УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ АНОДНЫХ ПРОВОЛОК В МНОГОПРОВОЛОЧНЫХ ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕРАХ

6
4
5
Заявляемое устройство относится к области ядерной изики, а именно, к устройствам для измерения натяжения проволок в многопроволочных пропорциональных камерах, используемых для регистрации ионизирующего излучения. Многопроволочная пропорциональная камера (МППК) представляет собой систему многих тонких (≈10-40 мкм) параллельных проволок, расположенных в одной плоскости и являющихся анодами, которые находятся в газовом объеме между двумя катодными плоскостями. Катодные плоскости в свою очередь состоят из сегментов, число которых может быть различным от 1 до 10 и больше. Разность потенциалов между анодом и катодом составляет несколько кВ. МППК обеспечивают газовое усиление 10-10 и пропорциональность амплитуды сигнала энергии, оставленной частицей в объеме газа. МППК применяют главным образом при исследованиях элементарных частиц на ускорителях высоких энергий. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры 10%. Пространственное разрешение 0.05-0.3 мм. Временное разрешение - несколько наносекунд.
Для обеспечения высоких метрологических характеристик камеры, однородности коэффициента газового усиления, временного и пространственного разрешения по всему объему камеры, а также для обеспечения стабильности ее работы в течение длительного периода времени к однородности и стабильности натяжения анодных проволок предъявляются жесткие требования. Поэтому при подготовке физических экспериментов важная роль отводится приборам, измеряющим натяжение проволок. Наличие в многопроволочных камерах хотя бы одной слабо натянутой проволоки приводит к тому, что камера начинает искрить при штатных значениях высокого напряжения анод-катод и теряет работоспособность. Ослабление натяжения проволок приводит также к увеличению уровня шумов и падению коэффициента усиления. Желательно измерять натяжение проволок как в процессе изготовления камер, так и в процессе их эксплуатации.
Приборы для измерений силы натяжения проволок используют косвенный метод измерения. На первом этапе измеряется частота гармонических колебаний проволок, а потом из уравнения гармонических колебаний вычисляется сила натяжения проволок.
0
Для проволоки с постоянной удельной плотностью ρ и длиной L, зафиксированной в двух точках с силой натяжения Т, соотношение между собственной частотой гармонических колебаний F, и силой натяжения, имеет следующий вид:
Измеряется либо собственная частота затухающих колебаний проволоки, она же называется частотой свободных колебаний, либо резонансная частота вынужденных колебаний, а затем после введения значений длины и удельной плотности проволоки вычисляется сила ее натяжения. Резонансная частота вынужденных колебаний несколько меньше частоты собственных колебаний с затуханием, но этим фактом, как правило, пренебрегают. Такой метод измерения определяет функциональный состав устройства измерения натяжения, которое должно включать в себя элементы возбуждения колебаний, элементы измерения частоты колебаний и вычислительное устройство.
Приборы, которые измеряют частоту колебаний проволок, используют магнитный, электростатический, звуковой и механический методы возбуждения колебаний в проволоках. В качестве датчика, чувствительного к колебаниям проволок, современные приборы используют оптоэлектронные и емкостные преобразователи механических колебаний в аналоговый электрический сигнал. Различны также электронные устройства, обрабатывающие и вычисляющие частоту колебаний проволоки.
Известно устройство для измерения натяжения анодной проволоки в МППК, описанное в патенте JP 10311765(A), 1998-11-24, OKUMA HIROO, KONNO KAZUO [1]. В этом приборе используется электростатический способ возбуждения колебаний проволок. На некотором расстоянии от измеряемой проволоки параллельно ей располагают две дополнительные проволоки, подключенные к двум источникам постоянного высокого напряжения противоположной полярности. К измеряемой проволоке подключен источник переменного напряжения. В качестве элемента, регистрирующего колебания проволоки, используется осциллограф, подключенный между измеряемой и одной из дополнительных проволок. Частота источника переменного напряжения сканируется в диапазоне области интересов, что возбуждает вынужденные механические колебания измеряемой проволоки за счет электростатических сил. На частоте механического резонанса амплитуда колебаний измеряемой проволоки становится максимальной, что регистрируется осциллографом. Осциллограф подключен между двумя проволоками, паразитная емкость между которыми и является датчиком колебаний проволоки. Типовые значения амплитуды колебаний проволоки при механическом резонансе не превышают 100 мк. Величина паразитной емкости между измеряемой и дополнительной проволоками составляет величину порядка 10 пФ, которая на резонансной частоте колебаний изменяется на десятые доли процента, т.е. величину порядка 0.01 пФ. При значении высокого напряжения, которое приложено к паразитной емкости равном 2 кВ, и входном сопротивлении осциллографа 10 Мом амплитуда сигнала на входе осциллографа при резонансе составляет величину порядка 20 мВ, чего вполне достаточно для его регистрации.
