Система сбора данных глубоководного нейтринного телескопа НТ1000 (Baikal-GVD) Денис Кулешов ИЯИ РАН, г. Москва, 2014 г.

Черенковские детекторы и метод регистрации нейтрино мишень вода, лёд мюонкаскад Фотоэлектронные умножители - основной элемент оптической системы регистрации нейтринных телескопов Нейтринные телескопы представляют собой пространственно распределённую структуру фотодетекторов. Получаемая информация – отклик фотодетекторов на черенковское излучение. 42 o Нейтринные телескопы: - Локальные источники нейтрино астрофизической природы. - Диффузный поток нейтрино. - Тёмная материя и экзотическая физика.

IceCube [] [Amanda] KM3Net НТ200+/НТ1000 Antares Крупномасштабные Нейтринные Телескопы (НТ) Средиземное море Antares, (Nemo, Nestor) -> KM3NeT Оз. Байкал NT200/200+ -> NT1000 Антарктида AMANDA -> IceCube Свойствами среды: -поглощение -рассеяние -свечение -течения Свойствами среды: -поглощение -рассеяние -свечение -течения Условиями развертывания: -расстояние до Берегового Центра, глубина -Методика монтажа -инфраструктура Условиями развертывания: -расстояние до Берегового Центра, глубина -Методика монтажа -инфраструктура I поколение II поколение Архитектура регистрирующей системы НТ определяется:

Подходы к построению системы сбора данных 4 I ceCube (Amanda) KM3NeT Baikal Среда – лёд. Маленькое поглощение, большое рассеяние. Вмораживание модулей. Малые шумы Гц Среда – солёная вода. Хорошие оптические показатели. Калий 40, биолюминесценция. Течения, глубина и удалённость от берега. Большие шумы: к Гц. Оцифрованный сигнал от каждого ОМ передаётся в Центр данных по проводной линии. Оцифрованный сигнал от каждого ОМ передаётся по оптоволокну в Береговой центр данных. Среда – пресная вода, Монтажная платформа – лёд! Минимум течений и люминесценции. Средние шумы ~ 23 к Гц Аналоговый сигнал ОМ передаётся в центр секции, оцифровывается и транслируется на берег.

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

Цели и задачи работы Целью диссертационной работы является разработка, аппаратная реализация и долговременные испытания системы сбора данных (ССД) нейтринного телескопа НТ1000. Автор защищает. Архитектуру систем управления, мониторинга и сбора данных НТ1000. Аппаратурный комплекс глубоководных модулей системы сбора данных НТ1000, объединяющий пространственно распределённую структуру фотодетекторов и формирующий трёх уровневую ССД (Уровни секции ОМ, гирлянды и кластера гирлянд). Результаты испытаний системы сбора данных в оз. Байкал на первом кластере НТ гг. - проверка в режиме калибровки каналов. - работа в режиме экспозиции. - восстановление положения точечного источника света. - долговременная надежность.

OM 12 OM 2 Секции 8 Гирлянд Береговой Центр Секция ГирляндаКластер Структурные особенности системы сбора данных телескопа НТ1000 Секция из 12 ОМ R ~ 60 м L~ 345 – 705 м Оптический Модуль: максимальная простота и надёжность Секция ОМ: 12 оптических модулей, Центральный модуль секции оцифровка, локальный триггер, формирование данных Гирлянда: 2 секции Коммутационный модуль гирлянды Базовая конфигурация детектора Кластер: 8 гирлянд Центр управления кластера Кластер

Аппаратура системы сбора данных телескопа НТ1000 Глубоководная Коммуникационная Сеть: Аппаратура передачи данных и синхронизации Комбинированный подход: технологии DSL и ВОЛС Оптический Модуль: максимальная проста и надёжность Гирлянда – 2-3 секции, КоМ (объединение и коммутация линии данных секций, триггерных каналов и электропитания) Кластер – 8 гирлянд, центр управления кластера.(глобальный триггер, коммутация электропитания гирлянд, сбор данных гирлянд и передача на берег) DSL Ethernet оптоволокно аналоговый сигнал Секция ОМ – 12 ОМ, центральный модуль секции (оцифровка 12 каналов, локальный триггер, формирование данных)

Измерительный канал ФЭУ: 10 7 Усилитель: 14АЦП: ± 2V 90 м коаксиальный кабель OM Центр секции ОМ: усиление ФЭУ: ; Усилитель k amp =14; Коаксиальный кабель: 50, 90 м; Потери в кабеле: ~0.7 Импульс после кабеля: ~20 нс FWHM, A 1E ~40 мВ; Темп счёта (0.3 ф.э.) 20 … 40 к Гц, макс. уровень шумов электроники ~10mV. Time, 5 ns A, mV

Центральный модуль секции Обработка сигналов 12 каналов Формирование триггера Управление электропитанием ОМ Передача данных + фильтрация Выделение отдельных пиков Схема центрального модуля

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. Импульсы LED Шум Примеры амплитудных гистограмм

Коммутационный модуль гирлянды Коммутационный модуль объединяет 2-3 секции - Передача данных – линия DSL - Объединение системы формирования триггера - Управляет питанием ЦМ, ОМ, периферии – Коммутатор питания

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 ЦК R ~ 60 м L~ 350 м

Центр кластера Модуль связи: Сбор данных с 8 гирлянд Преобразование линий данных DSL в Ethernet (100BASE-TX) 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.

