Экспериментальный стринг

Система управления оптическими модулями проектируемого байкальского глубоководного нейтринного телескопа НТ1000

 

Выпускная квалификационная

работа на степень бакалавра

студента 481 гр.

Кулешова Д.А.

 

Научный руководитель

Старш.науч.сотр. ИЯИ РАН

к.ф.-м.н.

Айнутдинов В.М.

 

ИЯИ РАН, г. Москва,

2008 г.

Содержание

Введение

Экспериментальный стринг

Компоненты системы управления оптическими модулями

Разработка шины управления – RS485

Линия передачи данных – Ethernet

Электроника оптического модуля

Развёртывание экспериментального стринга на оз. Байкал, отладка системы управления

Первые экспериментальные результаты

Заключение

 

Введение

Нейтринная астрофизика исследует Вселенную, регистрируя потоки нейтрино. Метод глубоководного детектирования нейтрино, впервые предложенный в 1960 году М.А.Марковым [1], основан на регистрации черенковского излучения заряженных частиц (релятивистских мюонов либо электромагнитных или адронных ливней), образующихся в результате взаимодействия нейтрино в грунте или в эффективном водном объёме детектора. Этот метод открывает возможность создания глубоководных установок с эффективной площадью до 10⁵ - 10⁶ м² и эффективным объёмом до 10⁷ - 10⁹ м³, необходимых для регистрации природных потоков нейтрино высоких энергий, пришедших из дальнего космоса (нейтрино высоких энергий бывают и другого происхождения – они рождаются в околоземном пространстве при взаимодействии космических лучей с атмосферой планеты). Определяя их направление движения и энергию, можно получить массу информации об активных ядрах галактик; о взрывах очень массивных звёзд, в результате которых образуются чёрные дыры; о сверхновых звёздах и распаде массивных реликтовых частиц, родившихся на ранних этапах образования Вселенной.

В отличие от подземных детекторов, эффективная площадь и эффективный объём глубоководных установок зависят от интенсивности источника черенковского излучения и от оптических параметров среды и могут существенно превышать геометрические размеры детектора.

Байкальский нейтринный детектор был задуман в 1979 году М.А.Марковым, академиком-секретарём отделения ядерной физики Академии наук, а А.Е.Чудаков обратил внимание на то, что наличие прочного льда на озере Байкал в течение почти 2-х меся­цев дает возможность сравнительно просто проводить работы по развёртыванию глубоководной установки, и с начала 80-х годов на озере Байкал ведутся эксперименты по глубо­ководной регистрации мюонов и нейтрино.

Первая очередь нейтринного детектора (NT-36) – три вертикальных стринга с 12 оптическими модулями (ОМ) на каждом – заработала под водой в апреле 1993 года. В этом же году к поиску нейтрино подключились американцы – детектор AMANDA [3] они решили разворачивать в Антарктиде на американской станции Амундсен - Скотт.

В Европе с середины 90-х тоже было начато строительство сразу трёх аналогичных установок для регистрации нейтрино высоких энергий – ANTARES (Франция) [5], NEMO (Италия) [6] и NESTOR (Греция) [4].

Рис. 1. Глубоководный телескоп НТ200+.

На сегодняшний день Байкальский нейтринный телескоп (НТ200+) представляет собой конструкцию с 8 вертикальными гирляндами – стрингами, на которых расположено 192 оптических модуля (НТ200) [8]. Модули находятся друг от друга на расстоянии примерно равном длине поглощения света в байкальской воде. Отдельно от неё (на расстоянии 100 метров от центра) висят три дополнительных стринга с 12 ОМ на каждом (НТ+). Эти стринги дали детектору возможность поиска каскадов от нейтрино сверхвысоких энергий. Нейтринный телескоп, состоящий из объединенных НТ200 и НТ+, получил название НТ200+.

Основная проблема состоит в том, что для гарантированной регистрации нейтрино с энергиями свыше 100 ТэВ требуются детекторы с чувствительным объёмом не менее 1 км³ (чувствительный объём самого большого детектора AMANDA составляет всего 0,015 км³). Поэтому все созданные на сегодня подводные и подлёдные установки являются лишь маленькими прототипами.

Первыми к постройке кубокилометрового детектора устремились американцы: в 2002 году было решено создавать на базе AMANDA супердетектор из 80 стрингов по 60 оптических модулей на каждом. Этот проект получил название IceCube [7]. На сегодняшний день в лёд Антарктиды вморожена примерно половина модулей. Полностью IceCube будет готов к 2011 году.

Средиземноморские проекты будут развиваться в том же направлении, но с некоторой задержкой – не решён вопрос с местом развёртывания установки. Каждая из стран участниц (Франция, Италия и Греция) хочет, чтобы место было выбрано около её берегов. Так же заторможено финансирование проекта, пока американцы не начнут получать со своего IceCube действительно интересные данные.