Недостатком устройства является трудоемкость процесса измерения, нужно вручную сканировать частоту возбуждения и одновременно следить за экраном осциллографа, что ограничивает скорость измерения. Устройство измеряет натяжение только с одной проволоки, а наличие дополнительных проволок усложняет конструкцию устройства.
Известно устройство для измерения натяжения анодных проволок в дрейфовых трубках, которые являются одной из разновидностей МППК, описанное в работе: Michael Hosak, Thomas Coan, Simple acoustical technique for automated measurement of drift tube anode wire tension. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A556, (2006), 115-118. [2]. В этом устройстве колебания проволок возбуждаются динамиком, который звуковым ударом с постоянной спектральной плотностью в диапазоне измеряемых частот возбуждает колебания проволок внутри трубочек. Между проволокой (анодом) и трубкой (катодом) подключен усилитель тока, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем и последующим быстрым преобразователем Фурье. Частотный спектр с выхода быстрого преобразователя Фурье выводится на экран компьютера. Устройство характеризуется временем измерения 2-3 с на одну проволоку и ошибкой измерения около 3 Гц.
Данное устройство обладает определенными положительными характеристиками, которые состоят в том, что процесс измерения частично автоматизирован. Недостатки устройства следующие. Фактически датчиком колебаний проволок, также как и в работе [1], является паразитная емкость между анодом и катодом. К этой паразитной емкости подключен усилитель тока, что ухудшает отношение сигнал/шум, поскольку усилитель тока отличается низким входным сопротивлением, а для оптимального съема сигналов с емкостного датчика требуется усилитель с большим входным сопротивлением. Чтобы обеспечить удовлетворительное отношение сигнал/шум приходится увеличивать мощность звукового удара, что создает шум в измерительном зале. Устройство также не пригодно для измерений натяжения в функционально законченных камерах, поскольку требуется разборка камеры, чтобы установить динамик, токовый усилитель и соответствующую электронику.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения натяжения проволок в МППК, описанное в работе: Note LHCB-Muon, 2007-120, 18 August 2007, A Laser Based Instrument for MWPC Wire Tension Measurement, W.Baldini, S.Chiozzi [3].
Устройство состоит из электромеханического соленоида, диодного лазера, оптической фокусирующей линзы, фотодиода, усилителя звуковых частот и персонального компьютера с встроенной звуковой картой, которая включает в себя аналого-цифровой преобразователь и быстрый преобразователь Фурье. Оптическая фокусирующая линза конструктивно совмещена с фотодиодом. Диодный лазер, оптическая фокусирующая линза и фотодиод являются преобразователем механических колебаний в аналоговый электрический сигнал.. Выход фотодиода подключен к входу усилителя звуковых частот, а выход усилителя подключен к входу встроенной в персональный компьютер звуковой карты, (электронная система измерения частоты колебаний проволок). Анодные проволоки подключены к источнику высокого напряжения МППК
Устройство решает задачу контроля натяжения проволок во время производства камер и работает следующим образом. Диодный лазер, оптическая ось которого расположена параллельно анодным проволокам, испускает непрерывный световой поток на волне длиной 635 нм. Испускаемый лазером световой поток преломляется на поверхности проволоки и формирует отраженный световой поток, имеющий форму световых колец. Отраженный световой поток фокусируется оптической линзой на поверхности светодиода, чувствительного в диапазоне волн 350-1100 нм. Фотодиод преобразует световой поток в электрический сигнал. Колебания проволок возбуждаются ударами электромеханического соленоида и приводят к модуляции отраженного светового потока и соответственно электрического сигнала на выходе фотодиода. Частота модуляции пропорциональна частоте колебаний проволоки. Далее электрический сигнал усиливается усилителем звуковых частот и поступает на вход звуковой карты, встроенной в персональный компьютер. Звуковая карта (электронная система измерения частоты колебания анодных проволок) включает в себя последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (с частотой преобразования 11 кГц и амплитудным разрешением 16 бит), быстрый Фурье преобразователь и компьютер. Аналого-цифровой преобразователь, преобразует аналоговый сигнал в цифровой формат. Цифровой сигнал поступает на вход быстрого Фурье преобразователя, который вычисляет частоту колебаний проволоки в зоне световой видимости фотодиода. Функцию вычислительного узла выполняет компьютер. Натяжение проволоки определяется из частоты колебаний введением коэффициента, учитывающего геометрию камеры и параметры проволоки, по формуле (1). Точностные характеристики устройства те же, как и у предыдущего аналога.
