развиваются в плотном веществе поглотителя. Заря-
- 10 -
женные пионы и нуклоны взаимодействуют с ядрами атомов вещества. При этом значительная доля их энергии передается также электронно-фотонной компоненте и ядерным расщеплениям. В конце развития ядерно-каскадного процесса почти вся энергия первичной частицы расходуется на ионизацию атомов вещества поглотителя. Если известно мгновенное распределение ионизации в каждой точке X поглотителя, то энергия Ео первичной частицы может быть найдена из соотношения /I/: оо
£..ЕрХ)«Х
О
где
£ - энергия, идущая на образование одной пары ионов ;
УМ- ионизация в каждой точке вещества поглотителя.
В частном случае калориметра с ионизационными камерами /2/:
£ =2)дХг* где
А X £ - толщина I -го слоя калориметра,
УI - число пар ионов в С -м детекторе,
К С - коэффициент, учитывающий различие ионизирующих способ-ностей в веществе £ - го слоя поглотителя и газе камер.
При практических расчетах учитывают переходные эффекты, если вещество поглотителя и стенки камер изготовлены из различного материала. Вводятся также коэффициенты, учитывающие влияние зазоров между камерами и эффективность электронного собирания.
Конструктивно ионизационный калориметр, используемый для экспериментов в космических лучах, представляет собой блок плотного вещества (железо, свинец, углерод и др.), который может иметь площадь в верхнем сечении до нескольких десятков и более квадратных метров и высоту до нескольких метров.
- II -
Детекторы ионизации располагаются в толще поглотителя параллельными рядами, причем, детекторы в соседних рядах размещены во взаимно-перпендикулярных направлениях. Это позволяет определить пространственное направление падения ядерно-активной частицы на калориметр и разрешить ядерные лавины, образованные несколькими частицами. Чем на большее число дискретных уровней разбивается весь поглотитель, тем точнее будет измерена энергия. Однако при этом приходится значительно усложнять и удорожать регистрирующую аппаратуру.
С ростом энергии Ео первичной частицы точность измерения энергии растет, что связано с тем, что при увеличении Ес все меньшая доля энергии переходит к сильно ионизующим частицам-продуктам ядерных расщеплений, энергия которых в калориметре регистрируется с меньшей эффективностью. В области энергий Ю^эВ точность определения энергии калориметрическим методом была оценена величиной порядка 30% /3/.
Помимо измерения энергии первичной частицы с помощью ионизационного калориметра возможно изучение зависимости сечения взаимодействия адронов от первичной энергии, исследование развития электронно-ядерного каскада с глубиной вещества, исследование группового падения частиц на установку, изучение ШАЛ и др.
Возможности калориметра значительно расширяются при его сочетании с другими детекторами частиц, в частности, с рентгеноэмульсионными камерами (РЗК) и детекторами ШАЛ. Ряд особенностей калориметра способствовал его широкому применению также в экспериментах на ускорителях.
В качестве детекторов ионизации в калориметрах применяются ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, сцинтилляторы, черенковские счетчики. В ряде случаев в качестве детектора лив-
- 12 -
ней используются искровые камеры. Определение энергии адронов при этом производится не с помощью измерения ионизации, а путем подсчета числа частиц в электронно-ядерном ливне на нескольких уровнях наблюдения /4,5/. Ионизационные камеры используются наиболее часто, что объясняется простотой конструкции, возможностью конструировать камеры практически с любой заданной длиной, легкостью их градуировки, практической независимостью измерения ионизации в большой области изменения питающего напряжения (зона "плато" рабочей характеристики камеры). Типичными для применения в большинстве калориметров являются ионизационные камеры типа ИК-6 /6,7/. Эти камеры изготовляются из медных волноводов с внут-
р
ренним поперечным сечением 110x54 мм . Центральным электродом служит латунная трубка диаметром 3 мм. Камеры наполняются аргоном до давления 5 атм. Максимальное время собирания электронов по данным работ /6,7/, для разных значений питающего напряжения (0,8 кВ*2 кВ) составляет величину 30-40 мксек.
Сигналы с выходов ионизационных камер калориметра поступают, после предварительного усиления, на регистрирующую систему. Практически используются два метода съема сигналов с выходов ионизационных камер:
1. Интегрирование импульсов тока, переносящих заряды, на суммарной емкости, включающей емкость камеры, входную емкость усилителя и емкость монтажа. Полученные импульсы напряжения с амплитудой, пропорциональной заряду, усиливаются усилителем с большим входным сопротивлением.
2. Преобразование импульсов тока в импульсы напряжения, которые интегрируются затем в специальном интеграторе.
Оба метода имеют свои особенности, рассмотренные во второй главе диссертации.
- 13
1.2. В обзоре, сделанном по материалам отечественной и зарубежной печати, а также по работам автора, рассмотрены ионизационные калориметры, использованные в разное время в экспериментах с космическими лучами в наземных условиях (главным образом _ на высотах гор), в стратосферных полетах и на искусственных спутниках земли.
