Специализированные устройства первичной обработки информации в экспериментах по рассеянию частиц высоких энергий на малые углы

• Автор: Головцов, Виктор Леонтьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 75 с. : ил.

Актуальность темы
Цель работы
Научная новизна
Практическая ценность
Тезисы к защите
Апробация работы
Объём и структура диссертации
1. Краткое описание экспериментов по упругому /тр-рассеянню на малые углы
1.1. Физическая программа экспериментов
1.2. Экспериментальная установка
1.3. Годоскопическая установка
1.4. Триггерирование и сбор данных
1.5. Требования к первичной обработке координатной информации
1.6. Координатная система с триггерным отбором событий
2. Специализированные устройства первичной обработки координатной информации в экспериментах по упругому рр-рассеянию на малые углы
2.1. Устройство кодирования информации пропорциональных камер
2.1.1. Синтез кодировщика с промежуточным кодированием до схем совпадений
2.1.2. Эффективность и точность регистрации при промежуточном кодировании
2.1.3. Структура и основные характеристики устройства кодирования
2.2. Специализированный процессор отбора событий рассеяния
2.2.1. Структура специализированного процессора
2.2.2. Функционирование и основные характеристики процессора
2.3. Достигнутые результаты и выводы
3. Краткое описание эксперимента по исследованию рождений н распадов очарованных барнонов при энергиях 600 ГэВ - Е781 (SELEX)
3.1. Физическая программа эксперимента
3.2. Структура спектрометра SELEX
3.3. Триггерирование и сбор данных
3.4. Требования к первичной обработке координатной информации
4. Специализированные устройства первичной обработки координатной информации в эксперименте по исследованию рождений и распадов очарованных барионов при энергиях 600 ГэВ - Е781 (SELEX)
4.1. Набор специализированных контроллеров
4.1.1. Специализированнный контроллер крейта CROS
4.1.2. Специализированный контроллер крейта FERS
4.1.3. Специализированный системный контроллер
4.1.4. Сбор данных координатных детекторов
4.1.5. Достигнутые результаты и выводы
4.2. Координатная система с триггерным процессором (FERS)
4.2.1. Годоскопическая установка HST-триггера
4.2.2. Структура и функционирование координатного тракта
4.2.3. Структура и функционирование специализированного процессора
4.2.4. Достигнутые результаты и выводы
Заключение
Физика высоких энергий - одно из приоритетных направлений науки, целью которого является исследование фундаментальных составляющих материи и их взаимодействий. Высокие энергии рассматриваемого направления науки связаны с большими масштабами большинства продуктивных установок и экспериментов, которые дают основную часть фундаментальных знаний. Это означает большой масштаб ускорителей, детекторов, огромные потоки подлежащей обработке информации. Современные эксперименты физики высоких энергий используют детекторы, представляющие собой целые комплексы разнообразных регистрирующих систем, служащих для идентификации и изучения свойств частиц. Эти системы обслуживаются десятками и даже сотнями тысяч измерительных каналов, работающих в условиях высокой интенсивности исходных потоков данных, достигающей 10п байт/с [1,2]. Такие огромные потоки информации невозможно записать на долговременные носители информации, а доля событий, представляющих интерес с точки зрения исследуемых процессов, чрезвычайно мала. Поэтому, прежде чем записывать какие-то события, проводят анализ и предварительный отбор, выделяя только те события, которые можно считать полезными соответственно алгоритмическим требованиям, реализуемым на данной скорости приёма и анализа данных. Такую функцию выполняют т.н. триггеры- системы-алгоритмы отбора событий нескольких уровней и системы сбора данных, осуществляющие конвертирование (сжатие, оптимальную упаковку) распределённой информации детекторов. Как правило, триггер первого уровня осуществляет региональный отбор событий однотипных детекторов и уменьшает исходный поток данных до значения, позволяющего применять более сложные и относительно более медленные алгоритмы отбора, связанные с корреляционными процессами различных детекторов физической установки (отбор второго уровня). После двух уровней отбора данные уже на приемлемой для передачи в компьютер скорости отправляются на многопроцессорные рабочие станции для детальной реконструкции и фильтрации событий триггером третьего уровня с дальнейшим уменьшением потока данных. После конечного уровня отбора данные записываются на долговременные носители информации и дальнейшая обработка «сырых» данных осуществляется вне пучка (offline). После реконструкции собранных в пучке (on-line) данных производится более детальный анализ интересных с точки зрения исследователей событий.
