bigpo.ru
добавить свой файл
1
Система сбора данных в эксперименте по поиску массы электронного антинейтрино 
в бета-распаде трития на установке «Троицк ню-масс». 
 
 
А. И. Берлёв, С. В. Задорожный, О. В. Казаченко,  
В. М. Лобашев, В. С. Пантуев, Н. А. Титов. 
 
 

Институт ядерных исследований Российской Академии Наук. 
 
 
 
 
 
Аннотация. 
 
В  данной  работе  рассматриваются  основные  принципы 
построения системы сбора данных установки «Троицк ню-масс», а 
так же описана работа высоковольтной системы и систем контроля 
за рабочими температурами и давлениями. 
 
 

1. Введение. 
 
Начиная с 1993 года на установке «Троицк ню-масс», созданной в Институте ядерных 
исследований  РАН  проводятся  регулярные  измерения  бета-спектра  трития  вблизи 
граничной  энергии  с  целью  поиска  массы  покоя  электронного  антинейтрино. 
Установка  состоит  из  интегрального  электростатического  спектрометра  с  магнитной 
адабатической  коллимацией [1], безоконного  источника  электронов  с  молекулярным 
тритием  в  газообразном  состоянии,  криогенной  системы [2] для  обеспечения  работы 
сверхпроводящих  соленоидов  спектрометра [3], высоковольтной  системы  и  системы 
сбора  данных.  Полученные  результаты  дают  лучший  в  мире  на  данный  момент 
верхний  предел  на  массу  антинейтрино  в  прямых  бета-распадных  экспериментах  и 
указывают  на  существование  аномалии  в  бета-спектре  трития  вблизи  граничной 
энергии [4, 5, 6].  
2. Особенности регистрации. 
 
В  отличие  от  многих  других  экспериментов  в  области  ядерной  физики,  на 
описываемой  установке  для  регистрации  сигнала  применён  единственный  детектор, 
однако,  требования,  как  к  самому  детектору,  так  и  к  электронике  весьма  высоки.  
Детектор  должен  регистрировать  электроны  с  очень  низкой  энергией,  до 18.7 кэВ, 
причём  средний  темп  счёта  непериодичных  импульсов  в  исследуемом  диапазоне 
изменяется  на  шесть  порядков - от  нескольких  килогерц  до  единиц  милигерц.  При 
этом,  поскольку  в  ходе  эксперимента  измеряется  именно  средняя  частота  прихода 
импульсов, очень важно по возможности не пропускать импульсы, и, кроме того, для 
последующего анализа требуется сохранять данные об амплитуде и времени прихода 
каждого импульса. Это накладывает значительные ограничения, как на сам детектор, 
так  и  на  параметры  всего  канала  сбора  данных.  Потери  на  мёртвое  время  в 
физических  экспериментах  зачастую  составляют  десятки  процентов,  здесь  же  счёт 
идет на десятые доли процента. 
 
3. Структура системы сбора данных. 
 
Всю систему сбора данных можно разделить на две большие независимые части, одна 
из которых занимается управлением высоким напряжением, считыванием давлений с 
вакууметров  и  регистрацией  сигналов  с  детектора,  а  другая  предназначена  для 
контроля за температурами внутри спектрометра и источника. 
Для  сбора  данных  в  эксперименте  была  применена  распределённая  система, 
состоящая  из  крейта NIM, используемого  для  аналоговой  обработки  сигнала  с 
детектора и трёх крейтов КАМАК, управляемых IBM PC - совместимым компьютером. 
В  первом  крейте  КАМАК  собрана  схема  оцифровки  сигнала,  во  втором - схема 
управления высоковольтным источником напряжения и в третьем - схема оцифровки 
давлений в тритиевом источнике и спектрометре. 
3
 


Температурная  часть  системы  состоит  из  двух  крейтов  КАМАК,  один  из 
которых управляется IBM PC - совместимым компьютером. Схематически эта система 
показана на рисунке 1. 
 
Рис.  1  Система сбора данных установки «Троицк ню-масс». 
 
PA – предварительный усилитель, A – крейт аналоговой обработки сигнала, 
ADC – крейт оцифровки сигнала, HV – высоковольтная система, 
P – крейт оцифровки давлений, T – крейт измерения температур, 
PC 1, PC 2 – персональные компьютеры. 
 
Рассмотрим теперь эту систему в деталях. 
 
4. Контроль за температурами элементов источника и спектрометра. 
 
В  процессе  охлаждения  криостатов  и  в  процессе  непрерывной  работы  спектрометра 
осуществляется постоянный контроль за температурой охлаждающего потока гелия и 
сверхпроводящих  соленоидов.  Измерение  температур  осуществляется  с  помощью 
угольных  резисторов  типа  ТВО [6], градуированных  с  точностью 0.01 К.  Всего  на 
установке  использовано 59 датчиков  температуры.  В  каждой  из  двух  пар  криостатов 
спектрометра  установлено  по  шесть  таких  датчиков,  из  них  три  датчика  измеряют 
температуру потока гелия, а три других – температуру сверхпроводящих соленоидов. 
Шесть  датчиков  расположены  непосредственно  на  трубке,  в  которой  происходит 
исследуемый  β-распад  трития,  три – в  системе  очистки  трития,  а  остальные 
расположены в криостатах источника и гелиопроводе. 
Измерение  сопротивления  датчиков  и  вычисление  температур  по 
калибровочным  таблицам  осуществляется  непрерывно  с  использованием  серийно 
выпускаемых  модулей  МВВАН 161 и  ММВЧ 161 в  конструктиве  КАМАК, 
сопряженных  с  ЭВМ  типа IBM PC при  помощи  контроллера  КК  и  переходника 
PC-UNIBUS.  Для  увеличения  числа  каналов  система  была  расширена  при  помощи 
релейного  коммутатора KA 004. Часть  датчиков  подключена  через  коммутатор 
POLON 750 на  вход  АЦП 714. В  каждом  цикле  измерений  (раз  в 15 секунд) 
происходит  калибровка  преобразователей – их  входы  замыкаются  и  происходит 