Испытания системы сбора данных НТ1000 в оз. Байкал Методика проверки системы: 5 гирлянд (4 полных, одна короткая) Технологическая гирлянда (исследование светового фона озера, от глубины 560 м) Проверка общей надёжности системы Мониторинг подводной локальной сети Проверка функциональности в режиме калибровки каналов и гирлянд: - Измерение задержек сигналов ФЭУ - Калибровка каналов светодиодными источниками - Проверка по мюонам - Восстановление положения лазера Кластер г.

Статистика работы детектора Набор данных: 122 дня Эффективность: 72.2% Количество сеансов: 452 Данных : событий Мониторных данных: записей Мастерные данные за апреля – 25 сентября 2014 г: 169 дней

Мониторинг подводной локальной сети 17 Гирлянда Скорость передачи, Кbit/s SNR, dB Секция (ЦМ) – Коммутационный модуль гирлянды (КоМ) 2. КоМ– Центр Кластера 3. Центр Кластера – Оптическая муфта 4. Оптическая муфта – Береговой Центр 100…200 Гц – ожидаемый темп счёта установки с базовым триггером L×H (0.3 и 3 ф.э.) 100…200 Гц – ожидаемый темп счёта установки с базовым триггером L×H (0.3 и 3 ф.э.) Временной отклик сетевого узла КоМ 2-ой гирлянды с по

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. Временная дорожка с тестовым импульсом и сигналом от светодиода Триггер: Все ОМ работают независимо, нет совпадений, триггер фиксируется по превышению порога ~ 1В. Измерение задержек сигналов ФЭУ и кабельных линий АЦП 90 м тестовый импульс LED

Временная калибровка каналов и гирлянд LED 15 м- расстояние между ОМ dT 0 = 64.9 ns - ожидаемая временная разница прихода сигнала Измерение временной задержки между двумя каналами Триггер: совпадение двух соседних ОМ с низким и высоким порогами, секции ОМ работают автономно.

Проверка калибровочных процедур по атмосферным мюонам 20 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

t shift – метод измерения задержек ФЭУ LED – метод попарной светодиодной калибровки Восстановление положения лазерного источника Восстановление положения лазера двумя гирляндами кластера Триггер: 4-х кратные совпадения ОМ в секции, общий триггер. реальное положение лазера

Заключение 1. Разработана системы сбора данных, обеспечивающая интегрирование разнородных регистрирующих и информационных систем (оптической системы регистрации, акустической системы позиционирования, калибровочной и мониторной аппаратуры) в составе единой регистрирующей системы. 2. Разработан подход к построению системы передачи данных, основанный на использовании относительно медленных линий передачи в сочетании с процедурами фильтрации информации с временных дорожек, который обеспечил эффективную работу установки без применения оптических линий передачи данных, тем самым существенно сократив время развертывания установки. 3. Создан аппаратурный комплекс глубоководных модулей системы сбора данных НТ1000 для пяти гирлянд, объединяющий пространственно распределённую структуру фотодетекторов и формирующий трёх уровневую ССД (уровни секции ОМ, гирлянды и кластера гирлянд). 4. Проведено тестирование системы сбора данных в оз. Байкал во всех основных режимах функционирования – экспозиции в потоке космического излучения, амплитудной и временной калибровки каналов, регистрации сигналов от калибровочного лазерного источника света, которое показало достаточно высокий уровень ее функциональности, обеспечивающий поддержку всех необходимых режимов работы установки. 5. Проведены долговременные натурные испытания созданной системы сбора данных на первой очереди кластера НТ – 2014 гг., продемонстрировавшие достаточно высокий уровень надёжности.

Спасибо за внимание

24

25 Замечания оппонентов Несмотря на то, что временные калибровочные коэффициенты, полученные методом попарной светодиодной калибровки, обеспечивают лучшую точность восстановления расстояния, для восстановления положения лазера двумя гирляндами почему-то используются калибровочные коэффициенты, полученные методом измерения задержек в кабеле и ФЭУ. Полное отсутствие электронных версий опубликованных работ Только три (!) из 18 публикаций, на которых основана рецензируемая диссертация, имеют электронный препринт со свободным доступом в системе arXiv процитированы они без указания его фамилии В диссертации заявлено, что она основана на 9 статьях в международных рецензируемых журналах, 7 статьях в материалах международных научных семинаров и 2 статьях в материалах российских научных конференций. При этом, из текста диссертации не представляется возможным узнать, какие именно публикации из 53 процитированных имеются в виду Неясности возникают и в разделах «Апробация работы» (как в самой диссертации, так и в автореферате), где перечислены лишь названия конференций без указания на личное участие диссертанта. Последнее (к сожалению, ставшее в последние годы уже стандартным) замечание касается обилия синтаксических ошибок и опечаток указывается возможность загрузки микросхем программируемой логики (Xilinx Spartan 6) по «Ethernet- каналу», но у данных микросхем загрузка микропрограмм производится только с помощью т. н. «JTAG- интерфейса» К сожалению, в приведенном списке цитируемой литературы отсутствуют ссылки на описания примененных приборов (ФЭУ, микросхемы, модемы и т. д.). Этот недостаток частично компенсируется наличием дополнительной информации в Приложении Ведущая организация: ЕГОРОВ Вячеслав Георгиевич ЧЕРНОВ Дмитрий Валентинович

Качество работы измерительных каналов 26 Распределение временных интервалов между событиями Распределение по количеству событий Оценка мертвого времени канала