Электронная аппаратура, разработанная в ЛВЭ ОИЯИ, для детекторов экспериментальных установок.

Ермолаев А.М., Маньяков П.К., Пиляр А.В., Смирнов В.А.

Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия

В ЛВЭ ОИЯИ происходит постоянное развитие экспериментальной техники, необходимой для проведения исследований в области физики частиц высоких энергий. Это приводит, в свою очередь, к совершенствованию электронных методов и средств регистрации сигналов с детекторов. Электроника детекторов обеспечивает регистрацию сигналов с детекторов, формирует нормализованные сигналы, определяет условия многоуровневого отбора событий и осуществляет преобразование временной и аналоговой информации в цифровой код. Основные модули электроники детекторов выполнены в стандарте КАМАК.

В докладе приведен обзор средств электроники детекторов, разработанных в ЛВЭ ОИЯИ в последнее время. Приведены также основные технические характеристики этих средств.

Electronics of LHE JINR for detectors of experimental setups.

Ermolaev A.M., Maniakov P.K., Pilyar A.V., Smirnov V.A.

Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia

The constant research developments of experimental technique at the Laboratory of High Energies (LHE JINR) are performed. This progress stimulates an updating of electronic methods and means of registration of signals from detectors. Front-end electronics provides the registrations of signals from detectors, the formation of normalized signals. It defines conditions of multilevel selection of events and carries out conversion of the time intervals and analog information to a digital code. The basic electronic modules are performed in CAMAC standard.

A review of electronics for detectors developed recently at LHE JINR is given. The basic characteristics of these means are shown.

1. Введение.

Развитие экспериментальной техники, используемой в областях физики частиц высоких энергий (ФВЭ) и релятивистской ядерной физики (РЯФ), обусловлено необходимостью [[1]]:

· достижения все более высоких точностей в определении основных величин, характеризующих процессы взаимодействия частиц и ядер;

· регистрации процессов, характеризуемых высокой множественностью;

· регистрации редких процессов в условиях высокого фона.

Все это приводит к увеличению каналов и скорости регистрации событий, а также требует введения в состав систем специализированных аппаратных средств по первичной сортировке и обработке данных в реальном масштабе времени. Таким образом, существует настоятельная необходимость в развитии методов построения систем сбора данных и в постоянном совершенствовании аппаратурных средств обеспечения процессов регистрации и хранения данных. Современные системы сбора данных характеризуются возрастающим числом каналов детекторов и усложненной электроникой.

Развитие экспериментальной техники, используемой для проведения исследований в ФВЭ и РЯФ, требует внедрения в практику эксперимента новых, технически более совершенных средств ядерной электроники и вычислительной техники. Анализ проблем, касающийся организации сбора данных для этих установок, показал, что необходимо обеспечить регистрацию больших потоков данных (до нескольких десятков мегабайт в секунду) и их передачу к набору процессоров, ответственных за фильтрацию и предварительную обработку информации в режиме реального времени. Таким образом, при создании систем сбора данных необходимо, во-первых, обеспечить скоростную (свыше 0.5 Мбайта/с) передачу информации, во-вторых, эффективное переключение данных с любого канала регистрации на свободный процессор.

В настоящее время регистрирующая электронная аппаратура в экспериментальных установках Лаборатории высоких энергий в основном выполнена в стандарте КАМАК и, как правило, размещается в нескольких крейтах КАМАК.

Ввод в эксплуатацию новых, технически более совершенных базовых и экспериментальных установок определяет развитие экспериментальной базы и основные направления как в совершенствовании традиционных средств ядерной электроники и модулей вычислительной техники, так и в создании новых элементов автоматизации эксперимента.

2. Характеристика выполняемых работ.

Разработка высокопроизводительных систем регистрации, анализа и обработки данных и систем диагностики и управления базовыми установками предусматривает использование наиболее современных средств электронной техники и технологии. Компьютерное проектирование, применение самых современных средств полупроводниковой технологии, основные направления которой связаны с увеличением быстродействия и функциональной насыщенности элементов при постоянном повышении надежности и уменьшении их размеров, позволяют добиваться создания качественно-новой аппаратуры и в значительной степени сокращают сроки ее разработки и внедрения.

Электроника детекторов традиционно обеспечивает регистрацию сигналов с детекторов и формирование нормализованных сигналов. О профессионализме работ, выполняемых по этому направлению, говорит список модулей ядерной электроники, разработанный авторами, в сравнении с их ближайшими аналогами, производимых ведущими мировыми фирмами.

Одной из наиболее актуальных задач, направленных на увеличение помехозащищенности систем сбора данных, является создание компактных предусилителей и дискриминаторов, располагаемых рядом с детекторами. Другой первоочередной задачей является определение условий многоуровневого отбора событий для основных экспериментальных установок Лаборатории. Разработан ряд специализированных устройств отбора 2-го уровня экспериментальной информации по времени пролета, множественности и ряду других условий экспериментов. Проводятся разработки по модернизации существующего набора модулей ядерной электроники, приведенного в таблице 1.