 


оцифровка  пьедестала,  затем  подключаются  датчики  температуры  и  происходит 
преобразование  уже  с  ними.  Из  полученного  значения  сопротивления  вычитается 
текущий пьедестал и результат преобразуется в значение температуры по таблицам.  
Информация  с  датчиков  при  работе  криогенной  системы  выводится  в  виде 
таблиц  и  графиков  на  графический  дисплей  персональной  ЭВМ  и  два  алфавитно-
цифровых  дисплея MERA, подключённых  через  модули  последовательного 
интерфейса RS-232 типа POLON 505. Каждый  час  данные  о  температурах 
записываются в файл. 
Схема измерений приведена на рисунке 2. 
Сейчас подготовлен переход на новую систему измерения температур, которая 
основана на современной элементной базе. В ней сопротивления датчиков измеряются 
по 4-х проводной схеме и преобразуются в частоту. Сами преобразователи  при этом 
располагаются рядом с разъёмами датчиков на спектрометре и источнике. 
Рис.  2.  Схема измерения температур. 
 
 
5. Детектирующая система. Канал регистрации электронов. 
 
Электроны  с  энергией  большей,  чем  тормозящий  потенциал  спектрометра, 
регистрируются  детектирующей  системой.  Первоначально  в  качестве  детектора 
предлагалось  использование  газонаполненого  счётчика  с  тонким  входным  окном [7], 
однако  затем  он  был  заменён  на  более  подходящий  для  работы  в  условиях  сильного 
магнитного  поля  и  ультравысокого  вакуума  полупроводниковый  детектор.  В 
эксперименте используется изготовленный в ПИЯФ по нашему заказу плоский Si(Li) 
детектор  с  диаметром  чувствительной  области 17 мм,  ёмкостью  порядка 15 пФ  со 
слоем  золота 20 мкг/см,  охлаждённый  до  температуры  жидкого  азота.  Сигнал  с 
5
 


детектора  снимается  с  помощью  зарядочувствительного  предварительного  усилителя 
«ПУМА-73», головной каскад которого (см. Рис.  3) располагается в непосредственной 
близости от детектора и охлаждается вместе с ним. Вся остальная часть предусилителя 
вынесена  на  расстояние 1 метр  от  головного  каскада.  Такое  решение  позволило 
вдвигать  детектор  через  шибер  внутрь  спектрометра,  а  также  иметь  возможность 
быстрой замены детектора без нарушения вакуума спектрометра. 
В  первом  каскаде  предварительного  усилителя  был  применён  полевой 
транзистор типа КП 341 А, отобранный по шумовым характеристикам. В ходе работы 
выяснилось, что при вводе детектора в спектрометр т а
р нзист р
о  может переохладиться 
и  характеристики  всего  предусилителя  в  целом  резко  ухудшаются.  Поэтому 
дополнительно в схему был введен резистор, который нагревает транзистор до рабочей 
температуры. Применённая схема с заземлённым истоком наименее всего подвержена 
наводкам  со  стороны  резистора  нагрева.  Подбором  напряжения,  подаваемого  на  этот 
резистор, была установлена оптимальная рабочая точка всего каскада в целом, то есть 
был  достигнут  компромисс  между  падением  усиления  каскада  при  охлаждении  и 
ростом  шумов  при  нагревании.  По  нашим  оценкам  оптимальные  характеристики 
каскада были достигнуты при температуре транзистора порядка 125 К. Подводимая к 
нагревательному  резистору  мощность  составила  при  этом 0.23 Вт.  Монтаж  был 
с
о уществлён таким образом, чтобы нагрев самого детектора был минимальным. 
 
          
 
Рис.  3 Схема  головного  каскада  предварительного  усилителя  с  детектором 
(охлаждаемая часть). 
 
