1. Merytoryczne założenia eksperymentu Jaki jest cel naukowy eksperymentu oraz jakie dane pomiarowe mają być gromadzone.
W naszym przykładzie badamy rozwój reakcji jądrowych w czasie i przestrzeni metodą analizy korelacji cząstek. W tym celu doprowadzamy do zderzeń przyspieszonych w akceleratorze jąder argonu 40Ar z niklową tarczą 58Ni znajdującą się w komorze reakcji. W wyniku zderzenia następuje wzbudzenie powstałego układu jądrowego, a następnie jego rozpad. Emitowanych jest wtedy wiele cząstek, przede wszystkim protonów i neutronów. Cząstki te są rejestrowane przez detektory rozstawione wokół komory reakcji, głownie w kierunku „do przodu”. Ilustruje to Rys. 1. poniżej.
Zauważ - to cel eksperymentu określa, co i jak ma być mierzone oraz jakie dane będą gromadzone.Rys. 1. Schemat eksperymentu. Kolorowe symbole pokazują kierunek wiązki przyspieszanych jąder argonu (czerwony), znajdującą się w komorze reakcji niklową tarczę (pomarańczowy) oraz kierunki wyemitowanych w rezultacie zderzenia protonów (pomarańczowy) i neutronów (zielony), które trafiają w detektory.
2. Konfiguracja układu pomiarowego Zaprojektowanie układu tak, by umożliwiał realizację celu eksperymentu.
W naszym przypadku, projekt rozmieszczenia aparatury w trójwymiarowej postaci oraz w rzucie z góry przedstawiono na Rys. 2. Dla każdego z detektorów zapisana była następująca informacja:
- numer detektora,
- odległość od tarczy,
- kąt w płaszczyźnie poziomej,
- kąt w płaszczyźnie pionowej.
Zauważ - to są pierwsze dane pomiarowe!Rys. 2. Projekt rozmieszczenia aparatury. Kąty określane były względem współrzędnych środka tarczy tak, by oś każdego detektora przechodziła przez środek tarczy. Wymagało to bardzo starannej regulacji, oddzielnie dla każdego z kilkudziesięciu detektorów. Wszystko to zostało wyznaczone przed rozpoczęciem pomiarów, przy czym numer detektora stanowił jego identyfikator przez cały czas trwania pomiarów, podczas gdy jego położenie mogło się zmieniać, co zawsze było odnotowywane w księdze pomiarów.
3. Modelowanie komputerowe planowanych pomiarów Wykonywane, by określić, jak wiele danych trzeba zgromadzić dla realizacji celu merytorycznego eksperymentu.
Modelowanie komputerowe procesu pomiaru, to generowanie wszystkich detali eksperymentu, zgodnie z całą dotychczasową wiedzą o fizyce badanego procesu oraz założoną hipotezą badawczą. To jakby wykonać cały eksperyment, chociaż z wyjątkiem najważniejszego – dane „pomiarowe” nie są wynikiem pomiaru, ale generuje je komputer.
W tym celu trzeba przemyśleć najdrobniejsze detale przyszłego procesu pomiaru. Dane te zapisuje się podobnie, jak przyszłe rzeczywiste dane pomiarowe. One też stanowię element gromadzenia danych pomiarowych. Przykład wyników modelowania komputerowego pokazuje Rys. 3.
Zauważ - opracowanie tych danych pozwala odpowiedzieć na pytanie dotyczące niezbędnej objętości rzeczywistych przyszłych danych pomiarowych, które musimy zgromadzić.Rys. 3. Przykład wyników modelowania komputerowego. W postaci kropek pokazany jest rozkład trafień cząstek generowanych w procesie modelowania w powierzchnie płyt czołowych detektorów. Podane liczby, to odległości detektorów od tarczy w milimetrach, „beam” – to oś wiązki.
4. Pomiary testowe i kalibracyjne Pomiary testowe mają za zadanie sprawdzenie działania aparatury pomiarowej w warunkach zbliżonych do przyszłych pomiarów zasadniczych.
Pomiary kalibracyjne są elementem przygotowania procedury pomiarowej, a ich celem jest zmierzenie parametrów eksploatacyjnych każdego urządzenia używanego do zbierania danych.
