Программа для управления оцифраторами CAEN XX42 для спектрометра «Комета»

Жукова А. О., Стрекаловский О. В. Программа для управления оцифраторами CAEN XX42 для спектрометра «Комета» // Системный анализ в науке и образовании: сетевое научное издание. 2023. № 2. С. 56-61. EDN: HBSDRO. URL :

Для исследования механизмов спонтанного и индуцированного деления тяжелых ядер [1,2], проводимых в нашей группе на время-пролетных спектрометрах [3] в лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова, оцифраторы фирмы CAEN являются основным регистрирующим устройством.

При работе оцифратора типа XX42[4] ( DG5742 и VX1742 ) для каждого канала регистрации входной аналоговый сигнал подается на вход аналогового буфера, состоящий из 1024 емкостных ячеек. Каждая емкость циклически подключается к входу на 200 пс, что соответствует частоте оцифровки 5 ГГц и обеспечивает временной диапазон 1024х0,2=200 нс. Такая скорость позволяет при оцифровке аналогового сигнала с фронтом 1 нс получить пять точек, что обеспечивает хорошую временную привязку и точный анализ формы импульса. Этот механизм реализован в микросхеме типа DRS4 [5]. Когда появляется триггерный сигнал, состояние аналогового буфера «замораживается» (вход временно отключается) и происходит оцифровка каждой аналоговой ячейки с помощью 12-разрядного АЦП ( AD9510 33МГц) в цифровой буфер. Во время процесса преобразования данных из аналоговой в буферную память блок не может отрабатывать другие входные триггерные сигналы в течение 181 мкс.

Программа для управления скоростными многоканальными регистраторами

Для настройки режимов работы регистраторов и записи накопленных данных была разработана программа, которая позволяет, изменяя значения внутренних регистров прибора, задать способ подключения к компьютеру, частоту оцифровки (5 ГГц, 2.5 ГГц, 1 ГГц), уровни смещения для регистрируемых сигналов, пороговый уровень для триггеров запуска и область отображения относительно триггера запуска.

Рис. 1. Панель оператора программы настройки параметров регистрации

Программа позволяет просматривать форму подключенных к входам прибора сигналов при разных настраиваемых параметрах, и, в случае удовлетворительного результата, записать эти параметры в конфигурационный файл. Информация из этого файла используется в программе сбора данных.

Рис. 2. Блок-схема программы сбора данных с оцифраторов типа DT5742 и V1742

Блок-схема основной программы сбора данных приведена на рис. 2. После записи уже предварительно настроенных параметров из конфигурационного файла происходит занесение соответствующих уставок в регистры устройства. Для хранения оцифрованной информации применяется формат TDMS, предложенный фирмой NI и ставший фактически международным стандартом для систем сбора данных. Под одним событием для многодетекторного спектрометра заряженных частиц «Комета» понимается вся информация со всех детекторов, связанная с одним вырабатываемым специальной электроникой триггером запуска. После открытия файла TDMS для записи оцифраторы ожидают триггерный сигнал, после прихода которого оцифровывают все каналы в буфер и после предварительной обработки добавляют их в конец файла. Требуемое число событий, накапливаемое в файле, задается оператором. Когда заданное значение достигнуто, файл закрывается и открывается для записи новый файл, и добавлением + 1 к имени файла.

При одновременной работе с несколькими оцифраторами, когда один одновременно поступающий триггерный сигнал запускает процесс регистрации нескольких блоков, при высокой загрузке на входе возникает рассогласование, при котором данные в одном из регистраторов не успевают считываться. Поскольку это приводит к ошибочной трактовке данных внутри одного события, подобная информация отбраковывается и буфер обнуляется. Вопросу одновременности измерений при работе с несколькими регистраторами была посвящена ранее опубликованная статья [6].

Для того, чтобы скорректировать конструктивные особенности входной части аналоговой памяти интегральной схемы DRS4 , отвечающей за работу 9 измерительных каналов, требуется амплитудная и временная коррекция. Эта операция выполняется до записи данных в TDMS файл, что так же требует временных затрат, но гарантирует отсутствие путаницы при дальнейшей обработке.

Панель оператора программы приведена на рис.3. Программа реализована в среде LabVIEW 2020 и использует специализированные библиотеки фирмы CAEN CAENCom Library и CAENDigitizer Library .

Рис. 3. Панель оператора программы сбора данных

Для подключения блоков к персональному компьютеру применяется USB (30МБ/с) или система на базе волоконно-оптического кабеля SONET2 (80МБ/с) с контроллером A3118 [4].

Для определения скорости работы программы запускался набор на 60 секунд, причем триггерный сигнал формировался с помощью генератора. Частота генератора изменялась, и фиксировалось число записанных в файл событий (1Гц означает одно зарегистрированное всеми детекторами спектрометра событие).

Можно оценить расчетное время для регистрации одного события. Оно включает в себя время преобразования входных сигналов в буферную память (181 мкс), время на выполнение алгоритма коррекции, время на передачу данных одного события (128 бит заголовок и 6528

бит данных), время записи на диск. Результат приведен на рис.4. При частоте 140 Гц для регистраторов с USB -интерфейсом начинаются пропуски событий. На частоте 200 Гц просчитывается примерно 28,2% событий при интерфейсе USB , и 8,3% при работе по волоконно-оптическому кабелю.

♦ Реальное количество событий, USB ■ Расчетное количество событий

* Реальное количество событий, Optical link

Рис. 4. Зависимость записанных в файл событий при изменении частоты запусков от генератора для оцифратора DТ5742

Заключение

Многоканальные скоростные (работающие со скоростями оцифровки 5 ГГц) цифровые преобразователи находят все более широкое применение в ядерно-физическом эксперименте. Разработанная для промышленных оцифраторов фирмы CAEN DT 5742 и V1742 программа позволяет выполнять настройку параметров, просматривать форму сигналов на всех каналах, проводить коррекцию и записывать накопленные данные в виде файлов TDMS . В настоящее время данная программа успешно применяется в экспериментах по изучению деления в ЛЯР ОИЯИ.

Работа была доложена на Второй Всероссийской научно-практической конференции «Задачи и методы нейтронных исследований конденсированных сред» в ноябре 2022 года в городе Дубна Московской области.