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

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 1012 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. триггерысистемы-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 инфомации. 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 нерассеянных частиц.

2. Предложено, разработано и внедрено в эксперименты по упругому рррассеянию 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 2 Г — и ж — 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 установок. С их применением выполнен ряд научных и методических исследований, получены новые физические результаты, опубликованные в научной печати.

Тезисы к защите.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Предложена концепция построения координатной системы с триггерным отбором данных для многопроволочных пропорциональных камер. На её основе разработан и внедрён в эксперименты по исследованию упругого рр-рассеяния на малые углы быстродействующий специализированный процессор с практически нулевым «мёртвым» временем обработки данных и повышенным коэффициенте режекции нерассеянных частиц.

2. Предложен метод кодирования информации многопроволочных пропорциональных камер, позволивший сократить время обработки событий и объём оборудования координатной системы. Практической реализацией метода явилась разработка и внедрение в эксперименты по упругому рр-рассеянию на малые углы устройства кодирования с высокими измерительными характеристиками.

3. Предложена двухуровневая схема распределённой обработки информации координатных детекторов с разделением процессов считывания данных на второй уровень и процессов первичной обработки. С учётом требований на элементы и узлы схемы был разработан и внедрён в эксперимент E7S1 (SELEX) набор специализированных контроллеров, существенно повысивший скорость обработки и считывания данных.

4. Предложена концепция построения координатной системы с триггерным отбором данных на основе установки кремниевых микростриповых детекторов эксперимента Е781 (SELEX). Результатом практической реализации концепции явилась разработка и внедрение координатной системы с программируемой логикой процессора (FERS), реализовавшей триггерный отбор событий первого уровня при исследовании поляризуемости? Утг-мезонов кулоновским полем.

Апробация работы.

Основные результаты разработки и применения специализированных устройств первичной обработки координатной информации, представленных к защите в данной работе, опубликованы в научных журналах, а также обсуждены на международных конференциях, совещаниях и научных семинарах, таких как :

• VIIICFA School «Instrumentation in Elementary Particle Physics», Mexico, July 1997;

• 7th Pisa Meeting on Advanced Detectors, La Biodola, Isola d’Elba, May 1997;

• The Meeting of the Division of Particles and Fields of the American Physical Society, Columbus, Ohio, 9−12 Aug 2000.

• FERMILAB-Conf-00/309-E, December 2000;

31st International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2002), Amsterdam, July 2002.

Объём и структура диссертации.

Диссертация изложена на 75 страницах, состоит из введения, четырёх глав и заключения. Содержит 34 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 45 наименований.

Заключение

.

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 (БЕЬЕХ) по исследованию рождения и распада очарованных барионов на Тэватроне Лаборатории им. Э. Ферми (США). Данные физические установки представляли собой уникальные комплексы разнообразных регистрирующих систем с числом измерительных каналов координатных детекторов до ста тысяч и интенсивностью потоков входных данных до 10й байт/с. При этом изучались редкие события в условиях большого фона. Представленные в диссертационой работе специализированные устройства первичной обработки координатной информации являлись частью систем многоуровневого триггерирования и сбора данных, осуществлявших отбор взаимодействий частиц, потенциально интересных для физического анализа, а такжеконвертирование (сжатие и оптимальную упаковку) соответствующих данных для последующей их записи на долговременные носители. Первичная обработка информации производилась на первой ступени многоуровневого процесса отбора и конвертированияона использовала относительно простые алгоритмы быстрой режекции высокоинтенсивного фона без существенных потерь информации из-за «мёртвого» времени.

Для экспериментов по упругому до-рассеянию на малые углы на синхроциклотроне ПИЯФ РАН и эксперимента Е781 (ЗЕЬЕХ) по исследованию рождения и распада очарованных барионов на Тэватроне Лаборатории им. Э. Ферми (США) были предложены, разработаны и доведены до реального применения в составе физических экспериментальных установок следующие специализированные устройства первичной обработки информации:

1. Быстродействующий специализированный процессор отбора событий рассеяния, позволивший получить практически нулевое «мёртвое» время и существенно повысить коэффициент режекции нерассеянных частиц.

2. Устройство кодирования информации с многопроволочных пропорциональных камер, позволившее сократить время обработки событий и объём оборудования координатной системы с триггерным отбором событий.