Pomiary testowe i kalibracyjne stanowią niezbędny element danych pomiarowych. Fotografie na Rys. 4. przedstawiają przygotowania układu do pomiarów testowych.
Zauważ - bez tych danych, wyniki pomiarów zasadniczych byłyby bezwartościowe, bo nie dałoby się ich zinterpretować.Rys. 4. Fotografie pokazują prace przy pomiarach testowych (środkowa) i kalibracyjnych (z lewej i z prawej). Do pomiarów testowych wybrano siedem detektorów, które wysunięte zostały względem innych, co widoczne jest na fotografii. Pomiary kalibracyjne wykonano z pomocą źródła promieniotwórczego, umieszczonego na końcu drewnianej listewki.
5. Dane techniczne aparatury pomiarowej Określenie indywidualnych własności każdego urządzenia użytego do zbierania danych doświadczalnych.
W naszym przykładzie, wszystkie detektory były ponumerowane i każdemu numerowi przypisane zostały indywidualne własności, zmierzone przed rozpoczęciem pomiarów i kontrolowane przez cały czas prowadzenia eksperymentu. Własności te zapisywane są jako element gromadzonych danych pomiarowych. Schemat modułu detektora przedstawia Rys. 5.
Zauważ - te własności, to też są dane pomiarowe, chociaż gromadzone jeszcze przed rozpoczęciem pomiarów zasadniczych.Rys. 5. Schemat budowy jednego modułu detektora. Detektor główny rejestruje wszystkie cząstki elektrycznie naładowane oraz także neutrony i fotony. Cienki detektor pomocniczy rejestruje tylko cząstki naładowane. Na kolorowo zilustrowana jest rejestracja protonu i neutronu.
.
6. Pomiar Pomiary zasadnicze, to główny element gromadzenia danych pomiarowych.
Eksperyment, który omawiamy jako przykład, otrzymał przydział pięć dni i nocy pracy akceleratora bez przerwy. Cały zespół pracował w czasie podzielonym na dyżury, jak widać na Rys. 6.
Zauważ - każda godzina pracy musi być udokumentowana ściśle według przyjętego wzorca, każda modyfikacja lub zmiana parametrów pracy - odnotowana. To wszystko są dane pomiarowe.Rys. 6. Praca przy zbieraniu danych pomiarowych. 1) W rurze próżniowej porusza się wiązka, a emitowane cząstki trafiają do detektorów, widocznych tu od czoła. 2) Kontrola parametrów akceleratora, które określają, energię, kształt i położenie wiązki przyspieszonych cząstek. 3) Sprawdzanie kształtu impulsów z pomocą oscyloskopu. 4) Kontakt prowadzącego eksperyment z operatorami akceleratora w celu doprecyzowania pozycji, kształtu i intensywności wiązki w komorze reakcji.
7. Zapis i analiza danych Zgromadzenie wszystkich danych pomiarowych w eksperymencie, na które składa się cała dokumentacja - od określenia celu eksperymentu, poprzez wszystkie ogniwa pośrednie, przedstawione tu w kolejnych punktach, aż po zapis wyników przeprowadzonych pomiarów. Dane te zostają potem przekazane zespołom biorącym udział w eksperymencie, do dalszej analizy.
W opisywanym eksperymencie, parametry określające warunki pracy detektorów były w sposób ciągły monitorowane, a każda zmiana ich wartości powyżej dopuszczalnych granic natychmiast sygnalizowana i odnotowywana w "dzienniku pokładowym" pomiarów.
Wspomnieć trzeba również, że już po zakończeniu pomiarów wykonano powtórne sprawdzenie wszystkich parametrów aparatury i warunków pomiarowych, w celu weryfikacji ich stabilności. Wszystkie dane pomiarowe zostały zapisane na nośnikach magnetycznych, zgodnie z uzgodnionym jeszcze przed rozpoczęciem pomiarów wzorcem kodowania danych. Dane zbierane „on-line” w czasie trwania pomiarów były następnie analizowane „off-line”, bo każdy z zespołów uczestniczących w eksperymencie otrzymał ich kopię do dalszej analizy.
Zauważ - przedstawione tu informacje dotyczą eksperymentu stosunkowo niedużego, w porównaniu z aktualnie prowadzonymi eksperymentami, skupiającymi tysiące uczestników i aparaturę wielkości wielopiętrowych budynków.