Также  опытным  путём  по  наилучшему  разрешению  была  подобрана  величина 
постоянной составляющей сигнала обра н
т ой связи. Она составила от –0.1 до –0.3 В, в 
зависимости от экземпляра транзистора. 
Разместить  весь  предварительный  усилитель,  выполненный  по  традиционной 
технологии  рядом  с  детектором  не  представляется  возможным,  поскольку  некоторые 
компоненты,  например  биполярные  транзисторы,  не  работают  в  условиях  низких 
температур, а  у
др гие не преспособлены к работе в условиях вакуума.  
Были  сделаны  попытки  создать  миниатюрный  предварительный  усилитель  по 
гибридной  технологии  с  подогреваемыми  активными  элементами,  чтобы  приблизить 
весь усилитель детектору. Это позволило бы приблизить весь усилитель к детектору и 
отказаться  от  длинной  линии  обратной  связи,  что  безусловно  улучшило  бы  его 

 

характеристики.  Однако,  к  сожалению,  эти  работы  были  остановлены  из-за 
недостаточного финансирования и дальше макета дело не пошло. 
Основное  усиление  и  формирование  сигнала  методом  однократного 
дифференцирования  и  интегрирования  с  одинаковыми  постоянными  осуществляется 
усилителем ORTEC 
572 (время  формирования – 0.5 мкс).  Затем  сигнал 
оцифровывается 12-ти 
разрядным 
спектрометрическим 
аналого-цифровым 
преобразователем  типа ADC-4K производства  ПИЯФ.  Этот  АЦП  работает  по 
принципу  поразрядного  взвешивания  с  динамическим  выравниванием.  Время 
преобразования АЦП постоянно и составляет 3.91 мкс. 
Динамическое  выравнивание  позволило  резко  уменьшить  дифференциальную 
нелинейность  применённого  в  модуле  интегрального  АЦП.  Для  этого  ко  входному 
сигналу  добавляется  небольшой  случайный  постоянный  уровень,  задаваемый 6-ти 
разрядным  ЦАПом.  Из  полученного  после  преобразования  кода  вычитается  код, 
записанный ранее в ЦАП. Для следующего импульса код ЦАПа меняется.  
Для управления набором данных, отработкой временного интервала и для  накопления 
данных,  получаемых  от  АЦП  применяется  специальный  блок MADC (модуль 
буферной  памяти  с  фиксацией  времени  прихода  каждого  события).  Шаг  записи  по 
времени  зависит  от  длительности  набора  данных  и  составляет  от 50 до 200 нс.  Этот 
модуль  был  разработан  и  изготовлен  по  нашему  заказу  в  ЛВЭ  ОИЯИ,  г. Дубна  и 
выполнен в стандарте КАМАК.  
 
Работает пара модулей АЦП – память следующим образом: 
 
•  при  превышении  входным  сигналом  некоторого  заданного  порога  срабатывает 
формирователь, открывающий вход АЦП (точка 1 на Рис.  4). Вход открывается на 
время, немного большее, чем время формирования сигнала и достаточное для того, 
чтобы  «поймать»  максимум  сигнала.  Число  срабатываний  формирователя 
дополнительно считывается счётчиком 4СчБ. 
•  начиная с момента открытия АЦП начинает следить за уровнем сигнала на входе, 
и, как только тот достигнет своего максимума, начинается преобразование (2). 
•  в момент начала преобразования АЦП подаёт сигнал в модуль памяти, по которому 
тот  ставит  метку  времени  и  ждёт  конца  преобразования (3). На  время 
преобразования вход АЦП автоблокируется. 
•  через 3.91 мкс  АЦП  завершает  преобразование,  выставляет  полученный  код  на 
внешнюю шину (4) и подает сигнал строба. Модуль памяти  по стробу считывает 
выставленный  код  и  записывает  его  по  тому  же  адресу,  куда  ранее  уже  была 
записана метка времени, после чего выдаёт сигнал подтверждения для АЦП. Весь 
цикл записи данных в память длится 100 нс. 
•  АЦП  готов  к  приёму  следующего  события.  Мёртвое  время  системы  сбора 
отсчитывается от момента открытия входа АЦП до этой точки (5) и составляет 6.0 
мкс. 
7
 


 
Рис.  4   Временные диаграмы работы АЦП и модуля памяти. 
 
Такая система записи позволяет в дальнейшем производить анализ потока электронов 
на его соответствие распределению Пуассона и устранить фон как от распада трития 
внутри спектрометра, так и от различных наводок. 
АЦП и модуль памяти работают  по внешней шине, которая позволила обойти 
ограничения  стандарта  КАМАК  и  дала  возможность  работать  связке  блоков 
АЦП-память  с  быстродействием,  недостижимым  ни  на  одном  из  индустриальных 
стандартов.  Мёртвое  время  системы  сбора  получилось  постоянным  и  стабильным, 
никак  не  зависящим  ни  от  циклов  магистрали,  ни  от  циклов  работы  управляющего 
компьютера.  Кроме  того,  такое  решение  дало  возможность  применить  достаточно 
медленный контроллер крейта для передачи данных и не самый быстрый компьютер 
для  управления  контроллером.  У  нас  был  применён  компьютер,  наиболее  стабильно 
работающий из имеющихся в наличии – DELL Omniplex 466. 
При  разработке  модуля  памяти  была  предусмотрена  возможность  записи  временных 
меток  и  от  тех  сигналов,  которые  приходят  в  то  время,  когда  АЦП  занят 
преобразованием,  однако  во  время  работы  это  не  используется,  поскольку  мы  были 
вынуждены поставить внешний формирователь порога. К сожалению,  формирователь, 
применённый в АЦП не был рассчитан на работу в условиях большой загрузки. 
Полное мёртвое время всего канала сбора данных, учитывающее и фронты сигналов, 
т.е. минимально возможное время между оцифрованными импульсами составляет 6.0 
мкс. При испытаниях системы был оцифрован периодический сигнал частотой 150 кГц 
без потерь импульсов. 
Усиление  сигнала,  поступающего  с  детектора,  выбрано  таким,  чтобы  сигнал  от 
электрона  с  энергией 18 кэВ  попадал  примерно  в 1000-й  канал  преобразователя  или 
чуть  дальше.  Всего  у 12-битного  АЦП 4000 рабочих  каналов  (оставшиеся 96 – 
служебные),  и  поэтому  у  нас  имеется  возможность  регистрировать  наложения  как 
двух, так и трёх импульсов, пришедших одновременно. 

