Байкальский глубоководный нейтринный телескоп НТ1000

Система сбора данных глубоководного
нейтринного телескопа НТ1000
(Baikal-GVD)
Денис Кулешов
ИЯИ РАН, г. Москва,
2014 г.
Черенковские детекторы и метод регистрации нейтрино
мюон
каскад
Распределение черенковского
излучения
42o
мишень
вода,
лёд
каскад
мюон
Нейтринные телескопы:
- Локальные источники нейтрино астрофизической природы.
- Диффузный поток нейтрино.
- Тёмная материя и “экзотическая” физика.
Получаемая информация – отклик фотодетекторов на черенковское излучение.
Нейтринные телескопы представляют собой пространственно распределённую
структуру фотодетекторов.
 Фотоэлектронные умножители - основной элемент оптической системы
регистрации нейтринных телескопов
Крупномасштабные Нейтринные Телескопы (НТ)
I поколение
KM3Net
II поколение
Средиземное море
Antares, (Nemo, Nestor) -> KM3NeT
НТ200+/НТ1000
Antares
Оз. Байкал
NT200/200+ -> NT1000
Антарктида
AMANDA -> IceCube
Архитектура регистрирующей системы НТ
определяется:
Свойствами
среды:
-поглощение
-рассеяние
-свечение
-течения
Условиями развертывания:
-расстояние до Берегового
Центра, глубина
-Методика монтажа
-инфраструктура
IceCube
[Amanda]
Подходы к построению системы сбора данных
IceCube
(Amanda)
Среда – лёд.
Маленькое поглощение,
большое рассеяние.
Вмораживание модулей.
Малые шумы 100-200 Гц
Оцифрованный сигнал
от каждого ОМ
передаётся в Центр
данных по проводной
линии.
KM3NeT
Среда – солёная вода.
Хорошие оптические показатели.
Калий 40, биолюминесценция.
Течения, глубина и удалённость
от берега.
Большие шумы: 100-150 кГц.
Оцифрованный сигнал от
каждого ОМ передаётся
по оптоволокну в
Береговой центр данных.
Baikal
Среда – пресная вода,
Монтажная
платформа – лёд!
Минимум течений и
люминесценции.
Средние шумы ~ 23 кГц
Аналоговый сигнал ОМ
передаётся в центр
секции, оцифровывается и
транслируется на берег.
4
Основные требования к построению архитектуры
нейтринного детектора
• Возможность объединения разнородных систем:
- регистрации, позиционирования, управления и калибровки
• Простота реконфигурирования регистрирующей системы установки:
- различные комбинации детектирующих единиц
- гибкое управление триггером
• Возможность проводить физические исследования по мере развёртывания
установки (модульность)
• Эффективное использование особенностей месторасположения установки
• Надежность компонентов системы
- системы дублирования
- индустриальная аппаратура и протоколы передачи
Структурные особенности системы сбора данных телескопа НТ1000
Секция
Гирлянда
Кластер
12 OM
2 Секции
8 Гирлянд
Кластер
Береговой Центр
Базовая конфигурация детектора
• Оптический Модуль:
максимальная простота и надёжность
• Секция ОМ:
12 оптических модулей,
Центральный модуль секции
L~ 345 – 705 м
оцифровка, локальный триггер,
формирование данных
R ~ 60 м
Секция из 12 ОМ
OM
• Гирлянда:
2 секции
Коммутационный модуль
гирлянды
• Кластер:
8 гирлянд
Центр управления кластера
Измерительный канал
OM
ФЭУ:
107
Усилитель: 14
Центр секции
90 м коаксиальный
кабель
АЦП: ± 2V
A, mV
 ОМ: усиление ФЭУ: 1107; Усилитель kamp=14;
 Коаксиальный кабель: 50, 90 м; Потери в кабеле: ~0.7
 Импульс после кабеля: ~20 нс FWHM, A1E ~40 мВ;
 Темп счёта (0.3 ф.э.) 20 … 40 кГц, макс. уровень шумов электроники ~10mV.
Time, 5 ns
Оптические модули
Центральный модуль секции
Оптические модули
ЦМ
Сигнал, питание и управление по RS-485
Схема центрального модуля
 Обработка сигналов 12 каналов
 Формирование триггера
 Управление электропитанием ОМ
 Передача данных + фильтрация
Выделение отдельных пиков
Аналого-цифровое преобразование сигнала
АЦП (AD9430) 12 бит, 200 МГц
FPGA (Xilinx Spartan 6)
-Триггерный канал: устройство сглаживания
сигналов, двухуровневый цифровой
компаратор с управляемыми порогами
(низкий порог L и высокий порог H) и
компилятор запросов L и H. Основной
триггер: L&H совпадение двух соседних ОМ.
- Канал Данных(работает по триггеру)
содержит блок памяти с двойной
буферизацией, а также передатчик.
- Мониторный канал(без триггера) включает
в себя пиковый детектор и амплитудный
анализатор.