Таблица 1. Список модулей ядерной электроники, разработанный в ЛВЭ.

Разработка ЛВЭ	Аналог
Формирователь 4Ф-115 Quad 100 MHz Discriminator	Le Croy NIM 821
Схема совпадений 2СС-1511 Dual 4-Fold Majority Logic Unit	Le Croy NIM 365AL
Мажоритарная схема совпадений 16СС-1512 Multiplicity Logic Unit	Le Croy NIM 380A
Таймер 2Т-315 Dual Gate and Delay Generator	Le Croy NIM 222
Усилитель 4УС-215 Timing Amplifier	ORTEC 574
Линейные ворота ЛВ-252 Linear Gate and Stretcher	ORTEC LG105/N
Дифференциальный дискриминатор ДД-274 Differential Discriminator	ORTEC TD101/N
Формирователь временной привязки 4ФСП-163 Quad Constant Fraction Discriminator	ORTEC 934
Время-амплитудный преобразователь ПВА-322 Time-to-Pulse Height Converter	ORTEC 467
Аналого-цифровой преобразователь 4АЦП-337 4-channel, 10 bit Analog-to-Digital Converter (digitizing time 50mcs)	Le Croy 2259A
Время-цифровой преобразователь 4ВЦП-369 4-channel Time-to-Digital Converter	Le Croy 2228A
Заряд-цифровой преобразователь 4ЗЦП-397 4-channel Charge-to-Digital Converter	ORTEC QD808
Генератор импульсов ГИ-725 Pulse Generator (frequency 100Hz-100MHz)	Berkeley Mod.8020
Таймер-счетчик ТС-424 Display Scaler Timer	Schlumberger 7178
Задержка 2БЗ2-122 Dual Nanosec Delay	ORTEC 425A
Стробируемая схема совпадений 8СС-1510 8-channel Strobed Coincidence	Le Croy 370
Преобразователь уровней NTN-309 Level Adapter (NIM-TTL,TTL-NIM)	Le Croy 688AL
Годоскопический регистр совпадений 16РС-446 16-channel Coincidence Register	Le Croy 2341

Проводится постоянное усовершенствование существующих устройств по преобразованию временной и аналоговой информации в цифровой код. Разработки направлены на увеличение каналов регистрации в пересчете на один стандартный модуль и соответствующее уменьшение стоимости одного канала, на уменьшение мертвого времени и расширение диапазона измеряемых величин. Особое внимание уделяется созданию сверхбыстродействующих преобразователей временной и аналоговой информации в цифровой код с буферными ЗУ на основе ИС FLASH ADC.

В таблице 2 приведены характеристики модулей, разработанных в последнее время [[2]].

Таблица 2.

Наименование

модуля

Краткая характеристика модуля

Сдвоенный счетчик импульсов,

2СЧ-417

Содержит два 32-разрядных счетчика с максимальным быстродействием 150 МГц.

Предусмотрен выход для импульса переноса, что позволяет каскадировать счетчики и организовывать пересчетное устройство любой разрядности.

Делитель частоты,

ДЧ-433

Обеспечивает деление частоты входных импульсов (F).

Выходная частота f = F/n+1.

Число пересчета n=0 … 256 задается положением переключателя на передней панели модуля или устанавливается по программе.

Максимальная частота входных импульсов - 70 МГц.

Селектор наложений,

СН-172

Позволяет из потока импульсов, статистически распределенных по времени, выделять те, у которых временной интервал до предыдущего и последующего импульсов равен или более охранного времени.

Охранное время задается положением переключателя на передней панели модуля.

Диапазон изменения времени: 40 нс, …, 1,6 мс.

16-канальный генератор для запуска светодиодов,

16ГСД-712

Генерирует на выходе импульсы отрицательной полярности амплитудой 1В, …, 50 В.

Длительность фронта импульса 2 нс.

Спад импульса экспоненциальный t = 3,5 нс.

24-канальный линейный сумматор,

24ЛС-243

Устройство линейно суммирует амплитуды импульсов отрицательной полярности, поступающих по 24 каналам.

k₁, k₂ - коэффициенты передачи

k₁ =2; 1,5;1. k₂ = 0,5; 1; 1,5.

Для установки k₁, k₂ предусмотрены два набора гнезд и перемычек на печатной плате модуля.

U_вых = 2,5 В.

Время координатный компенсатор,

ВКК-316

Компенсирует временную зависимость от координаты пересечения счетчика частицей. Насчитан на работу со сцинтилляционным счетчиком, который просматривается с противоположных сторон двумя ФЭУ.

