Электроника для спектрометрических систем детектора КМД-2 на основе кристаллов германата висмута

Криогенный Магнитный Детектор КМД-2 предназначен для работы на встречных электрон-позитронных пучках в диапазоне энергий 340-г1400МэВ в системе центра масс [1,2, 3]. В 70-х годах эксперименты на встречных пучках в этой области энергий проводились с детекторами M3N и DM1 на накопителе ACO и с детекторами ОЛЯ [4,5], КМД [6,7] и НД [8] на накопителе ВЭПП-2М. Типичные параметры этих детекторов: телесный угол регистрации частиц — примерно 0.6*4к, гранулярность калориметра — около 100. В 1992;2000 гг. на модернизированном накопителе ВЭПП-2М работали детекторы с телесным углом регистрации, близким к 4л — Криогенный Магнитный Детектор КМД-2 и Сферический Нейтральный Детектор СНД [9]. Калориметры этих детекторов содержали более 1500 кристаллов. Улучшение параметров детекторов в совокупности с увеличением светимости накопителя позволило выйти на новый уровень точности проводимых экспериментов.

Детектор КМД-2 является первым универсальным магнитным детектором с близким к 4тс телесным углом регистрации частиц, работающим в диапазоне энергий 340-И400 МэВ. Он представляет собой магнитный спектрометр, окруженный электромагнитным калориметром. Многие из физических процессов, изучаемых с помощью КМД-2, характеризуются наличием двух и более гамма-квантов в конечном состоянии. Для регистрации таких процессов важно иметь телесный угол калориметра максимально близкий к 4л:. У детектора КМД-2 телесный угол цилиндрической части калориметра составляет 0.65*4тс, а телесный угол полного калориметра (цилиндрической и торцевой частей) составляет 0.94*4тс. Для примера приведем увеличение эффективности регистрации нескольких процессов при использовании полного калориметра по сравнению со случаем, когда используется только цилиндрический калориметр: ф->Г|'у, Т|' —тс+л т), T|->YY примерно в 2 раза [10], е+е~->л+л~л°л0, л°->уу более чем в 3 раза [11].

Таким образом, использование торцевого калориметра позволяет существенно улучшить параметры детектора в целом.

Для оперативного измерения светимости на детекторе КМД-2 в период с осени 1991 г до лета 1998 г использовалась отдельная система измерения светимости. Главной задачей этой системы было не достижение высокой точности измерения светимости, необходимой для получения физического результата, а оперативное измерение светимости с целью подстройки режимов работы накопителя для получения максимальной светимости, а также для примерного учёта набранного интеграла светимости. Наиболее часто для оперативного измерения светимости выбирается процесс упругого рассеяния электронов и позитронов на малые углы. Однако конструкция экспериментального промежутка такова, что места для размещения детекторов рассеянных электронов и позитронов недостаточно, и поэтому в данной системе измерения светимости используются процессы однократного и двойного тормозного излучения и двухквантовой аннигиляции. Регистрирующими устройствами системы являются два счётчика полного поглощения, которые регистрируют частицы, вылетевшие из накопителя вдоль оси пучков (в основном это фотоны от вышеуказанных процессов).

Общим в устройстве торцевого калориметра и счетчиков полного поглощения, используемых в системе измерения светимости, является то, что они построены на основе кристаллов германата висмута ВцСезО^ (ВвО), а в качестве фотоприемников используются вакуумные фототриоды. Применение нового для того времени сцинтиллятора и относительно нового типа фотоприемников обусловлено рядом специфических требований, предъявляемых к чувствительным устройствам обеих систем.

Долгое время спектрометрические тракты калориметров строились на основе кристаллов Ка1(Т1) с регистрацией сцинтилляционного света с помощью фотоумножителей. Благодаря большому коэффициенту усиления фотоумножителей в таких системах электрический сигнал на входе электроники получался уже достаточно большим, поэтому, во-первых, шумы электроники были незначительны по сравнению с сигналом, и во-вторых, преобразования, выполняемые над аналоговым сигналом до его оцифровки, были простыми. В 70х-80х годах был достигнут значительный прогресс в технологиях производства фотоприёмников. Были созданы два новых типа фотоприемников — вакуумные фототриоды и полупроводниковые фотодиоды. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными фотоумножителями: более стабильны, работоспособны в магнитных полях, компактны, дёшевы. Однако, оба этих типа фотоприёмников имеют общий недостаток — их коэффициент усиления (примерно 10 у фототриодов и 1 у фотодиодов) значительно меньше, чем коэффициент усиления фотоумножителей (106−107). В связи с этим потребовалась электроника принципиально нового уровня сложности: малошумящие зарядочувствительные усилители, формирователи сигналов и другие устройства, обеспечивающие регистрацию малых входных сигналов с высокой точностью. Применение фототриодов и фотодиодов в многоканальных калориметрах современных детекторов стало возможным только в результате появления компактной и недорогой малошумящей электроники, которое было обусловлено совершенствованием технологии изготовления электронных приборов и компонентов: малошумящих транзисторов, серийных интегральных микросхем, а затем и заказных специализированных интегральных микросхем (ASIC). Параметры электронного тракта стали играть заметную роль в энергетическом разрешении современных калориметров.