 


На Рис.  5 показана упрощённая схема системы сбора данных. Преобразователи 
уровней и схемы, формирующие тактовые импульсы не показаны. 
 
Рис.  5.   Схема системы сбора данных. 
Для  управления  внешними  устройствами  и  там,  где  не  требуется  высокого 
быстродействия,  были  применены  имевшиеся  в  наличии  стандартные  модули.  В 
качестве  контроллера  КАМАК  был  выбран  контроллер  с  параллельно-
последовательным  интерфейсом  типа  ППИ-ККП  производства  Чебоксарского 
ПО «Электроприбор».  Он  позволяет  работать  с  четырьмя  крейтами  КАМАК  на 
расстоянии до 100 метров, что оказалось важным в нашем случае.  
 
Проверка линейности канала сбора данных. 
Для того чтобы убедиться в линейности канала сбора данных, в начале каждого сеанса 
измерений  устраивается  следующая  проверка:  закрывается  аварийный  шибер  и 
снимаются  магнитные  поля.  На  детектор  в  этом  случае  попадают  электроны, 
эмитируемые высоковольтным электродом. Подавая на электрод электростатического 
анализатора различное напряжение, можно быстро набрать спектры, соответствующие 
электронам  различной  энергии  (Рис.  6), а  заодно  и  проверить  пороговое  значение 
энергии электронов, регистрируемое системой. Как видно на Рис.  7, детектор и наша 
система  сбора  весьма  линейна  и  имеют  пороговое  значение  энергии  детектирования 
порядка 5 кэВ. 
9
 

400
20 кэВ
300
18 кэВ
16 кэВ
14 кэВ
12кэВ
ётов 200
10 кэВ
8 кэВ
6 кэВ
 отсч
100
Число
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Канал АЦП
 
Рис.  6  Спектры от электронов различной энергии. 
 
1200
1000
 АЦП
л
на
800
, ка
ка
 пи
600
400
Положение
200
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Энергия электронов, кэВ
 
Рис.  7  Положение электронного пика при различных энергиях. 
 
10
 


 
7. Контроль за давлениями в источнике и спектрометре. 
 
Во  время  измерений  оказалось  важным  контролировать  и  записывать  параллельно  с 
набираемыми данными основные рабочие давления в источнике и спектрометре. Это 
даёт  возможность  при  обработке  лишний  раз  удостовериться  в  том,  что  во  время 
набора  данных  эти  параметры  оставались  неизменными.  Помимо  этого,  значение 
давления в источнике необходимо для расчёта плотности источника при фитировании 
полученных результатов. 
 Вся  система  измерения  давлений  была  вынесена  в  отдельный  крейт  для  того, 
чтобы уменьшить длину кабелей, по которым передаются аналоговые сигналы.  
В  качестве  контролируемых  параметров  были  выбраны:  давление  в  тритиевом 
источнике,  давления  после  первого  и  второго  порта  дифференциальной  откачки, 
давления в предварительном спектрометре и в самом спектрометре. Первое давление 
измеряется при помощи вакуумметра ВИТ-3, остальные при помощи многоканального 
вакуумметра  УКВ-3/7-003.  Первый  вакуумметр  имеет  аналоговый  выход  для 
самописца,  а  второй – непосредственный  выход  для  внешнего  АЦП.  Эти  выходы  и 
были использованы при организации системы измерения давлений. Сигнал с них был 
заведён  через  аналоговый  релейный  коммутатор  КА-004  на  вход  АЦП  типа  Ф5286, 
который может оцифровывать сигналы постоянного уровня. Для приведения уровней 
сигналов на выходе вакуумметра УКВ-3/7-003 (0÷10 В) к диапазону входных сигналов 
АЦП  (максимум 5 В),  были  изготовлены  делители 1:2 на  базе  прецизионных 
резисторных  сборок.  На  входе  коммутатора  был  установлен  дополнительный 
емкостной фильтр. Вся схема измерения давлений показана на Рис.  8. 
 
Рис.  8.   Схема измерения давлений. 
 
 
При наборе данных давления измеряются до и после набора каждой из точек по 
высокому  напряжению.  Для  этого  последовательно  перебираются  входы  аналогового 
коммутатора  и  для  каждого  из  входов  подряд  происходит  несколько  измерений 
напряжения с помощью АЦП. Полученные данные усредняются и пересчитываются в 
давления по таблицам. 
11
 


8. Высоковольтная система. 
 
