Elektroniczny system naboru danych w Eksperymencie ZEUS przy akceleratorze HERA

• Autorzy: Późniak K. T.

Warianty tytułu

EN

Electronic data acquisition system for the ZEUS Experiment at the HERA accelerator

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Podstawowym celem eksperymentów z dziedziny fizyki wysokich energii jest pogłębienie wiedzy o strukturze materii. Realizacje tak postawionego celu naukowego osiąga się między innymi za pomocą akceleratorów cząstek przeciwbieżnych, w których cząstki elementarne takie jak np. elektrony lub hadrony są przyśpieszane i cyklicznie zderzane. W miejscu zderzeń cząstek buduje się złożone układy detekcyjne mierzące i rejestrujące rezultaty zderzeń: np. tory cząstek powstałe w rozpadach, ich energie itp. Pomiaru i rejestracji dokonuje się za pomocą specjalizowanej aparatury elektronicznej współpracującej z detektorami cząstek takimi jak scyntylatory lub komory gazowe. Tego typu aparatura jest zazwyczaj projektowana przez specjalistów z dziedziny elektroniki pod kontem konkretnego eksperymentu i posiada w związku z tym unikalny charakter. Z uwagi na bardzo wysoki poziom skomplikowania wielu problemów nie można rozwiązać przy wykorzystaniu rutynowych metod inżynierskich, co w konsekwencji prowadzi do podjęcia zaawansowanych programów badawczo-rozwojowych, wynikiem których jest ogólnie pojęty rozwój dziedziny elektroniki. W artykule przedstawiono współczesne narzędzie badawcze na przykładzie międzynarodowego Eksperymentu ZEUS działającego przy akceleratorze cząstek przeciwbieżnych HERA w Hamburgu. Krótko scharakteryzowano akcelerator HERA, który stanowi unikalną konstrukcję w skali świata. Bardzo poglądowo przedstawiono metodę badania materii realizowaną m in. Przez Eksperyment ZEUS na podstawie obserwacji zderzeń przeciwbieżnych cząstek elementarnych elektronów i protonów przyśpieszanych w akceleratorze HERA. Opisano strukturę detektora ZEUS pod kątem wymagań metrologicznych - zapewnienia dobrej rozdzielczości przestrzennej i czasowej, zagwarantowania wysokiej powtarzalności procesu pomiarowego, nadążania procesu pomiarowego za częstością zderzeń w akceleratorze oraz zdolności do pomiarów różnego typu parametrów fizycznych. Główna część artykułu stanowi omówienie środowiska elektronicznego wykorzystywanego w Eksperymencie ZEUS w oparciu charakterystykę struktury funkcjonalnej Systemu Naboru Danych Eksperymentu. Omówiono najważniejsze rodzaje wykorzystywanych systemów elektronicznych pod kątem ich własności, stawianych wymagań, zastosowań i budowy. Przedstawiono zarówno Systemy Pomiarowo - Przetwarzająco - Akwizycyjne przeznaczone do obsługi poszczególnych detektorów, jak i Systemy Globalne zarządzające całym Eksperymentem ZEUS (m in. Trygerowania, Akwizycji Danych, Nadzoru Eksperymentu). Zamieszczono także krótkie omówienia przykładów zastosowanych w praktyce rozwiązań aparaturowych. Opisano System Odczytu Pozycyjnego Kalorymetru Pomocniczego jako przykład elektronicznego systemu naboru danych i trygera lokalnego dedykowanego detektorowi oraz omówiono rozwiązania konstrukcyjne Systemów Globalnych. Na zakończenie przedstawiono rezultaty wykorzystania omówionych systemów elektronicznych Eksperymentu ZEUS w formie kilku wybranych przykładów uzyskanych wyników fizycznych.

EN

The basic aim High Energy Physics (HEP) is to deepen our knowledge about the structure of the matter. Realization of such a research task is done through the usage of particle accelerators of counter propagating particles. The beams of elementary particles like electrons and hadrons are accelerated and periodically collided against each other. Large detectors are build around beam interaction regions. The apparatus is designed to measure and register the results of particle collisions like pathways of new particles created during the interaction and their energies, momenta, etc. The electronic apparatus cooperates with particle detectors like scintillators and gas chambers. The unique equipment is designed by experts in modern electronics for very particular and specific applications. The design process cannot make use of standard engineering procedures because of the complexity of technical problems and uniqueness of the task. As a consequence, large research programs are being launched to construct electronics for every HEP experiment separately. This paper presents contemporary research methods of HEP. International ZEUS Experiment, located at the HERA accelerator in DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) Hamburg, was chosen as and example of electronics design an application processes. World scale, unique characteristics of HERA were presented. The methods of matter investigation used by ZEUS experiment (observation of the secondary particles coming from the electron-proton interactions) were characterized in a simplified way. The structure of the ZEUS detector was described from the point of view of electronic systems. The most critical parameters are: space and time resolutions, repeatability of measurement process, precise filtering, maintaining the pace of accelerator clock and ability to measure a large number of various physical values. The main part of this paper is devoted to specific electronics designed for the ZEUS Experiment. Functional structure of a global system of data acquisition was presented. Particular functional blocks and examples of their solutions, requirements, construction and applications were analyzed. Local Measurement - Processing - Acquisition blocks were explained as well as Global Systems managing the whole ZEUS Experiment. The latter ones are: Triggering, Global Data Acquisition and Experiment Management. A short debate on examples of practically applied hardware solutions is included. The data acquisition system was described using the example of Position Readout System of the Backing Calorimeter and Local Trigger dedicated to the detector. Solutions of the construction of the Global Systems were discussed. The paper closes with the examples of the physics processes observed by the described electronic systems for ZEUS experiments. Several results of physical properties of matter were quoted and elucidated.

Słowa kluczowe

PL

ZEUS; akcelerator HERA; system PPA

EN

ZEUS; HERA accelerator; PPA systems

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 43, nr 2
• Strony: 5--10
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz.

Twórcy

autor

Późniak K. T.

• Instytut Systemów elektronicznych, Politechnika Warszawska,

Bibliografia

• [1] http: //www.desy.de/ - [DESY home page].
• [2] ZEUS collaboration „The ZEUS Detector Status Report".
• [3] K. Poźniak: Software control and testing of the HIT-READOUT for the BAC detector, ZEUS-Note 96-117.
• [4] K. Poźniak et al.: GFLT signal testing and distribution within the BAC system, ZEUS-Note 96-116.
• [5] A. F. Zarnecki: Status of the hit readout of the ZEUS Backing Calorimeter, internal report for BAC group, ZEUS 1995.
• [6] J. Krüger et. al.: ZEUS at the electron-proton collider HERA. DESY institute, 1992.
• [7] K. Tokushuku: GFLT Design Document I - interface to component (v. 5.1), ZEUS-Note 88-098.
• [8] http: //www-zeus.desy.de/, „ZEUS experiment home page"
• [9] http: //www-zeus.desy.de/-bacuser/, „The BACking Calorimeter Group Home Page"
• [10] XXVI International Conference on High Energy Physics, Vol I, 1992, Texas.
• [11] G. Wolf: Physics Results from ZEUS, ZEUS-Note 97-040, 1997.
• [12] http://www-mpy.desy.de/desy-acc.html - [DESY- Accelerators].