НАКАМЕРНОЕ РЕГИСТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДРЕЙФОВЫХ КАМЕР МЮОННОГО ТОМОГРАФА НА КОСМИЧЕСКОМ ИЗЛУЧЕНИИ

Полезная модель относится к устройствам для съема сигналов с дрейфовых камер, измерения времени прихода этих сигналов, кодирования информации в цифровой код, передачи ее в компьютер и предназначена для мюонного томографа на космическом излучении. Полученная информация с томографа после обработки позволяет реконструировать послойную структуру объекта, расположенного внутри томографа, посредством его многократного просвечивания в пересекающихся направлениях космическими лучами, и может быть использована для изучения возможностей обнаружения скрытых объектов различной плотности.
Известны различные устройства подобного типа, в которых происходит измерение времени прихода сигналов с дрейфовых камер. Так для дрейфовых камер установки АТЛАС-ЦЕРН (Journal of Instrumentation 2008, vol. 3, JINST3, PO9001, "ATLAS Muon Drift Tube Electronics") такой же конструкции, что и в томографе, была разработана и изготовлена накамерная регистрирующая система на 360 тыс. каналов. Это устройство позволяет измерять времена прихода входных сигналов с дрейфовых камер с шагом 0.78 нс. Недостатком данного устройства является невозможность работы этого устройства в бестриггерном режиме.
Известна также регистрирующая система для мюонного томографа на 768 дрейфовых трубок (Приборы и техника эксперимента, 2013, №2, стр. 39-48, «Система сбора данных и управления в стандарте электроники МИСС для детектора на дрейфовых трубок»). Система предназначена для работы в бестриггерном режиме, основой которой являются 32-канальные модули время - цифрового преобразования прямого счета с ценой одного отсчета 5 нс. Данная система не позволяет получить требуемое разрешение равное 1 нс. Указанные модули размещаются в блочных каркасах системы МИСС, которые находятся на расстоянии не менее 10÷20 м от томографа. Это ведет к значительному увеличению соединительных кабелей между томографом и регистрирующей системой и соответственно к возрастанию вероятности возникновения взаимных наводок и сбоев в работе системы, а также к ее удорожанию.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели по совокупности признаков является регистрирующая система для мюонного томографа, описанная в патенте на полезную модель №122191, дата регистрации 20.11.2012 г., «Мюонный томограф». Основа этой системы - 128-канальные модули время-цифрового преобразования, выполненные в стандарте шины VME (VERSA Module EUROCARD), размещаемые в каркасе «Евромеханика 9U». Они работают в бестриггерном режиме и позволяют определять времена прихода входных сигналов с дрейфовых камер с точностью 1 нс. Недостаток данной системы заключается в том, что эта система находится на расстоянии не менее 10÷20 м от детектора, что приводит к значительному увеличению соединительных кабелей между томографом и регистрирующей системой и соответственно к возрастанию вероятности возникновения взаимных наводок и сбоев в работе системы, а также к ее удорожанию.
В мюонном томографе на космическом излучении триггерный сигнал не используется, т.к. в противном случае это потребует введение дополнительных детекторов (например, сцинтилляционных счетчиков), что приводит к усложнению конструкции, увеличению объема установки и ее удорожанию. Поэтому было предложено регистрирующее устройство, работающее в бестриггерном режиме. Кроме того, вся электроника располагается на детекторе, что позволяет отказаться от большого количества соединительных кабелей между усилителями-формирователями и регистрирующей электроникой. Система связана с внешним миром только кабелями питания и связи с компьютером.
Технический результат данной полезной модели заключается в реализации возможности построения накамерного регистрирующего устройства мюонного томографа, работающего в бестриггерном режиме, когда псевдотриггерный сигнал с определенной периодичностью формируется таймером, и все сигналы, пришедшие в пределах заданного временного интервала, регистрируются электроникой, измеряющей времена дрейфа частиц с точностью 1 нс. Это дает высокую точность реконструкции углов прилета мюонов в детекторе с одновременным обеспечением качественной реконструкции послойной структуры исследуемого объекта.