Основными  элементами  высоковольтной  системы  являются  прецизионный 
цифроаналоговый  преобразователь  В1-13 (прибор  для  проверки  вольтметров), 
управляемый  линейный  высоковольтный  преобразователь HV-30, изготовленный  по 
нашему  заказу  в  Обнинске,  делители  напряжения    и  стабилизирующий  модуль, 
вырабатывающий сигнал обратной связи. Схема этой системы показана на Рис.  9. Вся 
она  питается  от  блока  питания  крейта  КАМАК  и  двух  дополнительных  источников 
типа ТЕС-14. 
 
Рис.  9  Блок-схема высоковольтной системы установки. 
 
Стабилизация высоковольтного напряжения происходит следующим образом: 
Установленное  высоковольтное  напряжение  (отрицательное)  и  опорное 
напряжение  с  ЦАПа  (положительное)  подаются  на  два  плеча  делителя.  На  средней 
точке  делителя  должен  установиться  нулевой  потенциал,  если  эти  два  напряжения 
соответствуют друг другу. 
Потенциал  средней  точки  делителя  усиливается  операционным  усилителем  с 
очень  малым  входным  током (LT 1012). Тут  же  стоят  и  компараторы,  следящие  за 
отклонениями высоковольтного напряжения («быстрая» схема сравнения).   
Усиленный  сигнал  подаётся  на  вход  интегрирующего  импульсного  усилителя 
обратной  связи.  Вход  этого  усилителя  открывается  на  малое  время  и  сигнал 
рассогласования  попадает  на  интегратор,  увеличивая  либо  уменьшая  управляющее 
напряжение  на  небольшую  величину.  Таким  образом  удаётся  избежать  «раскачки» 
12
 


довольно инерционной системы управления высоковольтным напряжением и сделать 
её нечувствительной к кратковременным помехам и пробоям (см. схему на Рис.  10). 
Управляющий  сигнал  попадает  на  вход  линейного  высоковольтного 
преобразователя напряжения. 
Долговременная стабилизация всей системы (компенсация «ухода» параметров 
усилителей и преобразователя за время порядка 10 часов и более) осуществляется при 
помощи  управляющего  компьютера.  У  нас  постоянно  набираются  данные  о 
расхождении  между  установленным  напряжением  и  измеренным  с  помощью 
прецизионного  вольтметра  по  двум  независимым  делителям.  На  основании  этих 
данных  вносится  небольшая  корректировка  в  управляющее  напряжение  таким 
образом,  чтобы  измеренное  напряжение  оставалось  постоянным  в  одних  и  тех  же 
точках. 
 
 
Рис.  10.  Принцип действия стабилизатора высокого напряжения. 
 
Аналогичная высоковольтная система используется и при работе с электронной 
пушкой,  только  в  ней  напряжение  на  ЦАПе  устанавливается  не  с  помощью 
параллельного  регистра,  а  задаётся  вручную.  С  помощью  электронной  пушки  был 
экспериментально  измерен  спектр  поглощения  энергии  электронов  при  их 
прохождении через газовый тритиевый источник [8]. 
 
9. Программное обеспечение системы сбора данных. 
 
В ходе эксперимента фиксируются время прихода и амплитуда сигнала с детектора за 
время набора каждой из точек высокого напряжения. Всего точек - от 70 до 80, а время 
набора изменяется от 10 до 200 секунд в зависимости от темпа набора. Для контроля за 
интенсивностью тритиевого источника через каждые несколько точек, примерно раз в 
15  минут,  измеряется  так  называемая  «мониторная»  точка  с  достаточно  высоким 
счётом. Обычно это либо 18000, либо 18175 Вольт. Для того, чтобы скомпенсировать 
падение  темпа  счета,  связанное  с  изменением  процентного  состава  молекулярного 
трития, весь список рабочих точек проходится последовательно в обоих направлениях. 
Сам  порядок  точек  был  выбран  случайным  образом,  а  его  пример  приведён  в 
Приложении 1. 
13
 

10. Алгоритм сбора данных. 
 