Задержка модуля равна 24 нс ± 0,3 нс.

Модуль рассчитан на работу с детектором, у которого временная константа t £ 20 нс.

t равно времени распространения светового импульса от одного края детектора до другого.

Сдвоенная схема совпадений,

2СС-1513

Устройство содержит две индивидуальные схемы совпадений (два канала). Каждый из каналов имеет 3 входа "Вх.", вход "Строб" и выходы "Триггер", "Сброс", "Запрет".

Каждая из схем совпадений работает по логике типичной для большинства экспериментов. При совпадении сигнала, поступающего по входу "Строб", с любой комбинацией сигналов на трех входах "Вх", которая задается переключателями на передней панели, вырабатывается сигнал на выходе "Триггер". При отсутствии заданной комбинации сигналов "Вх" в течение сигнала "Строб" вырабатывается сигнал "Сброс". На время, в течение которого происходит анализ входных сигналов, вырабатывается сигнал "Запрет".

Преобразователь ток-частота,

ПТЧ-398

Устройство является цифровым интегратором непрерывного действия. Обеспечивает преобразование тока (заряда) детектора в серию импульсов. Каждый выходной импульс эквивалентен заряду на входе q=10^-10 Кл/имп. Частота импульсов на выходе может изменяться в диапазоне 0 - 100 кГц.

Сверхбыстродействующий (flash ADC) амплитудно-цифровой преобразователь,

АЦП-338

Позволяет одновременно измерять до двух аналоговых сигналов в диапазонах от -1 В до 1 В или от - 2 В до 0 В. Выбор диапазона по каждому каналу устанавливается индивидуально при помощи перемычек.

По каждому из каналов аналоговый сигнал преобразуется в 8-разрядный код. Частота, с которой производится измерение (квантование) входных сигналов, задается извне или самим устройством и может меняться в пределах от 50 до 100 МГц. Преобразованные данные (кванты измеряемого аналогового сигнала) запоминаются в буферной памяти глубиной 32 Кслова на канал.

Сверхбыстродействующий (flash ADC) амплитудно-цифровой преобразователь,

АЦП-338

Позволяет одновременно измерять до восьми аналоговых сигналов в диапазоне от 0 В до 2 В.

По каждому из каналов аналоговый сигнал преобразуется в 10-разрядный код.

Измерение (квантование) входных сигналов производится с частотой 20 МГц. Преобразованные данные (кванты измеряемого аналогового сигнала) запоминаются в буферной памяти глубиной 32 Кслова на канал.

3. Технологическое обеспечение разработок.

Разработка аппаратурных средств и программ требует выбора адекватных современному состоянию полупроводниковой и вычислительной техники средств технологического обеспечения. Так в процессе производства электронной аппаратуры для систем сбора данных можно выделить следующие основные этапы:

· Разработка принципиальных схем электронных устройств.

· Проектирование печатных плат.

· Изготовление печатных плат.

· Монтаж электронных устройств.

· Тестирование, наладка и ремонт электронных устройств.

В Лаборатории за предыдущие 25 лет работы по данной тематике создан комплекс технологических средств. Он позволяет создавать сложнейшие модули ядерной электроники и вычислительной техники. Однако, для повышения эффективности труда высококвалифицированных разработчиков электронной аппаратуры, для уменьшения трудозатрат при создании прототипов устройств и выпуске малых серий по заказам тем I-го приоритета, а также для использования в разработках наиболее передовых средств полупроводниковой технологии необходимо постоянно совершенствовать технологический процесс.

Совершенствование технологического процесса может быть обеспечено за счет освоения программных средств разработки электронных устройств, симуляции их работы на ЭВМ, использования специальных компиляторов для кодирования программируемых элементов принципиальных схем, а также применения для проектирования печатных плат более мощных ЭВМ типа Пентиум (200 - 300 МГц) и внедрения методов и средств поверхностного монтажа.

4. Заключение.

Актуальность проведения методических исследований в области создания средств автоматизации для организации экспериментальных исследований на ускорительном комплексе Лаборатории высоких энергий обусловлена:

· непрекращающимися запросами на разработку аппаратных средств автоматизации со стороны различных физических групп и отделов эксплуатации ускорительного комплекса Лаборатории;

· спецификой экспериментальных и базовых установок Лаборатории, отражением которой является разработка уникальной аппаратуры;

· значительным снижением трудовых и денежных затрат на создание систем сбора данных для экспериментальных установок и систем автоматизации для базовых установок ЛВЭ;

· значительным снижением затрат на текущую эксплуатацию аппаратных и программных средств автоматизации в Лаборатории;

· необходимостью проведения консультаций по использованию наиболее передовых средств и методов построения систем автоматизации как для подготовки экспериментов в Лаборатории, так и выездных экспериментов.

Данное исследование было выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 99-07-90089).