BeamDet¶

BeamDet - Beam detector¶

Задача детектора пучка состоит в нахождении для каждого налетающего иона точки и направления импульса на мишени, идентификации иона, определении его кинетической энергии.

Детектор состоит из двух пластин ToF, четырех плоскостей (2-х станций) MWPC и мишени.

MWPC устроен следующим образом. Перпендикулярные пучку стенки из каптона толщиной 12.5 микрон на расстоянии 82 мм друг от друга. Между стенками - газ CF4, снаружи от каптоновых стенок - вакуум. В середине газового объема расположена сборка из 2-х MWPC. Катоды параллельны стенкам и выполнены из сплошного алюминия толщиной 5 мкм.

Последовательность в направлении пучка такая: алюминий 5 мкм, газ 6 мм, алюминий 5 мкм, газ 4 мм, алюминий 5 мкм, газ 6 мм, алюминий 5 мкм.

В серединах зазоров 6 мм расположены проволочки. В одном зазоре - вертикальные, в другом - горизонтальные.

Рисунок N. Геометрия BeamDet.

Газ разбит на активные вытянутые объемы так, что в центре каждого активного объема газа - проволочка из вольфрама.

Параметры полосок газа: X = 0.125 см, Y = 5 см, Z = 0.6 см.

Рисунок N. Геометрия многопроволочных камер в ROOT.

В классе ERBeamDet осуществлена возможность создания геометрии симуляции без использования отдельного макроса. Для этого переопределен виртуальный метод void ERBeamDet::ConstructGeometry(), внутри которого вызывается метод ERBeamDetSetup::ConstructGeometry(), который по параметрам, полученным из базы данных компонентов, создает геометрию и записывает ее во временный файл /geometry/beamdet.temp.root.

Описание отдельных компонентов геометрии выполняется внутри XML-файла параметров, который располагается в /db/BeamDet директории проекта https://github.com/ExpertRootGroup/er/tree/beamdet/db/BeamDet. В нем, каждого типа составной части детектора указывается ее уникальный идентификатор(id) и конкретные значения атрибутов геометрии:

<?xml version = "1.0" encoding = "utf-8" ?>
<!DOCTYPE BeamDetParts SYSTEM "equip.dtd">
<BeamDetParts>
  <ToFTypes>
    <ToF id = "ToF1">
      <plasticGeometry X = "100" Y = "100" Z = "0.01"/>
      <plasticMedia>BC408</plasticMedia>
    </ToF>
  </ToFTypes>
  <MWPCTypes>
    <MWPC id = "MWPC1">
      <gasVolGeometry   X = "5."    Y = "5." Z = "8.2"/>
      <gasStripGeometry X = "0.125" Y = "5." Z = "0.6"/>
      <distBetweenXandYStrips>1</distBetweenXandYStrips>
      <cathodeThickness>0.005</cathodeThickness>
      <kaptonWindowThickness>0.00125</kaptonWindowThickness>
      <anodeWireDiameter>0.002</anodeWireDiameter>
      <kaptonWindowMedia>kapton</kaptonWindowMedia>
      <cathodeMedia>aluminium</cathodeMedia>
      <anodeWireMedia>tungsten</anodeWireMedia>
      <gasMedia>CF4_CH4</gasMedia>
    </MWPC>
  </MWPCTypes>
</BeamDetParts>

Структура XML-файла параметров определяется в DTD(Doсument Type Definition)-файле. В нем перечисляются все допустимые наименования узлов документа, их атрибуты и вложенные узлы.

<!ELEMENT BeamDetParts (ToFTypes, MWPCTypes)>
<!ELEMENT ToFTypes (ToF+)>
<!ELEMENT ToF (plasticGeometry, plasticMedia)>
<!ATTLIST ToF
  id ID #REQUIRED
>
<!ELEMENT plasticGeometry EMPTY>
<!ATTLIST plasticGeometry
  X CDATA #REQUIRED
  Y CDATA #REQUIRED
  Z CDATA #REQUIRED
>
<!ELEMENT plasticMedia (#PCDATA)>