Упрощённо  алгоритм  программы  сбора  данных  можно  представить  следующим 
образом: 
 1.  После запуска программы происходит проверка включения крейтов КАМАК, 
а  так  же  инициализируются  все  модули,  требующие  первоначальных  установок  для 
своей  работы.  Для  проверки  включения  осуществляется  чтение  сигналов  Q  и  X
подтверждающих  приём  и  выполнение  команд  по  известным  станциям  и  адресам 
блоков КАМАК и проверяется отсутствие этих сигналов на заведомо пустых станциях. 
 2.  После  ввода  комментариев  и  названия  файла  запускается  набор  данных. 
Существует возможность автоматического перезапуска программы сбора после набора 
очередного файла. Номер в названии файла будет увеличен на единицу. 
3. В ЦАП В1-13, управляющий высоковольтным преобразователем напряжения, 
с  помощью  параллельного  регистра  POLON 350 записывается  значение  очередной 
рабочей точки, после чего выдерживается пауза на время переходного процесса (от 3 
до 5 секунд). 
4.  С  помощью  быстрой  схемы  сравнения  проверяется,  что  разница  между 
установленным  и  измеренным  напряжением  уже  не  превышает  значения  в 0.2 В  по 
крайней  мере  одну  секунду.  Точное  значение  установленного  напряжения  будет 
измерено  позднее  с  помощью  прецизионного  вольтметра,  которому  требуется  для 
измерения не менее 10 секунд, а пока мы это время экономим.  
5. Измеряется рабочее давление трития в источнике, а также вакуум в четырех 
контрольных  точках  источника  и  спектрометра.  Для  этого  выходы  вакуумметров 
последовательно подключаются  с помощью мультиплексора к входу АЦП. 
6.  После  подготовки  всех  модулей  запускается  набор  данных,  которые 
накапливаются в буферной памяти модуля MADC без участия компьютера, который в 
это  время  следит  лишь  за  переполнением  буферной  памяти.  В  это  время  связка 
модулей АЦП-память работает автономно, записывая амплитуды и время прихода для 
каждого сигнала с детектора. Стартовый сигнал вырабатывается модулем OV1. 
7. Во время набора осуществляется контроль над установленным напряжением. 
Для  этого  каждую  секунду  проверяется  уровень  сигнала  на  выходе  быстрой  схемы 
сравнения  высокого  напряжения  и  счетчик,  на  который  заведен  этот  сигнал.  Если 
высокое напряжение не в порядке, в файле данных делается соответствующая отметка. 
8.  По  окончании  набора  (этот  сигнал  формируется  все  в  том  же  модуле 
буферной памяти MADC) измеряется давление трития и считывается с прецизионного 
вольтметра значение высокого напряжения. 
9.  Из  буферной  памяти  в  компьютер  перекачиваются  только  что  набранные 
данные, которые записываются в файл и отображаются на дисплее. 
10. Запускается новая точка измерений. 
11. После того, как будут пройдены все точки, автоматически запускается набор 
нового файла данных с точками, расположенными в обратном направлении. 
Программа сбора предусматривает также редактирование списка рабочих точек, 
запись комментариев к каждому файлу, изменение различных настроек и сохранение 
их под различными именами. 
14
 

Программа  написана  на  языке  программирования  Паскаль  с  ассемблерными 
вставками  и  состоит  примерно  из 3000 строк,  не  считая  библиотек  для  работы  с 
контроллером КАМАК и графических библиотек. Программа скомпилирована в среде 
Borland Pascal версии 7.0 и  работает  либо  под  управлением  операционной  системы 
MS-DOS, либо в DOS-окне Windows. Последний вариант позволяет легко передавать 
набранные файлы по сети, не прерывая основной набор. 
Во время работы на экран выводятся параметры текущей и предыдущей точки 
измерения, выводится список с данными по всем пройденным мониторным точкам и 
значения  рабочих  давлений  в  спектрометре  и  источнике.  Имеется  возможность 
вывести на экран спектр последней измеренной точки. 
 
11. Хранение данных. 
 
В  один  файл  записываются  данные  обо  всех  рабочих  точках,  пройденных  в  одну 
сторону.  Длится  набор  одного  такого  файла  около  двух  часов.  Объём  файла - около 
5 Мбайт.  Во  время  измерений  файлы  по  сети  переписываются  на  другой  компьютер, 
который используется для предварительной обработки полученной информации, а так 
же для резервного копирования. 
К  хранению  данных  на  установке  «Троицк  ню-масс»  предъявляется 
специфическое  требование – устойчивость  носителя  данных  к  воздействию  сильных 
магнитных  полей.  Объём  данных,  получаемых  на  установке,  по  нынешним  меркам 
невелик – порядка 1 Гб  в  месяц.  Сейчас  подобная  задача  решается  просто  с 
появлением  на  рынке  достаточно  дешевых  устройств  записи CD-R. Однако,  в 1994 
году  это  было  реальной  проблемой  (ёмкость  жёсткого  диска  нашего  он-лайн 
компьютера  составляла  в  то  время 80 Мб)  и  выход  был  найден  в  использовании 
магнитооптических дисков ёмкостью сначала 128, а затем и 230 Мб. Сейчас весь архив 
данных переведен на CD-R.  
 
Формат хранения данных приведён в приложении 2. 
12. Выводы. 
 
Для  сбора  данных  в  эксперименте  “Троицк  ню-масс”  была  создана  система  с 
аппаратной реализацией чтения основного потока данных. При всей своей негибкости 
система  обладает  максимально  возможным  для  своей  элементной  базы 
быстродействием, 
недостижимым 
для 
стандартных 
программно-аппаратных 
интерфейсов.  Использование  стандарта  КАМАК  для  передачи  медленного  потока 
данных позволило максимально удешевить всю систему. 
 
Данный подход можно применить и в других экспериментах – там, где нужно 
минимизировать  мёртвое  время  системы  сбора,  а  использование  современных 
программируемых  логических  матриц  даёт  возможность  создавать  универсальные 
модули, работающие по тому же принципу. 
15
 

Приложение 1.  
 
Пример списка рабочих точек, Run 33, июнь 2001 г. Выделены мониторные точки. 
 