Массовое применение в калориметрах вакуумных фототриодов и полупроводниковых фотодиодов в комплекте с соответствующей малошумящей электроникой началось в 90-х годах. В качестве примеров наиболее крупных калориметров, устроенных таким образом, молено привести следующие. Калориметр детектора CLEO II [12, 13] (Cornell, США) состоял из 7800 кристаллов Csl, его особенностью являлось то, что каждый кристалл был оборудован четырьмя комплектами «полупроводниковый фотодиод + зарядочувствительный предусилитель». Торцевой калориметр детектора OPAL [14] состоял из 2264 кристаллов свинцового стекла, каждый из которых был оборудован вакуумным фототриодом и зарядочувствительным предусилителем. Калориметр детектора L3 [15, 16] состоял из -10 800 кристаллов BGO, каждый из которых был оборудован двумя полупроводниковыми фотодиодами и двумя зарядочувствительными предусилителями. Оба эти детектора работали на накопителе LEP (CERN, Швейцария). В России в то время торцевой калориметр детектора КМД-2 и калориметр детектора СНД были единственными работающими крупными установками, в калориметрах которых были применены вакуумные фототриоды и малошумящая электроника.

В связи с массовым использованием малошумящей электроники определились области применения различных технологий изготовления электроники для установок различного масштаба. Для систем с числом каналов примерно до тысячи электроника изготавливается из дискретных элементов, монтируемых на печатные платы (к этой группе относится и торцевой калориметр детектора КМД-2, состоящий из 680 каналов). Для систем с числом каналов порядка нескольких тысяч становится целесообразным изготавливать различные функциональные узлы электроники в виде гибридных микросхем или (и) заказных специализированных микросхем (например, зарядочувствительные предусилители калориметра детектора CLEO II [12], зарядочувствительные предусилители калориметра детектора L3 [15], а также зарядочувствительные предусилители для калориметров детекторов СНД и КЕДР [33]).

В связи со спецификой применённых в чувствительных устройствах торцевого калориметра и системы измерения светимости сцинтиллятора и фотоприемников электроника этих систем должна удовлетворять очень жестким требованиям к величине шумов. Опыт работы нескольких детекторов, для которых также важна регистрация гамма-квантов с энергией порядка ЮОМэВ и используются фотоприемники с низким коэффициентом усиления [13, 15], показывает, что в этом случае типичная величина энергетического эквивалента шумов электроники составляет 1МэВ. При разработке торцевого калориметра детектора КМД-2 была поставлена задача получить величину энергетического эквивалента шумов не более 1 МэВ. Это необходимо для того, чтобы торцевой калориметр наряду с выполнением своей основной функции — измерением энергии частиц — мог участвовать в триггере детектора. Увеличение величины шумов привело бы к заметным ухудшениям энергетического и временного разрешений и росту порога регистрации. Электроника системы измерения светимости, кроме малых шумов, должна удовлетворять еще ряду весьма специфических требований, обусловленных выбранной методикой измерения светимости. Поэтому для каждой из этих систем потребовалось создать специальную электронику, согласованную по параметрам с чувствительными устройствами данной системы и оптимизированную для достижения наилучших физических параметров. Данная работа посвящена созданию электроники для торцевого калориметра и системы измерения светимости детектора КМД-2.

В Главе 1 дано описание накопителя ВЭПП-2М и детектора КМД-2. В описании детектора представлены его основные системы, а также приведены основные особенности аппаратуры системы сбора данных и триггера.

Глава 2 посвящена описанию электроники торцевого калориметра. В ней приведено обоснование технических требований, предъявляемых к электронике торцевого калориметра, описаны зарядочувствительные усилители, усилители-формирователи, методики их тестирования и достигнутые параметры, а также рассмотрена аппаратура триггера торцевого калориметра. Шумы электроники дают существенный вклад в энергетическое раразрешение торцевого калориметра в области энергий ниже 100 МэВ, а также являются основным фактором, ограничивающим временное разрешение и пороговую энергию для запуска измерений по сигналам торцевого калориметра. Поэтому достижению минимально возможого уровня шумов электроники было уделено особое внимание. Кроме того, при разработке многоканальной аппаратуры важными критериями выбора схемотехнических решений являются хорошая повторяемость параметров, малая трудоемкость настройки и стоимость аппаратуры. В Главе 2 поясняется, что по этим критериям удачными решениями являются выбранный способ передачи сигналов от зарядочувствительных усилителей к блокам усилителей-формирователей, а также способ регулировки усиления, впервые применённый автором для прецизионной регулировки усиления и успешно реализованный в оригинальном узле электронной регулировки усиления канала усилителя-формирователя.