К недостаткам устройства следует отнести то, что оно не может измерять одновременно натяжение нескольких проволок, т.к. оно является одноканальным. При такой скорости измерение натяжения ста тысяч проволок потребует более чем полгода интенсивной работы. Кроме того, область его применения ограничена тем, что система измерения колебаний проволоки внедрена внутрь камеры, что позволяет контролировать только технологический процесс натяжения проволок и оставляет без контроля ряд технологических операций, при которых возможен обрыв проволок. Т.е. данное устройство не дает возможности контроля натяжения проволок в полностью собранных камерах и в процессе их эксплуатации.
Задачей заявляемого технического решения является создание устройства, которое позволит ускорить процесс измерения натяжения проволок и обеспечит измерение натяжения проволок как в процессе изготовления, так и в функционально законченных камерах.
Задача решается за счет того, что в устройстве для измерения натяжения анодных проволок в многопроволочных пропорциональных камерах, посредством измерения частоты их свободных колебаний, включающем источник высокого напряжения, подключенный к анодным проволокам, электромеханический соленоид, возбуждающий свободные механические колебания анодных проволок, преобразователь механических колебаний в аналоговые электрические сигналы, и электронную систему измерения частоты колебаний проволок, состоящую из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, быстрого Фурье преобразователя и вычислительного устройства, причем вход вышеуказанной электронной системы подключен к выходу преобразователя механических колебаний в аналоговые электрические сигналы, новым является то, что преобразователь механических колебаний в аналоговые электрические сигналы, состоит из набора зарядочуствительных предусилителей, число которых «n» равно числу катодов камеры, а электронная система измерения частоты колебаний проволок содержит «n» аналого-цифровых преобразователей, причем входы зарядочувствительных предусилителей подключены между анодными проволоками и катодами камеры, а их выходы подключены к входам аналого-цифровых преобразователей, и в устройство дополнительно введен генератор импульсов управления, один выход которого подключен к входам запуска аналого-цифровых преобразователей, а другой выход подключен к электромеханическому соленоиду.
На Фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства. На схеме показаны: 1 - корпус многопроволочной пропорциональной камеры, 2 - анодные проволоки; 3 - катоды камеры; 4 - источник высокого напряжения; 5 - электромеханический соленоид; 6 - зарядочувствительные предусилители (их количество - «n») - преобразуют механические колебания анодных проволок в аналоговые электрические сигналы; 7 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП); 8 - генератор импульсов управления; 9 - быстрый преобразователь Фурье; 10 - вычислительный узел.
Узлы 7, 9, 10 последовательно соединены и образуют электронную систему измерений частоты колебаний проволок.
D
FB
FB
HV
На Фиг.2 представлена схема зарядочувствительного предусилителя. Условные обозначения на схеме следующие: 2- анодная проволока; 3 - катод; 7 - АЦП; C - паразитная емкость анод-катод; R - сопротивление обратной связи; С - емкость обратной связи; U - высокое напряжение; GND - нулевой потенциал.
На Фиг.3 представлена схема генератора импульсов управления
EXCITE
s
На Фиг.4 представлена временная диаграмма, поясняющая работу устройства, где: 8-1 - импульсы, подаваемые на электромеханический соленоид; T - период следования импульсов запуска электромеханического соленоида; 8-2 - импульсы запуска АЦП, F - частота следования импульсов запуска (частота дискретизации); 7 - форма колебаний одной проволоки на выходе АЦП; 9 - частотный спектр свободных колебаний проволоки на выходе быстрого Фурье преобразователя.
На Фиг.5 представлена эпюра свободных колебаний одной проволоки на выходе АЦП.
На Фиг.6 представлен частотный спектр колебаний одной проволоки на выходе быстрого Фурье преобразователя.
На Фиг.7 представлен частотный спектр, снятый одновременно с 64 проволок. По данному частотному спектру можно видеть, какие из проволок имеют плохое натяжение, (проволока №22 в данном случае)
На Фиг.8 показано распределение натяжения проволок с одной камеры, содержащей 960 проволок.