Номер   Напряжение  Время           Номер   Напряжение  Время 
  1     18000.0      20                37     18564.0     200 
  2     18558.0     200                38     18075.0      10 
  3     18559.0     200                39     18573.0     100 
  4     18530.0     100                40     18150.0      10 
  5     18548.0     100                41     18025.0      10 
  6     18572.0     100                42     18546.0     100 
  7     18510.0     100                43     18225.0      10 
  8     18275.0      20                44     18525.0     100 
  9     18000.0      20                45     18000.0      20 
 10     18425.0      50                46     18770.0     100 
 11     18475.0      50                47     18580.0     100 
 12     18125.0      10                48     18400.0      50 
 13     18555.0     200                49     18050.0      10 
 14     18554.0     200                50     18505.0     100 
 15     18325.0      20                51     18500.0     100 
 16     18568.0     200                52     18565.0     200 
 17     18000.0      20                53     18375.0      20 
 18     18561.0     200                54     18577.0     100 
 19     18585.0     100                55     18000.0      20 
 20     18574.0     100                56     18575.0     100 
 21     18542.0     100                57     18670.0     100 
 22     18100.0      10                58     18300.0      20 
 23     18566.0     200                59     18515.0     100 
 24     18563.0     200                60     18550.0     100 
 25     18200.0      10                61     18556.0     200 
 26     18000.0      20                62     18450.0      50 
 27     18520.0     100                63     18250.0      10 
 28     18590.0     100                64     18544.0     100 
 29     18535.0     100                65     18175.0      10 
 30     18350.0      20                66     18000.0      20 
 31     18570.0     200                67     18567.0     200 
 32     18560.0     200                68     18562.0     200 
 33     18553.0     200                69     18571.0     200 
 34     18000.0      20                70     18552.0     200 
 35     18540.0     100                71     18557.0     200 
 36     18569.0     200                72     18000.0      20 
 
 
16
 

Приложение 2. 
Формат файла данных. 
 
№ 
Длина  Содержание 
1.  
Заголовок файла - 2048 байт: 
 9  Идентификатор  файла  и  номер  версии  программы  сбора  (для  автоматической 
обработки) ->NM 1.13<- + $0D $0A; 
 16  Дата и время начала набора данных ->DD.MM.YY HH:MM<- + $0D $0A; 
 2023 Название файла данных. Название эксперимента. Данные, общие для всего измерения. 
Параметры установки и комментарий к файлу данных (ASCII). 
2.  
Заголовок новой точки измерения: 
 1  Идентификатор новой точки измерения $0F; 
 
 
Данные, общие для точки измерения (32 байта): 
 4  Установленное напряжение, В * 10 (мл.,.., ст. байты) 
 2  Резерв (0) 
 2  Время измерения, в секундах (мл., ст. байты) 
 2  Монитор (мл., ст. байты) 
 2  Давление Рх (мл., ст. байты) 
 2  Напряжение смещения, (В * 100 + 32768) (мл., ст. байты) 
 2  Нижнее значение маркера (мл., ст. байты) 
 2  Верхнее значение маркера (мл., ст. байты) 
 1  Номер канала коммутатора (1-3) 
 1  $01 
для измерения фона 
$10 для рабочей точки, $01 для набора от генератора 
 1  Сдвиг HV*10 + 128 
 10  Резерв (0) 
3.  
Если  было  превышение  порога  отклонения  высокого  напряжения  в  наборе,  то 
записываются: 

 1  Идентификатор отклонения высокого напряжения $BF; 
 2  Секунда измерения (мл., ст. байты) 
 2  Показание счетчика отклонений (мл., ст. байты) 
4.  
Если произошли события, то записываются: 
 
 
Eсли время и амплитуда оцифрованы: 
 

#0001 BIN + Код АЦП (4 старших разряда данных) 
 1  Код АЦП (8 младших разрядов данных) 
 2  Младшие 16 разрядов таймера (мл., ст. байты) 
 2  Старшие 12 разрядов таймера (мл., ст. байты) 
 
 
Eсли амплитуда не оцифрована: 
 

#0010 1111 BIN = $2F 
 2  Младшие 16 разрядов таймера (мл., ст. байты) 
 2  Старшие 12 разрядов таймера (мл., ст. байты) 
 
 
Eсли время не учитывается (при больших загрузках): 
 

#0100 BIN + Код АЦП (4 старших разряда данных) 
 1  Код АЦП (8 младших разрядов данных) 
 
 
Eсли время не учитывается, но код АЦП потерян: 
 

#1000 0000 BIN = $8F 
5.  
Окончание точки измерения: 
 1  Идентификатор окончания точки измерения $AF; 
 
 
Данные, общие для точки измерения (64 байта): 
 1  Признак завершения измерения 
(0 - Нормальное завершение; 1 - Измерение прервано оператором) 
17
 

 4  Счетчик 4СчБ #1, вход 1 (мл.,..., ст. байты) Busy ADC 
 4  Счетчик 4СчБ #1, вход 2 (мл.,..., ст. байты) Busy AMPL 
 4  Счетчик 4СчБ #1, вход 3 (мл.,..., ст. байты) Inhibit ADC 
 4  Счетчик 4СчБ #1, вход 4 (мл.,..., ст. байты) Reserve 
 4  Счетчик 4СчБ #2, вход 1 (мл.,..., ст. байты) Events AMPL 
 4  Счетчик 4СчБ #2, вход 2 (мл.,..., ст. байты) Gate ADC 
 4  Счетчик 4СчБ #2, вход 3 (мл.,..., ст. байты) Busy ADC 
 4  Счетчик 4СчБ #2, вход 4 (мл.,..., ст. байты) Meas. Time 
 2  Монитор (мл., ст. байты) 
 2  Давление Рх (мл., ст. байты) 
 1  Московское время, часы 
 1  Московское время, минуты 
 4  Считанное напряжение, В * 10 (мл., ... ,ст. байты) 
 21  Резерв (0) 
 
 
Пункты 2, 3, 4,..., 4, 5 повторяются до конца сбора данных. 
6.  
Окончание файла данных: 
 1  Идентификатор конца набора данных $FF; 
 16  Дата и время конца набора данных $0D $0A + ->DD.MM.YY HH:MM<- ; 
 ??  Файл дописывается нулями ($00) до длины, кратной 2 кБ. 
 