Представляемые в данной работе специализированные устройства осуществляли первичную обработку координатной информации - отбор первого уровня и сбор (считывание) данных на второй уровень. Эти устройства использовали относительно простые алгоритмы быстрой режекции высокоинтенсивного фона и способы конвертирования распределённой информации координатных детекторов. Необходимость уменьшения потерь данных при высокой интенсивности пучков частиц заставили искать пути повышения быстродействия и эффективности первичной обработки координатной иифомации. Это определило актуальность разработки и внедрения аппаратных средств первичной обработки информации.
Актуальность темы
Актуальность темы определялась необходимостью создания физических установок и автоматизации съёма и обработки информации для экспериментов по упругому рр-рассеянию на малые углы на синхроциклотроне ПИЯФ РАН и эксперимента Е781 (SELEX) по исследованию рождения и распада очарованных барионов на Тэватроне Лаборатории им. Э.Ферми (США).
Цель работы
Основной целью диссертационной работы было создание и внедрение в физические экспериментальные установки специализированных устройств первичной обработки данных координатных детекторов для повышения эффективности отбора и накопления событий и, в конечном счёте, для существенного повышения эффективности использования пучкового времени экспериментов.
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Предложен, разработан и внедрён в эксперименты по упругому рр-рассеянию на малые углы быстродействующий специализированный процессор отбора событий рассеяния, позволивший получить практически нулевое «мёртвое» время обработки событий и существенно повысить коэффициент режекции нерасссянных частиц.
2. Предложено, разработано и внедрено в эксперименты но упругому рр- рассеянию на малые углы устройство кодирования информации с многопроволочных пропорциональных камер, позволившее сократить время обработки событий и объём оборудования координатной системы с триггерным отбором событий.
3. Предложен, разработан и внедрён в эксперимент Е781 (SELEX) набор специализированных контроллеров, позволивший существенно повысить скорость считывания данных, подключать устройства триггерного отбора событий, разделять процессы считывания с процессами распределённой обработки информации.
4. Предложена, разработана и внедрена в эксперимент Е781 (SELEX) быстродействующая координатная система с программируемой логикой процессора (FERS) , позволившая реализовать триггерный отбор первого уровня для исследования поляризуемости 27 - и к - мезонов кулоновским полем.
Практическая ценность
Практическая ценность исследований и разработок, входящих в диссертацию, определилась тем, что все они доведены до реального применения в составе физических экспериментальных
5. Шаг 5 (момент времени /5): вычисление центра кластера, если контроллер находится в моде центрирования кластеров. Посылка /^-разрядного адреса сработавшего канала, если мода центрирования кластеров не установлена. Запоминание результата в обеих модах.
6. Шаг б (момент времени t6): запоминание адреса сработавшего канала или слова ширины кластера, если установлена мода центрирования.
7. Шаг 7 (момент времени /7): занесение полученной координаты в буферную память.
Блок микропрограммного управления базировался на микросхемах EPROM. Адресное поле микропрограмм было разбито на блоки, соответствующие исполняемым командам. Внутри блоков микропрограммы исполнялись в соответствии с граф-схемой алгоритма. Всего использовалось 6 команд: занесение логических адресов в табличную память, занесение констант задержки и «ворот» совпадений в модули крейта, занесение тестовых массивов в модули крейта, занесение порога в карты усилителей-дискриминаторов, исполнение сбора данных. Переходы из блока в блок осуществлялись по командам CROS DATABUS. Микропрограммы отлаживались в процессе тестирования модулей системы, затем окончательная версия фиксировалась и заносилась в постоянную память.
SA1-5 23 N 01-32 D1- 32 WA1
Рис. 23. Стуктура спецконтроллера крейта CROS (Модель CSC. В)
Блок обмена данными с CROS DATABUS состоял из регистра входа и регистра выхода, поддерживавших обмен данными для записи констант и считывания блоков данных. Запись констант, как относительно более медленный процесс, осуществлялся последовательно по одной линии данных DT, управляемой стробом ST. Каждому /б-разрядному слову константы соответствовало 16 посылок данных. Чтение блоков данных осуществлялось параллельными