На тестируемой МППК, которая состоит из корпуса 1, анодных проволок 2 и катодных сегментов 3, устанавливается электромеханический соленоид 5. Источник высокого напряжения 4 подключают к анодным проволокам 2, а входы каждого из «n» зарядочуствительных предусилителей 6 подключают между катодными сегментами 3 (они же являются считывающими электродами камеры) и анодными проволоками камеры 2. Число зарядочувствительных предусилителей "n" равно числу считывающих катодов МППК. Выходы зарядочувствительных предусилителей 6 подключены к сигнальным входам аналого-цифровых преобразователей 7 (их количество равно «n»), вход запуска которых подключен к второму выходу (8-2) генератора импульсов управления 8. Первый выход (8-1) генератора импульсов управления 8 подключен к электромеханическому соленоиду 5. Выходы аналого-цифровых преобразователей 7 подключены к быстрому преобразователю Фурье 9, а выход преобразователя Фурье к входу вычислительного узла 10.
Устройство работает следующим образом.
Внутри МППК с корпусом 1 размещены анодные проволоки 2 и сегментированный катод 3. Ограничений на конструкцию и состав указанных элементов нет, т.е. корпус камеры может быть открыт и оборудован только одной катодной плоскостью, корпус может быть также полностью оборудован, закрыт и наполнен ионизирующим газом. Анодные проволоки 2 подключены к источнику высокого напряжения 4. На корпусе многопроволочной камеры 1 расположен электромеханический соленоид 5. Устройство измеряет натяжение проволок в соответствии с формулой (1). Свободные колебания анодных проволок 2 в камере возбуждаются ударным молоточком электромеханического соленоида 5, который под управлением генератора 8 производит периодические импульсные механические удары по корпусу камеры. Временные интервалы, между возбуждающими импульсами в 3-4 раза больше, чем постоянная времени затухания свободных колебаний. Экспериментальные данные дают величину постоянной времени затухания для типовых проволочных камер в диапазоне значений 0.1÷0.5 с, что определяет временной интервал измерений в 1 с и соответственно теоретический предел точности измерений частоты колебаний равный 1 Гц. Сила ударов молоточка подбирается экспериментально и определяется из механических характеристик корпуса камеры и чувствительности системы измерения колебаний. Сегменты катода 3 подключены к входам зарядочувствительных предусилителей 6, которые чувствительны к заряду паразитной емкости между анодной проволокой и катодными сегментами. Эти заряды изменяются пропорционально амплитуде колебаний проволок и величине высокого напряжения, приложенного между анодными проволоками и сегментами катода:
где ΔQ - изменение заряда на емкости анодная проволока - катод,
HV
U - высокое напряжение приложенное к анодной проволоке,
D
ΔC - изменение паразитной емкости анодная проволока - катодный сегмент,
0
F - частота свободных колебаний.
Зарядочувствительные предусилители 6 преобразуют наведенные на емкости анодная проволока - катодный сегмент электрические заряды в напряжение и формируют выходные сигналы, которые аналого-цифровыми преобразователями 7 преобразуются в цифровую форму. Напряжение на выходе зарядочувствительного предусилителя 6 пропорционально величине изменения заряда и обратно пропорционально емкости обратной связи предусилителя:
где: ΔU - напряжение на выходе зарядочувствительного предусилителя,
FB
С - емкость обратной связи предусилителя.
Коэффициент преобразования предусилителя стабилизирован и определяется параметрами емкости обратной связи.
Схема зарядочуствительного предусилителя приведена на Фиг.2.
0
Аналого-цифровые преобразователи выполняют функцию преобразования аналогового сигнала в цифровую форму и работают в цикличном режиме, который синхронизован с ударами электромеханического соленоида. Частота преобразования АЦП (Fs) внутри каждого цикла измерений, чтобы удовлетворить критерию Котельникова, устанавливается выше максимально возможного двойного значения частоты свободных колебаний анодных проволок (F), длительность цикла измерений устанавливается в соответствии с постоянной времени затухания свободных колебаний, интервал времени между циклами определяется характеристиками быстрого Фурье преобразователя и вычислительного устройства. Схема включения АЦП может быть произвольной, т.е. либо мультиплексируемой либо параллельной. Управление частотой запуска АЦП осуществляется импульсами запуска генератора управляющих импульсов 8 с его выхода 8-2. Такая организация обеспечивает режим измерения, в котором фаза колебаний проволок и частота считывания данных системы измерения частоты колебаний проволок синхронизованы с погрешностью, определяемой лишь разбросом в силе натяжения проволок. Быстрый преобразователь Фурье 9 и вычислительный узел 10 реализованы в персональном компьютере на программном уровне.