 
 
18
 

Литература. 
 
1. С.Н.Балашов, А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, В.В.Ишкин, 
О.В.Казаченко, Ю.Э.Кузнецов, В.М.Лобашев, В.И.Парфенов, Б.М.Овчинников, И.В.Секачев, 
А.П.Солодухин, П.Е.Спивак, Н.А.Титов, И.Е.Ярыкин. 
"Интегральный электростатический спектрометр электронов низких энергий с магнитной 
адиабатической коллимацией  для измерения массы покоя электронного антинейтрино". 
Препринт ИЯИ АН СССР, П-0617,  Москва, 1989. 
 
2. А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, О.В.Казаченко, В.М.Лобашев, 
Б.М.Овчинников, И.Е.Ярыкин.  
"Криогенная система для эксперимента по измерению массы покоя электронного антинейтрино". 
Препринт ИЯИ АН СССР, П-0614, Москва, 1988. 
 
3. А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, О.В.Казаченко, Ю.Э.Кузнецов, 
В.М.Лобашев, Б.М.Овчинников, И.В.Секачев, А.П.Солодухин, А.И.Федосеев, В.И.Парфенов, 
И.Е.Ярыкин. 
"Сверхпроводящая система спектрометра для измерения массы покоя электронного антинейтрино". 
Препринт ИЯИ АН СССР, П-0615, Москва, 1989. 
 
4. A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, O.V.Kazachenko, E.P.Kiev, 
Yu.E.Kuznetsov, V.M.Lobashev, B.M.Ovchinnikov, V.I.Parfenov, I.V.Sekachev, A.P.Solodukhin, N.A.Titov, 
I.E.Yarykin, Yu.I.Zakharov, S.N.Balashov, P.E.Spivak.  
"STATUS AND NEW RESULTS FROM THE EXPERIMENT "TROITSK ν-MASS" ON THE SEARCH FOR 
THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM BETA-DECAY".  
Physics Letters B 350 (1995), p.263 
 
5. V.M.Lobashev, A.I.Belesev, A.I.Berlev, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, O.V.Kazachenko, Yu.E.Kuznetsov, 
L.A.Ryvkis, B.E.Stern, N.A.Titov, I.E.Yarykin, S.V.Zadorozhny, Yu.I.Zakharov.  
"NEUTRINO REST MASS AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA-SPECTRUM".  
Nuclear Physics A 654 (1999), p.982-987. 
 
6. V.M.Lobashev, V.N.Aseev, A.I.Belesev, A.I.Berlev, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, O.V.Kazachenko, 
Yu.E.Kuznetsov, R.P.Ostroumov, L.A.Ryvkis, B.E.Stern, N.A.Titov, S.V.Zadorozhny, Yu.I.Zakharov.  
"DIRECT SEARCH FOR THE MASS OF NEUTRINO AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA-
SPECTRUM".  
Physics Letters B 460 (1999), p.227-235. 
 
7. В.И. Дацков, Л.В. Петрова, Г.П. Цвинева.  
“Криогенные термометры на основе резисторов ТВО и их применение”. 
Препринт ОИЯИ Р8-87-604-1987. 
 
8. С.Н.Балашов, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, В.В.Ишкин, О.В.Казаченко, В.М.Лобашев, 
И.В.Секачев, П.Е.Спивак, Б.Е. Штерн. 
Детектор мягких электронов для работы в сильных магнитных полях. 
Препринт ИЯИ АН СССР, П-0616,  Москва, 1989. 
 
9. V.N.Aseev, A.I.Belesev, A.I.Berlev, E.V.Geraskin, O.V.Kazachenko, Yu.E.Kuznetsov, V.M.Lobashev, 
R.P.Ostroumov, N.A.Titov, S.V.Zadorozhny, Yu.I.Zakharov, J.Bonn, B.Bornschein, L.Bornschein, E.W.Otten, 
M.Przyrembel, Ch.Weinheimer, A. Saenz  
"Energy loss of 18 keV electrons in gaseous T2 and quench condensed D2 films".  
The European Physical Journal D 10, 39-52 (2000). 
 
19
 

Document Outline

  • Начиная с 1993 года на установке «Троицк ню-масс», созданной
    • 2. Особенности регистрации.
    • 3. Структура системы сбора данных.
    • 4. Контроль за температурами элементов источника и спектроме
    • 5. Детектирующая система. Канал регистрации электронов.
    • Проверка линейности канала сбора данных.
    • 7. Контроль за давлениями в источнике и спектрометре.
    • 8. Высоковольтная система.
    • 9. Программное обеспечение системы сбора данных.
    • 10. Алгоритм сбора данных.
    • 11. Хранение данных.
    • 12. Выводы.
    • Приложение 1.
    • Приложение 2.
    • Формат файла данных.