Из всего многообразия работ по ионизационным калориметрам, опубликованных за период 19584-1979 гг. /14-30/ в Советском Союзе и за рубежом, автором были выбраны наиболее типичные с точки зрения методики съема сигналов с ионизационных камер, отбора и многоканальной регистрации данных. По материалам обзора проведен сравнительный анализ калориметров и их регистрирующих систем. Результаты анализа по ряду параметров сведены в таблицу 1П( см. приложение).
Первый ионизационный калориметр, предназначенный для измерения энергии адронов, был создан сотрудниками НИИЯФ ШУ и использован в 1957 г. в экспериментах на Памире (высота 3860 м над уровнем моря) /1,3/.
Калориметр представлял собой усеченную пирамиду высотой 170 см, с верхним и нижним сечениями соответственно в 0,6 и 0,8 м и имел 8 слоев железа, между которыми были заложены цилиндрические ионизационные камеры диаметром 4 см и длиной от 65 до 75 см. Камеры наполнялись чистым аргоном до давления 5,5 атм. Общее число камер составляло 105 шт. Каждые три камеры подключались к одному усилителю. Выход каждого усилителя был соединен с отдельным регистрирующим устройством на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Отбор событий производился путем оценки суммарной ионизации. Чувствительность усилителей соответствовала прохождению через камеру 5-10 релятивистских частиц (рел.частиц).
- 14
Блок регистрации калориметра ("многоканальный осциллограф") содержал 49 ЭЛТ типа 8Л029, экраны которых фотографировались фоторегистратором на один общий кадр /8/. Динамический диапазон сигналов был равен 800. Точность регистрации в большей части диапазона составляла около 5%, снижаясь до 10% в начале каждого из поддиапазонов. Калибровка каналов производилась вручную, путем ежедневной подачи на все каналы набора тестовых сигналов. Тесты обрабатывались для каждого канала отдельно и использовались затем для градуировки рабочих сигналов отобранных событий.
Как видно из описания, система регистрации данных первого калориметра имела очень простую структуру, т.к. каждый канал был снабжен автономным регистрирующим устройством. Такое построение многоканальной регистрирующей системы оправдано для калориметров с числом каналов не более нескольких десятков (см. также работы /40, 42, 44/). В дальнейшем, для калориметров с большим числом каналов (более 100) с целью снижения объема оборудования стали использоваться последовательные регистрирующие системы с применением поканальных конденсаторных ячеек памяти, в которых запоминаются амплитуды импульсов нарряжения. Опрос ячеек памяти осуществляется с помощью коммутаторов различной конструкции - механических /9, 13, 14, 17, 19 и др./, электронных на лампах /10/ и транзисторах /32, 34/, герконах /30/. Типичными представителями калориметров с последовательными системами были запущенные в работу в 1958 г., а затем в середине 60-х годов, в Армении на г.Арагац (высота 3260 м над уровнем моря) два ионизационных кало-
р
риметра: ИК-3 с площадью I и "Большой калориметр" с площадью 10 м /2/. Подобные же системы были использованы затем в большой серии других калориметров /II, 13*19/.
Калориметр ИК-3 имел 12 рядов ионизационных камер, помещен-
- 15
ных между слоями железа и свинца. Общее число камер составляло 120 шт. Каждая камера соединялась с отдельным усилителем. Импульсы после усиления подавались для запоминания на ячейки памяти, которые опрашивались далее механическим коммутатором /9/. Импульсы с выхода коммутатора поступали на осциллограф со ждущей разверткой. Экраны осциллографа фотографировались фоторегистратором. Запуск фоторегистратора производился с учетом двух условий отбора полезных событий. Первое условие отвечало превышению суммарной ионизации во всех камерах некоторого заданного порога. Средний порог соответствовал суммарному энерговыделению в 100 ГэВ. Учет второго условия позволял блокировать установку от запуска всплесками ионизации, вызываемых ядерными расщеплениями. Возникающие в ядерных расщеплениях сильно ионизирующие частицы могут имитировать падение частиц высокой энергии. Однако, посколь-ку такие частицы не способны пройти через слой в 80 г/см железа, то для защиты от создаваемых ими помех достаточно выполнения требования, чтобы ионизация возникала в трех рядах камер /2/.
Калибровка осуществлялась вручную путем подачи на вход каждого усилителя калибровочного сигнала от генератора. В системе регистрации калориметра ИК-3 усилители не были стандартизированы и поэтому каждый усилитель имел свою калибровочную кривую, которые определялись два раза в сутки. Суммарная аппаратурная ошибка измерения энергии составляла около 5%.
Главным отличием "Большого калориметра" от калориметра. ИК-3 была увеличенная до 10 площадь. Конструкция и электронные системы обоих калориметров были в основном идентичны. Число рядов камер в большом калориметре снижено до 10. Ряды были прослоены свинцом и железом.
В период 1963-1969 гг. на перевале Джусалы-Кезень (высота
- Київ+380960830922