Счётчики системы измерения светимости находятся в условиях большой загрузки электронами/позитронами и гамма-квантами, вылетающими из места встречи пучков, а также фоновыми частицамипричём загрузки счётчиков при установленном значении энергии накопителя могут меняться в несколько десятков раз в течение захода. При таких загрузках ФЭУ не обеспечивают необходимой стабильности коэффициента преобразования световой вспышки в электрический сигнал, поэтому в качестве фотоприёмников применены фототриоды. В связи с этим разработка электроники для системы измерения светимости являлась очень нетривиальной задачей, так как, несмотря на относительно малый выходной сигнал фототриодов, необходимо было обеспечить высокую точность счёта фотонов в широком диапазоне условий: во-первых, во всём рабочем диапазоне энергий накопителя, а во-вторых, при всех реальных загрузках счётчиков. Описание электроники системы измерения светимости дано в Главе 3. В ней кратко описан метод измерения светимости и формулируются обусловленные им технические требования к электронике, изложены принципы работы электроники и приведены расчеты наиболее важных её параметров. Поскольку, в отличие от большинства спектрометрических трактов, в рассматриваемой электронике формирование аналоговых сигналов оптимизировано для достижения наилучшего временного разрешения, подробно поясняется оригинальное применение известной ранее формирующей схемы. В связи с исключительной важностью обеспечения высокой помехоустойчивости системы, при описании электроники особо упомянуты меры защиты от помех и удачно реализованный способ подавления помех, создаваемых пучками частиц.

Основные результаты работы приведены в Заключении.

Заключение

.

Данная работа посвящена созданию электроники для торцевого калориметра и системы измерения светимости детектора КМД-2. Основные результаты работы следующие:

1. Создана электроника для торцевого калориметра, представляющая собой единый набор электронных модулей и блоков, выполняющих все требуемые функции по аналоговой обработке сигналов калориметра и выработке логических сигналов для Первичного Триггера. В 1994 г. была введена в эксплуатацию аналоговая электроника, а вся электроника в полном объёме (включая Триггер Торцевого Калориметра) проработала с 1996 г по 2000 г.

Разработаны методики наладки и тестирования электроники на стенде и создано соответствующее программное обеспечение. Все модули и блоки электроники были отлажены и проверены перед постановкой на детектор. Разработаны также методики контроля и оперативного управления электроникой на детекторе.

Достигнутые характеристики кристаллов, вакуумных фототриодов и электронного тракта позволили получить энергетический эквивалент шумов 0.9 МэВ, что не уступает лучшему в то время калориметру, построенному на основе кристаллов BGO с использованием фотоприемников с низким коэффициентом усиления — калориметру детектора L3.

2. Создана электроника для системы измерения светимости, соответствующая весьма специфическим требованиям, обусловленным выбранным методом измерения светимости. В апреле 1995 г. аналоговая электроника системы была заменена на полностью оригинальную, а в марте 1996 г. был также установлен специальный Блок Логической Обработкив результате этих усовершенствований электроники значительно улучшилась помехоустойчивость системы и возросла стабильность её работы. С модернизированной электроникой система проработала до лета 1998 г. Окончание эксплуатации системы связано с тем, что с её помощью было надёжно налажено измерение светимости по данным торцевого калориметра.

Разработаны методики тестирования электроники, установленной на накопителе, а также специальная процедура контроля и подстройки задержек логических сигналов мониторов светимости.

При достигнутых параметрах электроники систематическая ошибка, вносимая электроникой в точность измерения светимости, была значительно меньше погрешностей, обусловленных фоновыми частицами.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю В. М. Аульченко, а также В. П. Смахтину и Д. Н. Григорьеву — руководителям работ по созданию торцевого калориметра и системы измерения светимости — за постоянное внимание и активную помощь в работе. Я глубоко признателен заведующим нашей лабораторией Льву Митрофановичу Баркову и Борису Исааковичу Хазину за большое внимание к этой работе, а также к качеству изложения материала. Большой вклад в работу внесли P.P. Ахметшин, И. Б. Логашенко, А. А. Рубан, В. И. Свердлов, В. Е. Федоренко, которые участвовали в работах по созданию торцевого калориметра и системы измерения светимости. Я благодарен студентам Н. С. Даирбекову и B.C. Летунову, дипломные работы которых также внесли свой вклад в данную работу. Хотелось бы поблагодарить всех участников коллаборации КМД-2, коллективный труд которых сделал возможным осуществление этой работы.