Приборы и техника эксперимента, 2020, № 3, стр. 56-64

ВВЕДЕНИЕ

Поиск оптимального варианта электроники для нейтронных позиционно-чувствительных детекторов (п.ч.д.) со считыванием с линии задержки всегда является непростой задачей [1–5], особенно актуальной для времяпролетных спектрометров, работающих на высокопоточных пучках реактора ИБР-2 [6]. Выбор метода времени пролета (TOF) как рабочего режима для спектрометров на реакторе связан с импульсным характером работы ИБР-2 с частотой вспышек 5 Гц. Обзоры результатов многолетней работы по созданию систем сбора данных для п.ч.д. нейтронов представлены в [7, 8]. В данной работе затронуты некоторые проблемные моменты в этих задачах (связанных в первую очередь со спецификой импульсного источника нейтронов [9]). Имеется в виду неоднородная, пульсирующая входная загрузка от реактора, которая ужесточает требования к системам сбора данных, поскольку возникает необходимость обеспечивать максимальную пропускную способность во время сгустков потока входных сигналов. Так при измерениях прямого пучка на спектрометрах ИБР-2 пиковая загрузка на детекторе в 20–50 раз превышает загрузку, усредненную по времени. В этих условиях специально разработанная электроника для двухкоординатных п.ч.д. DeLiDAQ-1 [10–12], успешно работающая много лет также в других нейтронных центрах, но в режиме без времени пролета, при высоких уровнях загрузок выявила проблему снижения счета в хвостовой части времяпролетного окна (причем, без снижения интегрального счета). Электроника следующего поколения для двухкоординатных п.ч.д. DeLiDAQ-2 [13] с первых применений показала отличную производительность при высоких загрузках, однако затем у этой системы обнаружилась проблема деградации пространственного разрешения при низкой загрузке. Третий рассматриваемый вариант электроники – это дигитайзер N6730 производства CAEN [14], который мы начали тестировать недавно [15] для изучения возможностей использования его с детекторами собственного производства [16, 17] на пучках реактора ИБР-2.

МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ

Для определения границ применимости систем сбора данных во времяпролетном режиме работы и сравнения их с альтернативным вариантом была проведена серия параллельных измерений с тремя системами: DeLiDAQ-1, DeLiDAQ-2 и системой на базе дигитайзера N6730 с прошивкой DPP-PSD от CAEN. При этом использовались двухкоординатные ³He-п.ч.д. 200 × 200 мм [17] на установках РЕФЛЕКС (пучок 9) и ГРЭЙНС (пучок 10) [18] реактора ИБР-2. Все данные были получены в “рабочих” конфигурациях этих установок. Позиционные сигналы от детектора (с анода и катодов) после усиления поступали на вход блока N625 от CAEN для разветвления на две группы сигналов (рис. 1). Одна из этих групп поступала напрямую на дигитайзер N6730, другая – сначала на дискриминатор постоянной фракции (CFD Philips PS-715), а после него все катодные сигналы распределялись на две группы (для DeLiDAQ-1 и DeLiDAQ-2). Анодный сигнал распараллеливался на 3 выхода, поскольку помимо DeLiDAQ-1 и DeLiDAQ-2 он дополнительно регистрировался четвертой системой сбора данных MPD [19, 20], изначально предназначенной для работы с точечными детекторами. Все три системы для п.ч.д. могут регистрировать или сырые (необработанные) данные от детектора (дигитайзер), или сырые события, построенные из сырых данных от детектора посредством сортировки (DeLiDAQ-1 и DeLiDAQ-2), в режиме списка. Режим списка – это режим накопления на диск компьютера необработанных данных от детектора или событий напрямую без обработки. Кроме того, системы DeLiDAQ-1 и DeLiDAQ-2 имеют режимы работы с регистрацией отфильтрованных событий – и в режиме списка, и в режиме накопления гистограмм на аппаратном уровне (FPGA). Таблица 1 содержит описание рабочих режимов трех систем.

Рис. 1.

Принципиальная схема параллельных измерений. ПК – персональный компьютер.

В 2017 году была проведена серия параллельных измерений для двух систем (DeLiDAQ-1 и DeLiDAQ-2) в режиме с накоплением гистограмм на аппаратном уровне в широком диапазоне входных нагрузок. Для реализации длительных измерений в режиме списка необходимо было провести модернизацию прошивки электроники DeLiDAQ-2, которая была выполнена в 2018 году. Для сравнительного анализа были выполнены в режиме TOF параллельные измерения трех типов. Первый тип – сканирование прямого пучка с последовательно нарастающей на каждом шаге входной загрузкой, регулируемой коллиматорами (варьировалась ширина щели коллиматора) и (на 10-м пучке) отклоняющим зеркалом (рис. 2). Второй тип – калибровочные измерения с щелевыми кадмиевыми масками (рис. 3). Третий тип – измерения отражения от образцов (рис. 4). На рис. 2–4 показаны измеренные интенсивности счета нейтронов за время одной вспышки импульсного реактора ИБР-2 либо на 1 мм² рабочей зоны детектора, как dN/(dXdY) на рис. 2а, 2б, 2г, 2д и 3а, 3б, 3д, 3е, либо в 1 с, как dN/dt на рис. 2в, 2е и 3г, 3з, либо на 1 мм, как dN/dX и dN/dY на рис. 3в, 3ж, либо на 1 мм/с, как dN/(dtdX) и dN/(dtdY) на рис. 4. В измерениях отражений использовались пленочные образцы, стандартные для спектрометров РЕФЛЕКС и ГРЭЙНС. На 9-м пучке измерялся пленочный образец, выполненный из 16 слоев никеля (8.4 нм) и титана (7 нм) на флоат-стекле (100 × 50 мм). На 10-м пучке измерялся образец, выполненный с осаждением меди (50 нм) и титана (5 нм) на кристалле кремния (80 × 50 мм). Магнетронное осаждение образцов проводилось в компании Mirrotron Ltd. (Будапешт, Венгрия).