Заявленный технический результат достигается по двум причинам. Во-первых, разводка 48-канальных плат типа MT-48I, составляющих основу системы, проведена таким образом, что сводит к минимуму возможность возникновения взаимных наводок между входными каналами и генерации на проводах связи между платами и в кабелях связи USB-сети. Во-вторых, платы MT-48I, включающие в себя усилители-формирователи, преобразователи «время-цифра», схему управления, которая организует бестриггерный режим сбора данных и синхронизирует работу всех плат MT-48I, подключены непосредственно к сигнальным платам дрейфовых камер. На основе вышесказанного можно утверждать, что накамерное регистрирующее устройство позволяет регистрировать входные сигналы с точностью 1 нс в бестриггерном режиме.
Накамерное регистрирующее устройство включает в себя:
- усилители-формирователи (УФ);
- схему время-цифрового преобразователя момента прихода сигналов (ВЦП);
- интерфейс передачи данных в компьютер;
- узел управления.
Устройство должно удовлетворять таким требованиям как разумные размеры электроники, необходимое быстродействие, высокая надежность, низкое энергопотребление, разумная стоимость. Основой этого устройства являются 48-канальные платы типа MT-48I, которые устанавливаются непосредственно на детектор и соединяются своими входными разъемами с двумя сигнальными платами. Это исключает соединительные кабели между усилителями-формирователями и преобразователями «время-цифра». Каждая плата имеет подключение к компьютеру по USB.
Накамерное регистрирующее устройство, структурная схема которого представлена на рисунке 1, включает в себя 48 плат MT-48I. Каждая плата MT-48I содержит 48 каналов усилителей-формирователей (УФ), приемники (Пр.), логический блок, узел управления, контроллер USB и схему регулировки порогов усилителей-формирователей на основе ЦАП. Усилитель-формирователь разработан на основе операционного усилителя и компаратора. Чувствительность усилителя находится в пределах 0,4 мкА - 2 мкА. В качестве операционного усилителя выбрана интегральная схема LMH6624 фирмы National Semiconductor с малым уровнем шума равным 0.92nV/√Hz и широкой полосой пропускания 1,5 Ггц. Напряжение питания от ±2,5 В - до ±5,0 В. Для уменьшения размеров печатной платы усилителей, выбран корпус усилителя SOT23-5. Усилитель выполнен по схеме инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления Ku=100. Усилитель имеет защитную цепочку входа, состоящую из диодной сборки BAV99 и резистора 10 Ом. Эта цепь ограничивает амплитуду входного сигнала на уровне ±0,8 В.
После усилителя включен RC-CR фильтр-формирователь для формирования выходного сигнала и уменьшения его высокочастотной компоненты. Дифференцирующая RC-цепочка укорачивает длительность импульса. А при прохождении сигнала через интегрирующую цепочку ослабляются его высокочастотные составляющие. Усиленный сигнал поступает на компаратор, выполненный на интегральной схеме ADCMP604. Это быстрый LVDS компаратор с напряжением питания +3.3В -+5В. Сигнал положительной полярности подается на один из входов компаратора, а на второй вход подается регулируемое опорное напряжение. Минимальное пороговое напряжение - 8 мВ, обеспечивает чувствительность усилителя 0,4 мкА по входу. Порог чувствительности усилителя может регулироваться как вручную, расположенными на печатной плате потенциометрами, так и автоматически (задаваться компьютером установкой нужных кодов в каждом из шести ЦАП). Каждая выходная пара LVDS-сигналов терминируется резистором 110 Ом на входе приемника. Предусмотрена возможность подачи на вход усилителя тестового сигнала.