Пример временной дорожки:
(5 мкс)
Импульсы LED
Шум
Однофотоэлектронные
пики
Примеры амплитудных гистограмм
AM
AM
ЦМ
Коммутационный модуль гирлянды
Коммутационный модуль объединяет 2-3 секции
- Передача данных – линия DSL
- Объединение системы формирования триггера
- Управляет питанием ЦМ, ОМ, периферии – Коммутатор питания
Коммутационный модуль гирлянды
Оптические модули
SH-DSL
Данные 1
SH-DSL
Данные 2
SH-DSL
Сетевой
коммутатор
Триггерный коммутатор
Коммутатор
электропитания
Секция 1
AM
Секция 2
ЦМ
AM
300 В
Оптические модули
Линия DSL
Оптические модули
КоМ
Данные гирлянды
Запрос &
Подтверждение
300 В
Центр кластера
Кластер - полнофункциональная регистрирующая система, работающая как
автономно, так и в составе полномасштабного детектора
 Иерархическая структура построения систем
электропитания и сбора данных
 Оптическая система связи с Береговым Центром
 Синхронный режим работы гирлянд кластера
L~ 350 м
ЦК
R ~ 60 м
Центр кластера
Оптический наконечник
1000BaseLX
SFP-1G
SFP-1G (WDM)
Host PC
БИП
(450 В)
Грозозащита
300 В
300 В
DC-DC
24 В
Оптический
коммутатор
100BaseTX
24 В
Береговой
Центр
Модуль Коммутации Гирлянд
Ethernet Коммутатор
Модуль связи
Ethernet/RS-485
Com-server
Ethernet Коммутатор
RS-485
Подтв 3
Модем 1
Модем 2
DSL-модем
Мастер
Подтв 1
Подтв 2
300 В
Запрос 1
Запрос 2
Запрос 3
АЦП
Коммутатор запросов
Коммутатор
300 В
300 В
З/П
DSL
Гирлянда 1
Цифровой выход
АЦП мониторинга 300 В
Формирование триггера
2 платы АЦП (8 каналов)
плата Мастер:
- оцифровка триггерных
запросов 8 гирлянд
- выработка глобального
триггера на 8 гирлянд
Управление электропитанием:
300VDC 12-канальный релейный
коммутатор.
Модуль связи:
Сбор данных с 8 гирлянд
Преобразование линий данных DSL в Ethernet (100BASE-TX)
Испытания системы сбора данных НТ1000 в оз. Байкал
Кластер 2013-2014 г.
 5 гирлянд
(4 полных, одна короткая)
Методика проверки системы:
• Проверка общей надёжности системы
• Мониторинг подводной локальной сети
 Технологическая гирлянда
(исследование светового
фона озера, от глубины 560 м)
• Проверка функциональности в режиме
калибровки каналов и гирлянд:
- Измерение задержек сигналов ФЭУ
- Калибровка каналов светодиодными
источниками
- Проверка по мюонам
- Восстановление положения лазера
Центр
кластера
Технологический
центр
M
2013 г.
2014 г.
Статистика работы детектора
14 апреля – 25 сентября 2014 г: 169 дней
• Набор данных:
122 дня
• Эффективность:
72.2%
• Количество сеансов:
452
•
Данных :
1.26 108 событий
• Мониторных данных:
записей
803 799
Мастерные данные за 2014
Мониторинг подводной локальной сети
Береговой
центр
Электрооптический кабель Оптическая
муфта
1 Гбит/с
1. Секция (ЦМ) – Коммутационный
модуль гирлянды (КоМ)
2. КоМ– Центр Кластера
3. Центр Кластера – Оптическая муфта
4. Оптическая муфта – Береговой
Центр
2
ОМ
H ~ 3 ф.э. 300…500 Гц
Центр
Кластера
8х10 Мбит/с
DSL линия
~ 10 Мбит/с
Гирлянда 1
DSL линия
5 Мбит/с
1
ОM
L ~ 0.3 ф.э. 20…50 кГц
100 Мбит/с
Ethernet
Секция 1
АЦП 12*2 кБ*200 Гц
~ 40 Мбит/с
Гирлянда 2
Секция 3
Секция 2
~ 0,5...1
Мбит/с
Мастер
Фильтрация
х50…100
Гирлянда 8
100…200 Гц
– ожидаемый темп
счёта установки с
базовым триггером
L×H (0.3 и 3 ф.э.)
12
ОМ
Гирлянда
1
2
3
4
5
Скорость
передачи,
Кbit/s
7040
7552
10048
10048
10048
SNR,
dB
11
12
11
10
12
Временной отклик сетевого узла КоМ 2-ой гирлянды
с 05.2013 по 05.2014
17
Проверка функциональности системы сбора данных
Режимы работы системы сбора данных:
1. Калибровка методом измерение задержек сигналов ФЭУ и кабельных линий.
2. Калибровка временных задержек каналов светодиодными источниками.
3. Сравнение мюонного сигнала с МК моделированием
4. Восстановление положения лазерного источника.
Измерение задержек сигналов ФЭУ и кабельных линий
90 м
LED
АЦП
тестовый
импульс
Триггер:
Все ОМ работают независимо,
Временная дорожка с тестовым
нет совпадений,
триггер фиксируется по превышению порога ~ 1В. импульсом и сигналом от светодиода
Временная калибровка каналов и гирлянд
Измерение временной задержки
между двумя каналами
15 м- расстояние между ОМ
LED
dT0 = 64.9 ns ожидаемая временная
разница прихода сигнала
Триггер:
совпадение двух соседних ОМ
с низким и высоким порогами,
секции ОМ работают автономно.
Проверка калибровочных процедур по атмосферным мюонам
Триггер:
совпадение двух соседних ОМ с
низким и высоким порогами,
работа секций синхронизована
общим триггером
Программный отбор – Q > 2 ф.э.
dt распределение между соседними каналами
20
Восстановление положения лазерного источника
tshift – метод измерения задержек ФЭУ
LED – метод попарной светодиодной
калибровки
Триггер:
4-х кратные совпадения ОМ в секции, общий триггер.
Восстановление положения лазера
двумя гирляндами кластера
реальное положение лазера
Спасибо за внимание
24
Качество работы измерительных каналов
Распределение временных
интервалов между событиями
Распределение по количеству событий
Оценка мертвого времени канала
26