<!ELEMENT MWPCTypes (MWPC+)>
<!ELEMENT MWPC (gasVolGeometry,gasStripGeometry, distBetweenXandYStrips, cathodeThickness, kaptonWindowThickness, anodeWireDiameter, kaptonWindowMedia, cathodeMedia, anodeWireMedia, gasMedia)>
<!ATTLIST MWPC
  id ID #REQUIRED
>
<!ELEMENT gasVolGeometry EMPTY>
<!ATTLIST gasVolGeometry
  X CDATA #REQUIRED
  Y CDATA #REQUIRED
  Z CDATA #REQUIRED
>
<!ELEMENT gasStripGeometry EMPTY>
<!ATTLIST gasStripGeometry
  X CDATA #REQUIRED
  Y CDATA #REQUIRED
  Z CDATA #REQUIRED
>
<!ELEMENT distBetweenXandYStrips (#PCDATA)>
<!ELEMENT cathodeThickness (#PCDATA)>
<!ELEMENT kaptonWindowThickness (#PCDATA)>
<!ELEMENT anodeWireDiameter (#PCDATA)>
<!ELEMENT kaptonWindowMedia (#PCDATA)>
<!ELEMENT cathodeMedia (#PCDATA)>
<!ELEMENT anodeWireMedia (#PCDATA)>
<!ELEMENT gasMedia (#PCDATA)>

В случае несоответствия файла с данными об оборудовании описанной DTD-схеме, выполнение программы завершится ошибкой.

Редактировать XML-файл можно в MS Excel, либо напрямую изменяя параметры внутри XML-файла.

Редактирование файла параметров в MS Excel¶

Для изменения параметров в Excel, файл должен иметь заранее подгруженную в него XML-карту. В репозитории проекта лежат именно такие файлы https://github.com/ExpertRootGroup/er/tree/beamdet/db/BeamDet. Для редактирования нужно открыть файл с разрешением .xlsx. В нем два листа: один под ToF, другой под MWPC. Каждая строка таблицы - новый тип MWPC или ToF. Для того, чтобы класс настроек BeamDet корректно разобрал данные, необходимо заполнять все ячейки в строках таблицы. Сохранить результаты правки нужно в двух форматах:

Обычное сохранение .xlsx – файла.

Сохранение в формате XML, так как именно с ним работает метод создания геометрии. «Файл» -> «Сохранить как» -> «Тип файла» выбрать формат «XML-данные».

Рисунок N. Сохранение параметров.

Если требуется создать файл редактирования XML-данных с нуля, необходим заранее сформированный xml-файл параметров.

Работа с внешними XML-даными в Excel происходит во вкладке “Разработчик”.

Рисунок N. Вкладка “Разработчик”.

Если вкладка ”Разработчик” недоступна, выполните следующие действия, чтобы открыть ее. В Excel 2010, 2013 и 2016:

Выберите Файл > Параметры.

Щелкните категорию Настроить ленту.

В разделе Основные вкладки установите флажок Разработчик и нажмите кнопку ОК.

В Excel 2007:

Нажмите кнопку Microsoft Office, а затем — кнопку Параметры Excel.
Выберите категорию Основные.
В разделе Основные параметры работы с Excel установите флажок Показывать вкладку “Разработчик” на ленте и нажмите кнопку ОК.

Во вкладке «Разработчик» открываем пункт «Источник». В появившемся поле «Источник XML» открываем «Карты XML»->”Добавить” и находим заранее созданный xml-файл. Нажимаем ОК. В поле «Источник XML» появилась карта со структурой файла.

Рисунок N. Загрузка карты XML-файла.

Теперь, чтобы добавить таблицу для редактирования, сопоставляем поля данных XML-файла и Excel таблицы. Кликаем правой кнопкой мыши по папке с синей стрелкой(ToF) и в выпавшем меню пункт выбираем «Сопоставить». Выбираем ячейку, с которой начнется таблица. Те же действия выполняются для сопоставления MWPC-карты.

Для обновления данных таблиц в соответствие с xml-файлом: нажать правой кнопкой мыши на таблицу в контектном меню через “XML”->”Импорт” выбрать xml-файл.

Рисунок N. Загрузка данных в таблицу.

Более подробно о работе с форматом XML в Excel можно узнать по ссылке: https://support.office.com/ru-ru/article/%D0%9E%D0%B1%D0%B7%D0%BE%D1%80-XML-%D0%B2-Excel-f11faa7e-63ae-4166-b3ac-c9e9752a7d80

Создание геометрии через Setup-класс¶

Для создания геометрии при помощи интерфейсов класса настроек ERBeamDetSetup необходимо инициализировать объект этого класса внутри макроса симуляции и передать название файла с базой данных частей детектора.

ERBeamDetSetup* setup = ERBeamDetSetup::Instance();
setup->SetXmlParametersFile("equip.xml");

Выбор конкретных элементов детектора осуществляется с помощью интерфейсов:

setup->AddMWPC("MWPC1", -40.);
setup->AddMWPC("MWPC1", -8.);
setup->AddToF("ToF1",-1550.);
setup->AddToF("ToF2",-50.);

AddMWPC(“MWPC1”, -40.) первым аргументом определяется id MWPC-камеры из файла настроек, а вторым расстояние до мишени. Аналогично работает AddMWPC.