Описание зарядочувствительных предусилитей и генераторов импульсов дано, например, в следующей литературе: ГОСТ 18229-81 - Предусилители спектрометрические, зарядочувствительные. [4] ГОСТ 11113-74 - Генераторы импульсов измерительные. Типы, основные параметры. Технические требования. [5]
2
th
th
Заявляемое устройство для измерения натяжения проволок испытано при тестировании проволочных камер мюонного трекового детектора в эксперименте АЛИСА, ЦЕРН. В данном случае устройство состояло из секционированных многопроволочных камер с минимальными размерами секции 400×400 мм, 160 проволоками на одной секции и числом секций от 2 до 6. В результате число измеряемых проволок в одной камере варьирует от 320 до 960. Параметры проволок: длина проволок 410 мм, диаметр 20 мк, удельная плотность 0.006063 г/м, сила натяжения 40 г, частота свободных колебаний 310 Гц. Расстояние между анодными проволоками 2.5 мм. В приборе были использованы высоковольтный источник питания фирмы CAEN (Италия), величина высокого напряжения 1650 В, генератор импульсов управления по схеме на Фиг.3, соленоид, работающий от +5 В с ударным молоточком с площадью зоны удара 4 мм и силой удара 200 г, система измерения состояла из набора 64 канальных зарядочувствительных предусилителей MANU с интегрированными в них АЦП по схеме с входным 32 канальным мультиплексором. Разрешающая способность АЦП 12 бит. Выходные данные АЦП передавались в персональный компьютер через устройства передачи данных Translation Board, [6]: The tracking system of the ALICE dimuon spectrometer / Basciu, S; Arba, M; Atanassov, I; Cicalò, С; De Falco, A; Floris, M; La Delfa, L; Marras, D; Masoni, A; Puddu, G et al. 50IEEE 2003 Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, 13 International Workshop on Room Temperature Semiconductor Detectors and Symposium on Nuclear Power Systems, Portland, OR, USA, 19-25, Oct.2003, pp.660-664, (v.1).
Быстрый Фурье преобразователь реализован в персональном компьютере.
Временные характеристики устройства:
- Длительность цикла измерения 1 с.
- Время обработки событий 2 с
- Производительность прибора 64 проволоки за 1 цикл измерений
На Фигурах 5-8 приведены графические данные измерений.
Из Фиг.6 видно, что устройство отличается высоким отношением сигнал/шум, которое больше 10, и шириной пика частоты свободных колебаний на половине высоты не хуже 5 Гц, что дает точность определения натяжения проволок +/- 1 г.
Таким образом, заявляемое многоканальное устройство позволяет за несколько секунд измерить натяжение почти тысячи проволок с точностью, сравнимой с точностью одноканальных устройств. Кроме того, устройство работоспособно как при производстве многопроволочных пропорциональных камер, так и в собранном, функционально законченном виде.
Список литературы
1. Патент JP 10311765 (A) G01L 5/10, 5/04, G01H 13/00, опубл. 1988-11-24 "Method and Apparatus for Measuring Wire tension in Multiwire Chamber".
2. Michael Hosak, Thomas Coan, Simple acoustical technique for automated measurement of drift tube anode wire tension, «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research», A556, (2006), 115-118.
3. W.Baldini, S.Chiozzi, A Laser Based Instrument for MWPC Wire Tension Measurement, «Note LHCB-Muon», 2007-120, 18 August 2007 - прототип.
4. ГОСТ 18229-81 - Предусилители спектрометрические, зарядочувствительные.
5. ГОСТ 11113-74 - Генераторы импульсов измерительные. Типы, основные параметры, технические требования.
th
6. Basciu, S; Arba, M; Atanasov, I; Cicalo, C; De Falco, A; Floris, M; et al. The tracking system of the ALICE dimuon spectrometer. 50 IEEE 2003Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, 13 International Workshop on Room Temperatures Semiconductor Detectors and Symposium on Nuclear Power Systems, Portland, OR, USA, 19-25, Oct. 2003, p.p.660-664, (v.1).