Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 684-687

ВВЕДЕНИЕ

Космический гамма-телескоп ГАММА-400 [1, 2] представляет собой прецизионную детектирующую систему, состоящую из несколько тысяч унифицированных детектирующих модулей и блоков электроники. Телескоп планируется к запуску на платформе НАВИГАТОР [3], разрабатываемой НПО им. С.А. Лавочкина на высокоапогейную орбиту со средним расстоянием от Земли ~120 000 км. Основные технические параметры научного комплекса: вес ~4000 кг, электрическая мощность, предоставляемая научной аппаратуре ~2000 Вт, поток научной информации на наземный сегмент комплекса ~100 Гбайт в сут. Физическая и функциональная схемы гамма-телескопа приведены на рис. 1а и 1б соответственно.

Рис. 1.

Схемы гамма-телескопа ГАММА-400: а – физическая схема телескопа: К – координатно-чувствительный конвертер-трекер; КК1 и КК2 – спектрометрические блоки координатно-чувствительного калориметра КК на основе CsI(Tl); С3 – сцинтилляционный детектор прешауэра (КК1 + С3) калориметра; С4 – сцинтилляционный детектор утечки; ВПС – времяпролетная система, состоящая из четырех, ориентированных перпендикулярно плоскостей, состоящих из 10 полос сцинтиллятора BC-408 размером 1000 × 100 × 10 мм³ каждая, объединенных попарно в детекторы С1 и С2, расположенные на расстоянии 50 см друг от друга; АС_верх – верхний антисовпадательный детектор; АС_бок – боковые антисовпадательные детекторы; БДК – боковые антисовпадательные детекторы калориметра (детекторы С3, С4, ВПС, АС и БДК выполнены из конструктивно и схемотехнически унифицированных модулей и различаются размером и количеством сцинтилляционных полос); б – функциональная схема телескопа: ССНИ – система сбора научной информации; БАК – блок аппаратов коммутации; ВИП – вторичные источники питания систем гамма-телескопа; К1-К4 – автономные секции конвертера-трекера К; СТ – система формирования триггерных сигналов; ВИРК – высокоинформативный радиокомплекс; в – функциональная схема системы формирования триггерных сигналов: МУ – модуль управления, выполняющий предварительную обработку научных данных и информационный обмен c ССНИ; МТЛ – модуль триггерной логики, осуществляющий формирование триггеров на основании выходных сигналов узлов фронтальной электроники; МПТ – модуль питания и телеметрии, осуществляющий взаимодействие с блоком аппаратов коммутации БАК и вторичными источниками питания гамма-телескопа ВИП; г – функциональная схема унифицированного блока фронтальной электроники: ПУ- предварительный усилитель; БФ – быстрый формирователь с компенсацией нулевого полюса для выделения быстрого фронта сигнала и восстановления базовой линии; ФСП – формирователь со следящим порогом; ВЦП – время-цифровой преобразователь; УУ – общий узел управления блока; АТТ – входной аттенюатор; ТИ – токовый интегратор; Ф – формирователь сигнала; ПД – пороговый дискриминатор; УВХ – устройство выборки-хранения; MUX – аналоговый мультиплексор; АЦП – 12-битный аналого-цифровой преобразователь; У – узел управления спектрометрического тракта.

СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ТРИГГЕРНЫХ СИГНАЛОВ ГАММА-ТЕЛЕСКОПА

Система формирования триггерных сигналов СТ гамма-телескопа ГАММА-400 осуществляет формирование триггеров, соответствующих регистрации различных типов событий (см. табл. 1) на основании выходных сигналов блоков фронтальной электроники детектирующих систем телескопа. Для повышения надежности система спроектирована с использованием схемы двойного резервирования; магистрали информационного обмена также дублированы, причем каждая магистраль имеет свои собственные приемо-передающие узлы. Упрощенная функциональная схема системы формирования триггерных сигналов представлена на рис. 1в. Логика формирования триггеров гамма-телескопа построена по трехуровневой схеме: два быстрых аппаратных уровня LVL0 и LVL1, а также более медленный, формируемый программно уровень LVL2. Блоги фронтальной электроники, предоставляющие исходную информацию для генерации триггеров, являются унифицированными, позволяют подключать до 16 детектирующих модулей каждый и состоят из двух трактов – временного и спектрометрического (см. рис. 1г). Усилитель-формирователь временного тракта блоков (ПУ, БФ, ФСП) выполнен на дискретных радиоэлементах, для временного анализа (ВЦП) используются 4-канальные ASICACAMTDC-GPX2 с временным разрешением ~20 пс. Сформированные временные ФСП-сигналы поступают на входы ВЦП, а также в общий узел управления блока УУ на основе FPGA (Microsemi Pro ASIC3 в текущей версии прототипа системы), осуществляющий взаимодействие с модулем триггерной логики системы. Спектрометрический тракт выполнен на основе 16-канального ASICIDEASIDE3380. Сформированные зарядовые сигналы запоминаются на УВХ и по приходу соответствующего триггера последовательно передаются через аналоговый мультиплексор MUX на АЦП для получения оцифрованного значения выделившегося в соответствующем детектирующем модуле заряда. Пороги ФСП устанавливаются программно на уровне ~40% сигнала от минимально ионизирующих частиц (MIP), соответствующих частицам с зарядом Z ≥ 1, формируя сигналы FT_i, используемые при формировании уровней LVL0 и LVL1 триггерной логики (i = 0,..9 – идентификатор сцинтилляционной полосы для каждой из четырех плоскостей времяпролетной системы ВПС). Пороги дискриминаторов ПД устанавливаются на уровне ~200% MIP, соответствующем частицам с Z ≥ 2, формируя сигналы ST_i, используемые при выработке триггера LVL1. Сигналы FT_i запоминаются в регистре состояния дискриминаторов ВПС, содержимое которых вместе с временной информацией с ВЦП передаются по триггерному сигналу LVL0 в модуль триггерной логики МТЛ через высокоскоростной информационный канал для принятия решения о выработке триггера первого уровня LVL1.