Материалы¶

Материал пластиков Tof:

BC408     2  1.00794  12.0107  1.  6.  1.032  0.0764  0.916
          1  1  20.  .001
          0

Материалы MWPC камер:

aluminium 1  26.98 13. 2.7
          0  1  20.  .001

kapton   -4  14.006  12.011  1.008  16. 7. 6. 1. 8. 1.42 2 22 10 5
          0  0  20.  .001
          0

tungsten  1  183.84  74.  19.3
          0  1  20.  .001
          0

CF4_CH4   -2  12.01 1.008  6.  1.  2.7e-3  4  10
          1  1  20.  .001

Модель детектора имеет следующее дерево объемов:

cave
  BeamDet
    plastic
    MWPC
      MWPCVol
        gasPlane
          gasStrip
            anodeWire

Simulation¶

Симуляция реализована в классах: ERBeamDet, ERBeamDetMWPCPoint, ERBeamDetToFPoint, ERBeamDetTargetPoint.

В результате разыгрывания событий, происходящих внутри детектора, формируются три типа поинтов: ERBeamDetToFPoint, ERBeamDetMWPCPoint, ERBeamDetTargetPoint.

Среди всего множества параметров, получаемых в деревьях по итогам симуляции, наиболее важными и используемыми на дальнейших этапах обработки результатов для ERBeamDetToFPoint являются:

fTime - момент времени начала формирования поинта

fEloss - энерговыделение в поинте

fToFNb - номер пластины ToF

для ERBeamDetMWPCPoint:

fEloss - энерговыделение в поинте

fMWPCNb - номер станции MWPC

fPlaneNb - номер массива проволочек

fWireNb - номер проволочки в массиве

для ERBeamDetTargetPoint:

fPx, fPy, fPz - проекции импульса в момент попадания в мишень

fX, fY, fZ - координаты попадания в мишень

На данном этапе разработки программы в MWPC учтено рождение дельта-электронов, следовательно ненулевой размер области ионизации, в том числе расползание на соседние проволочки. Неучтенные эффекты в MWPC: снижение отклика, когда ионизация имеет место вблизи проволочки, диффузия ионизационных электронов. Формирование поинтов на проволочках внутри MWPC происходит при транспорте частицы через полоски газа. Т.е сигнал на проволочке собирается с некоторого чувствительного объема.

В ToF тушение сцинтилляции в зависимости от плотности ионизации (закон Биркса) учтено, но не валидированно для конкретного пластика.

Мишень введена в геометрию как чувствительный объем для проверки качества восстановления распределения координат и направлений импульса на мишени на этапе реконструкции.

Для корректного определения параметров fMWPCNb(номер станции), fMWPCPlaneNb(номер массива прямоугольных газовых объемов), fMWPCWireNb(номер проволочки) нужно внимательно следить за номерами объемов в иерархии.

if(volName.Contains("gasStrip"))
{
  gMC->CurrentVolOffID(0, fMWPCWireNb);
  gMC->CurrentVolOffID(1, fMWPCPlaneNb);
  gMC->CurrentVolOffID(3, fMWPCNb);
  AddMWPCPoint();
}

Здесь, для того чтобы получить номер MWPC станции, необходимо подняться на три уровня иерархии относительно полосок газа в соответствие с деревом объемов.

Digitization¶

Общая задача дижитизации - учесть гранулярность, шумы и неэффективности детектора. В нашем случае каждому каналу считывания соответствует свой объем. Поэтому задача дижитизации - отсуммировать энерговыделения в поинтах, сформировать временную привязку, добавить шум и проверить преодоление порога.

Диджитизация ToF¶

Параметры симуляции fTOFNb, fTime, fEloss из ветки BeamDetTOFPoint в классе ERBeamDetDigitizer преобразуются в объекты класса ERBeamDetTOFDigi. Выполняется пособытийное суммирование энергопотерь для всех поинтов каждого объема, размытие этой энергии и сравнение с пороговым значением. Если порог не преодолен, то Digi не записывается в выходной файл. Время пролета через пластик определяется по первому поинту в событии и размывается в соответствие с используемым интерфейсом. ToFDigi располагаются в двух ветках, соответствующих номерам пластин: BeamDetToFDigi1 и BeamDetToFDigi2.