Рис. 2.

Сканирование прямых пучков с последовательно нарастающей на каждом шаге входной загрузкой: а, б, г, д – двухкоординатные спектры за одну вспышку реактора (приведены две крайние точки сканов, данные с DeLiDAQ-1), в, е – времяпролетные спектры (для трех п.ч.д.-систем + анод).

Рис. 3.

Калибровочные измерения с щелевыми кадмиевыми масками: а, б, д, е – двухкоординатные спектры за одну вспышку реактора для DeLiDAQ-1 и DeLiDAQ-2), в, ж – однокоординатные спектры за одну вспышку реактора, г, з – времяпролетные спектры (для трех п.ч.д.-систем + анод).

Рис. 4.

Координатно-времяпролетные спектры при отражении пучка нейтронов от пленочных образцов: а–г – измеренные на 10-м пучке, д–ж – измеренные на 9-м пучке соответственно системами DeLiDAQ-1, DeLiDAQ-2 до модернизации (на б и е заметны искажения), дигитайзер и DeLiDAQ-2 после модернизации.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 5а, 5б, 5д, 5е представлены времяпролетные спектры, накопленные в области п.ч.д., в которую попадал пучок нейтронов, отраженный от слоистой структуры образца, соответствующие коэффициенты отражения в зависимости от длины волны нейтрона показаны на рис. 5в, 5г, 5ж, 5з. Рис. 2в, 2е, 3в, 3г, 3ж, 3з, 4а–4з, 5а–5з позволяют сравнить результаты, измеренные в одних и тех же условиях тремя различными системами. Проведенные параллельные измерения показывают, что при типичных рабочих загрузках имеется хорошее совпадение результатов всех трех систем. Уровень высоких загрузок, при которых начинается искажение формы времяпролетных спектров (перегрузка), у каждой системы свой (примеры показаны в работе [21, рис. 3]). Проведенный анализ подтверждает, что качество спектров, измеренных каждой из систем, зависит не столько от средней загрузки во входном потоке, сколько от пиковой входной загрузки, в нашем случае это пиковая интенсивность анодного сигнала в единицу времени за одну вспышку импульсного реактора. Рис. 6 показывает как меняется отношение измеренного времяпролетного спектра к анодному (dN/dN_анод) по мере роста входной загрузки и позволяет сравнить характер искажений формы спектра. Счетные характеристики нашей штатной системы для п.ч.д. DeLiDAQ-1 не выявляют аномалий до достижения входных загрузок, близких к номинальной пропускной способности системы 1 МГц [10]. Однако система DeLiDAQ-1 входит в особенное состояние перегрузки уже при 250 кГц пиковой входной загрузки (см. рис. 6a) и в скором времени будет заменена новой электроникой. Более новая система DeLiDAQ-2 не испытывает перегрузок до 1200 кГц, но имеет на текущий момент следующее ограничение: во времяпролетном режиме она должна использоваться только в измерениях в режиме списка сырых событий, в то время как в режиме без времени пролета она успешно фильтрует события и вычисляет гистограммы на уровне аппаратуры (FPGA). На рис. 4б, 4е, 5а, 5в, 5д, 5ж можно видеть искажения на спектрах и длинноволновых зависимостях коэффициентов отражения, полученных на DeLiDAQ-2 при выполнении фильтрации событий на аппаратном уровне, и отсутствие искажений в аналогичных измерениях при выполнении фильтрации DeLiDAQ-2 на программном уровне (рис. 4г, 4з, 5б, 5г, 5е, 5з). Систему на базе дигитайзера также возможно использовать только для измерений в режиме списка (только не событий, а сырых данных), другие ее ограничения – это более низкие (чем у DeLiDAQ-2) пропускная способность (360 кГц) и эффективность счета (рис. 7), а также более сложная (и более долгая) обработка данных (вследствие того, что это электроника общего назначения). При этом система на базе дигитайзера имеет наилучшее пространственное разрешение (см. рис. 3в и 3ж).

Рис. 5.

Времяпролетные спектры (а, б, д, е) и коэффициенты отражения (в, г, ж, з) в зависимости от длины волны при отражении пучка нейтронов от пленочных образцов: а–г – полученные на 9-м пучке, д–з – на 10-м пучке.

Рис. 6.

Отношение измеренного времяпролетного спектра к анодному спектру, по оси ординат указаны максимальные скорости входного потока (оцениваемые по пику анодного спектра), по оси абсцисс – времяпролетные каналы (ширина канала 128 мкс).

Рис. 7.

Измеренная скорость счета (в пике) в зависимости от анодной скорости счета в пике для трех систем сбора данных с п.ч.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам данной работы мы выбрали два направления дальнейшего развития: систему DeLiDAQ-2 для высокопоточных измерений и систему на базе дигитайзера для измерений с высокой точностью. Работа также выявила необходимость срочно интегрировать измерения в режиме списка в штатную систему управления экспериментами.