Триггер LVL0 генерируется модулем триггерной логики на основании сигналов ВПС в течение ~100 нс после пересечения заряженной частицей апертуры телескопа при условии, что, по крайней мере, с одной из сторон каждой плоскости ВПС поступает сигнал с амплитудой выше порога за заданный временной интервал (100–1000 нс). Для этого сигналы FT_i и ST_i каждой стороны каждой плоскости ВПС логически суммируются, формируя сигналы FTOR_j и STOR_j (j = 0..1 – идентификатор стороны плоскости ВПС). Затем сигналы с одной стороны каждой плоскости логически комбинируются по OR или по AND, в зависимости от программных установок, с сигналами с противоположной стороны каждой плоскости, формируя сигналы TOFL_k и TOFH_k (k = 0..3 – идентификатор плоскости ВПС), совпадение которых с заданной маской триггера формирует общие сигналы TOFL и TOFH. Сигнал TOFL, соответствующий прохождению частиц с Z ≥ 1, выдается системам гамма-телескопа как триггер LVL0, а сигнал TOFH, соответствующий частицам с Z ≥ 2, используется при формировании триггера LVL1. Формирование триггера LVL1 начинается с анализа содержимого регистров состояния дискриминаторов ВПС для оценки положения трека частицы и проверки условий ее попадания в основную апертуру прибора. Затем на основе анализа моментов времени пересечения частицей соответствующих плоскостей ВПС производится отбор частиц, движущихся из верхней полусферы. Одновременно анализируется состояние системы антисовпадений АС с учетом подавления эффекта “обратного тока” на основании временного анализа моментов срабатывания AC и ВПС [5, 6]. Отклик детектора С3 также включается в триггер для улучшения разделения адронных и электромагнитных каскадов, основываясь на анализе распределения энерговыделения в полосах С3. Сигнал детектора утечки С4 свидетельствует о том, что энергия регистрируемой частицы не выделилась полностью в калориметре КК2 и для оценки возможности ее восстановления необходим дополнительный анализ пространственного профиля каскада на уровне LVL2. Триггер LVL1 инициирует процесс сбора информации с систем гамма-телескопа и ее запоминание в буферной памяти. Триггер LVL2 подавляет ложные быстрые триггеры на основании предварительного анализа трековой информации в конвертере-трекере (К), а также пространственного распределения энерговыделения в калориметре (КК), при этом принимается окончательное решение о передаче информации о событии на наземный сегмент научного комплекса через систему сбора научной информации ССНИ [4].

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ПРОТОТИПА СИСТЕМЫ НА ПУЧКЕ ПОЗИТРОНОВ

Измерения проводились на пучке вторичных позитронов синхротрона “ПАХРА” с энергией 100–300 МэВ. Прототип представлял собой полосу сцинтиллятора BC-408 размером 1280 × 100 × 10 мм, обернутую диффузным светоотражателем, просматриваемую с противоположных коротких граней двумя модулями фотоприемников, включающих четыре SiPM SensL MicroFC-60035-SMTи узел фронтальной электроники каждый. Прототип был установлен на дистанционно-управляемую платформу, позволяющую перемещать детектор в диапазоне ±40 см по отношению к оси пучка. Результаты измерений с прототипом системы представлены на рис. 2. Для выделения частиц, падающих на телескоп из верхней полусферы на уровне 99% на времяпролетной базе 50 см, необходимо собственное временное разрешение детекторов ВПС не хуже ~500 пс, что, как видно из рисунка, выполняется для длины сцинтилляционной полосы ≤100 см (длина полос ВПС телескопа). Для улучшения временного разрешения и эффективности выделения до ~300 пс и 99.99% соответственно, проведена доработка модуля фотоприемников, в каждый из которых установлено восемь SiPM SensL MicroFJ-60035-TSV, обладающих лучшими шумовыми характеристиками и эффективностью регистрации фотонов. Тестирование доработанной версии прототипа на пучке позитронов планируется провести до конца текущего года.

Рис. 2.

Результаты измерений с прототипом системы формирования триггеров гамма-телескопа ГАММА-400. Зависимость от положения оси пучка позитронов с энергией 300 МэВ по отношению к центру сцинтилляционной полосы прототипа: а – среднего числа зарегистрированных с одного торца детектора прототипа фотоэлектронов 〈N_phe〉; б – собственного временного разрешения детектора прототипа σ_t. Статистика в каждой точке ~10⁴ падающих позитронов.