Логический блок реализован на микросхеме фирмы ALTERA типа EP1K100QC208 и включает в себя 49-ти канальный время-цифровой преобразователь (ВЦП) с буферной памятью, интерфейс с USB-контроллером, интерфейс с цифро-аналоговыми преобразователями и регистр маски. Для передачи сигналов с усилителей-формирователей в микросхему EP1K100QC208 в качестве приемников выбраны 8-канальные микросхемы SN65LVDT388A. Контроллер USB на основе микросхемы CY7C68001 обеспечивает передачу информации из буферной памяти логического блока в компьютер и передачу из компьютера установочных кодов для ЦАП и регистра маски. Для работы ВЦП используются сигналы управления, которые поступают с узла синхронизации, предназначенного для разветвления этих сигналов от компьютера на все платы MT-48I в уровнях LVDS. 49-ый канал ВЦП служит для подачи сигнала тест с целью проверки работоспособности плат. Для измерения времени прихода входных сигналов используется внешний сигнал с частотой 25 МГц, который с помощью умножителя частоты (УЧ) преобразуется в сигнал с частотой 125 МГц, служащий опорой для измерения времени. Эти сигналы передаются от компьютера к блокам МТ-48 в уровнях LVDS.
Время-цифровой преобразователь осуществляет регистрацию входных хитов в бестриггерном режиме и занесение данных в буфер FIFO (first in - first out), емкость которого составляет 1к*32 бит.Регистрация входных сигналов разрешается внешним сигналом прием. При этом снимается сброс с 21-разрядного счетчика времени, и он начинает считать импульсы входной опорной частоты 125 МГц. Переполнение этого счетчика происходит за время одного временного окна, что составляет ~16 мс, при этом вырабатывается сигнал, который подается на счетчик временных окон, имеющий восемь двоичных разрядов.
Приходящий с детектора входной сигнал поступает на одновибратор со временем выдержки от 750 до 1000 не, который задает мертвое время в канале для фильтрации срабатываний от вторичных сигналов, возникающих в трубке от той же частицы. Канал также не принимает данные, пока информация с него не будет перенесена в FIFO. Выходной сигнал одновибратора подается в нониусную часть канала, состоящую из восьми элементов задержки по ~1 не и восьми соединенных с ними регистров, где с каждым тактом опорной частоты фиксируется разница времен прихода фронтов входного сигнала и положительного фронта опорной частоты в виде "градусникового" кода. Из этого кода в 8 разрядов вычисляются 3 бинарных разряда нониуса, которые вместе с 21-разрядным значением текущего счетчика времени запоминаются в сдвиговом регистре данного канала. В этом регистре полученный 24-разрядный код времени события ожидает очереди на вычитывание в выходное FIFO. Таким образом, формируется значение времени регистрации входного сигнала с дискретностью 1 не в диапазоне 224 не относительно сигнала начала регистрации - прием.
Появление ненулевой информации в нониусном регистре взводит триггер флага сработавшего канала, который синхронизирует запись данных в сдвиговый регистр и интерпретируется как требование на вычитывание. Флаги всех сработавших каналов приходят в узел синхронизации переноса данных из сдвиговых регистров в FIFO, где фиксируются в регистре и кодируются приоритетным шифратором, определяющим очередность вычитывания данных из сработавших каналов. Канал со старшим номером будет вычитан первым. Время обработки одного канала составляет 232 нс.
В информационном слове данных 24 разряда отводится для измеренного времени прихода входных сигналов и 6 разрядов для номера сработавшего канала. Полученная информация со всех плат MT-48I передается по USB-сети с помощью хабов в компьютер. В качестве компьютера используется компьютер в ITX форм-факторе. Связь компьютера с внешним миром осуществляется по каналу Ethernet.
В целом накамерное регистрирующее устройство обеспечивает реализацию возможности значительного повышения точности реконструкции углов прилета мюонов в детекторе, а также высокую надежность работы системы. Это объясняется тем, что, во-первых, система работает в бестриггерном режиме и определяет времена прихода входных сигналов с точностью 1 нс. Во-вторых, устройство располагается на детекторе и связано с внешним миром только проводами подачи напряжений питания и кабелем связи.