В настоящее время на базе байкальского нейтринного детектора НТ200+ начата деятельность по разработке нового проекта – Гигатонного Детектора на оз. Байкал (предварительно названного НТ1000). В этой установке планируются существенные изменения в регистрирующей системе, в конфигурации установки и системе управления оптическими модулями, о которой пойдёт речь в данной дипломной работе.

 

Рис. 2. Схема Гигатонного Детектора НТ1000.

Детектор включает в себя 91 стринг по 12 OM на каждом и содержит 1308 модулей. Эффективный объем для регистрации каскадов с энергией свыше 100 ТэВ составляет от 0,5 до 1 км³, порог регистрации мюонов 10 - 30 ТэВ.

Элементарным звеном НТ1000 является стринг, выполненный по “новой технологии”: новые оптические модули на основе 12” ФЭУ XP1807, система регистрации на основе Flash-ADC и модернизированная система управления и сбора данных.

Основными задачами, которые нужно было решить в процессе разработки прототипа нового стринга для телескопа НТ1000, являются:

· оптимизация конфигурации стринга.

· разработка новой электроники и кабельных коммуникаций регистрирующей системы.

· подбор и тестирование комплектующих стринга.

Целью дипломной работы является разработка и проверка в режиме реального эксперимента системы управления новыми оптическими модулями.

Задачи работы:

· разработка и тестирование подводной шины управления RS-485 и линии передачи данных Ethernet для экспериментального стринга глубоководного нейтринного телескопа НТ1000.

· монтаж, настройка и тестирование компонентов управляющей электроники ОМ экспериментального стринга.

· настройка и отладка системы управления ОМ во время установки экспериментального стринга в экспедиции 2008 года.

Прототип нового стринга (экспериментальный стринг) был включён в состав детектора НТ200+ в ходе экспедиции весной 2008 года.

Рис. 3. Экспериментальный стринг в составе Нейтринного Телескопа НТ200+.

Экспериментальный стринг

Схема экспериментального стринга представлена на Рис. 4. Он включает в себя: 6 оптических модулей, РС-сферу, Flash-ADC сферу и матрицу. Сигналы от ОМ передаются по отдельному коаксиальному кабелю на АЦП, где происходит их оцифровка и передача в компьютер. Компьютер проводит первую обработку и сжатие данных, а также управляет электроникой ОМ и матрицы по единой шине управления. Временную и амплитудную калибровку сигналов от оптических модулей производят при помощи матрицы, в которой находятся 2 независимых светодиода. Свет от матрицы к оптическим модулям распространяется по отдельным оптическим волокнам, калиброванной длинны. Для временной синхронизации данных экспериментального стринга и телескопа НТ200+контроллер передачи данных Flash-ADC сферы посылает сигнал запроса, а блок электроники детектора вырабатывает сигнал подтверждения. Подробные схемы основных узлов экспериментального стринга представлены на Рис.: 5,6,7,8.

Рис. 4. Схема Экпериментального стринга.

Аналоговые сигналы от 6-ти ОМ передаются по коаксиальным линиям на 8-ми канальную плату FADC (200 МГц, 12 бит). 2 канала FADC используются для измерения слабо усиленных сигналов от двух верхних ОМ. Питание модулей (12 В) осуществляется по тем же коаксиальным линиям. С помощью блока управления питанием можно включать или выключать отдельные модули. Передача данных от Flash-ADC сферы к PC-сфере, а так же управление питанием реализованы по локальной линии Ethernet.

 

Рис. 5. Схема Flash-ADC сферы.

 

Микро-PC, находящийся в компьютерной сфере, соединён с подводным контрольным центром телескопа НТ200+по 2-проводной DSL-модем линии (скорость 2 Mbit, длина около 1 км). Контроль и мониторинг параметров матрицы и оптических модулей осуществляется по шине медленной связи (интерфейс RS-485) Сигнал запроса формируется контроллером FADC при срабатывании от 1 до 4 каналов стринга с окном совпадений от 10 нс до 1 мкс.

 

Рис. 6. Схема компьютерной сферы.

Контроллеры всех оптических модулей и матрицы подключены к шине управления. С их помощью происходит управление напряжением на ФЭУ, интенсивностью свечения и частотой светодиодов матрицы и модулей; а так же мониторирование в реальном времени шумов ФЭУ и других показателей электроники. В проекте используются 2 вида ФЭУ: XP1807 (Photonis, 12”, Франция) и R8055 (Hamamatsu, 13”, Япония). Сопротивление делителя – 17 МОм, усиление – 3..5 x 107.

 

Рис. 7. Схема оптического модуля (ОМ).

 

 

В матрице находятся 2 независимых светодиода, которые можно включать с задержкой по времени друг относительно друга в интервале от 0 до 1000 нс. Это обеспечивает контроль всех временных сдвижек и построение однофотоэлектронного спектра оптических модулей. Матричная сфера так же включает в себя низко шумящие DC-DC конвертеры для питания оптических модулей. Амплитуда шумов: ~3 мВ, что значительно меньше амплитуды однофотоэлектронного сигнала с ФЭУ.

 

 

Рис. 8. Схема светодиодной матрицы.