Интерфейсы для задания параметров диджитизации ToF:

SetTofElossSigmaOverEloss(a) – задает параметр для размытия энергии по формуле:

\[\frac{\sigma_{E}}{E}= \frac{a}{\sqrt{E/GeV}};\]

SetTofElossThreshold(Float_t th) – порог по суммарному энерговыделению.

SetTofElossSigma(Float_t sigma) – размытие по суммарному энегровыделению

SetTofTimeSigma(Float_t sigma) – рызмытие по времени

Рисунок N. Распределение энерговыделений в ToF в случае запуска одного иона.

Рисунок N. Распределение энерговыделений в ToF в случае запуска четырех ионов.

Рисунок N. Распределение ToF vs. dE для четырех ионов, a=0.

Рисунок N. Распределение ToF vs. dE для четырех ионов, a=0.002.

Диджитизация MWPC¶

Параметры симуляции fEloss, fMWPCNb, fPlaneNb, fWireNb из ветки BeamDetMWPCPoint в классе ERBeamDetDigitizer преобразуются в объекты класса ERBeamDetMWPCDigi, которые располагаются в четырех ветках, соответствующих номерам плоскостей: ERBeamDetMWPCDigiX1, ERBeamDetMWPCDigiX2, ERBeamDetMWPCDigiY1, ERBeamDetMWPCDigiY2.

Погроги диджитизации подбираем так, чтобы в каждом массиве проволочек зажигалась только одна, то есть множественность должна быть равна единице.

Интерфейсы для задания параметров диджитизации MWPC:

SetMWPCElossThreshold(Float_t th) – порог по суммарному энерговыделению.

SetMWPCElossSigma(Float_t sigma) – размытие по суммарному энегровыделению

SetMWPCTimeSigma(Float_t sigma)- рызмытие по времени

Рисунок N. Координата пролета иона через MWPC на этапе диджитизации.

Track finding¶

Параметры диджитизации MWPC в классе ERBeamDetTrackFinder преобразуются в объекты класса ERBeamDetTrack. Для получения координат проволочек из текущей геометрии реализован специальный класс ERBeamDetSetup, который достает параметры геометрии, соответствующие текущему сеансу.

Предполагается, что события с множественностью не равной единице отсеяны на этапе диджитизации. Несмотря на это, проверяем множественность и не записываем события в выходное дерево, если она не равна единице с помощью:

FairRun* run = FairRun::Instance();
run->MarkFill(kFALSE);

На основе информации о номерах проволочек из каждой плоскости MWPC восстанавливаются координаты точки на мишени и вектор направления импульса. За координату Z для каждой проволочки принимается положение MWPC-станции на оси Z, которой она принадлежит.

Точка попадания иона в мишень воостанавливается через уравнение прямой, проходящей через точки \((X_{MWPC1}, Y_{MWPC1})\) и \((X_{MWPC2}, Y_{MWPC2})\).

В результате, имеем ветку, в которой записаны координаты X, Y, Z и направление импульса на мишени:

fXt, fYt, fZt

fVectorOnTarget

Рисунок N. Координаты иона на мишени.

Рисунок N. Разница между координатами в симуляции и в реконструкции.

Particle identification¶

Параметры диджитизации MWPC и реконструкции трека в классе ERBeamDetPID преобразуются в объекты класса ERBeamDetParticle .

Пользователь задает прямоугольную область для идентификации частицы по ToF vs. dE через интерфейс:

void SetBoxPID(tof1, tof2, dE1, dE2);

Массу частицы через:

SetIonMass(mass);

С помощью этих данных считается бета- и гамма- факторы частицы и ее импульс.

Рисунок N. Проекции импульса иона на мишени (сверху симуляция, снизу идентификация).

Рисунок N. Результат отбора по прямоугольной области (Значения для 28S ToF = (177, 180) ns, dE = (0.075, 0.09) GeV).

Ion generator¶

Мы начинаем с того, что задаёмся угловым и пространственным распределениями ионов на мишени. Пока что это либо равномерное распределение (Box generator), либо Гаусс по каждой координате, но можно использовать более сложные распределения.

Выбранные параметры:

SigmaX = SigmaY = 0.5 cm;
SigmaTheta = 4 мрад;

Пока что не внедрено квадрупольное магнитное поле, поэтому при реализации ToF использовались пластины большой площади.

Разыгранный на мишени ион переносится параллельно собственному импульсу на 15.3 м назад по оси Z и оттуда бросается на ToF.

Рисунок N. Размазывание координат и направления импульса на мишени и перенос в начало детектора.

Все это реализовано классом ERIonGenerator.