3. Набор специализированных контроллеров, позволивший существенно повысить скорость считывания данных, подключать устройства триггерного отбора событий, разделять процессы считывания с процессами распределённой обработки информации.

4. Быстродействующая координатная система с программируемой логикой процессора, позволившая реализовать триггерный отбор первого уровня для исследования поляризуемости ж7- мезонов кулоновским полем.

При внедрении специализированных устройств первичной обработки координатной информации получены улучшенные характеристики по быстродействию, режектирующей способности, сокращён объём оборудования. Основные характеристики, достигнутые в результате внедрения могут быть представлены следующим образом.

1. Быстродействующий специализированный процессор отбора событий рассеяния для экспериментов по упругому рр-рассеянию на малые углы:

— реализован конвейерный принцип обработки событий с дискретностью 50 не, что сравнимо с временным разрешением многопроволочной пропорциональной камеры;

— пороговый угол, определяющий отбор событий рассеяния в реальном времени, аппроксимирован в сечении плоскостью XY в виде правильного восьмиугольника, что существенно повысило режектирующую способность процессора в сравнении с аналогичными устройствами и реально сократило время набора статистики;

— коэффициент режекции нерассеянных частиц составил ~ 100, что соответствовало требованиям триггерирования первого уровня экспериментов по упругому рр-рассеянию на малые углы.

2. Устройство кодирования информации с многопроволочных пропорциональных камер:

— схема кодирования с реализацией первого яруса комбинациоонной схемы до схем совпадений позволила уменьшить (~ в 3 раза) физический объём аппаратуры в сравнении с аналогичными устройствами [13], [14], [15], сократить временные затраты на кодирование после схем совпадений до ~25 не, что дало возможность оптимизировать дискретность конвейерной обработки событий устройством кодирования и специализированным процессором до значения ~50 нс.

— реализовано кодирование с усреднением кластерных событий, что позволило иметь пространственную точность определения координат, близкую к S/2, где S — шаг намотки проволочек.

3. Набор специализированных контроллеров:

— обеспечил первичную обработку информации для измерения треков заряженных частиц пропорциональными камерами PWC2, тс/ еразделения по числу кластеров с использованием Е 77?0-д ете кто ров, ж/ Кразделения вплоть до энергии 165 ГэВ по измеренным радиусам колец многоканальными черенковскими счётчиками RICH, исследования поляризуемости и~1 Е~ - мезонов кулоновским полем по данным микростриповых детекторов HSD в реальном масштабе времени системы триггерирования и сбора данных SELEX.

— предложенная двухуровневая схема распределённой обработки информации координатных детекторов с разделением процессов считывания на второй уровень и процессов первичной обработки позволила исключить из общего времени первичной обработки время считывания данных из системного буфера в систему сбора DART, что сократило временные затраты на первичную обработку и позволило реализовать сбор данных первого уровня систем CROS и FERS с использованием только двух параллельных потоков многоуровневой системы сбора данных SELEX. разработка и внедрение специализированных контроллеров с конвейерным принципом обработки данных позволила поднять скорость считывания по стандартной магистрали крейтов КАМАК не менее, чем в 10 раз;

— конвейерный принцип считывания данных по системной магистрали CROS позволил иметь пропускную способность ~ 20 Мбайт/с при реальной суммарной длине кабелей магистрали, превышающей 200 метров.

4. Координатная система с программируемой логикой процессора FERS:

— обеспечила считывание координатных данных для измерения импульса пучковых частиц (2Г/тг, р/ж+) с высокой скоростью в соответствии с временными требованиями многоуровневой системы сбора данных SELEX;

— программируемая логика процессора позволила производить отбор потенциально интересных событий для измерения поляризуемости тг — и 2 Г — мезонов кулоновским полем с коэффициентом режекции ~ 20, что удовлетворяло требованиям системы триггерирования SELEX;

— коэффициент режекции системы был повышен в ~ 1.3 раза за счёт дополнительной реконструкции двухтрековых событий, что соответственно сократило время набора статистики.

В итоге высокие измерительные характеристики представленных в работе устройств позволили произвести набор статистики в соответствии с требованиями и в течение отведённого для пучковых сеансов времени. С их применением выполнен, с участием и без участия автора, ряд научных и методических исследований, получены новые физические результаты, опубликованные в научной печати. Продолжающаяся обработка накопленных данных даёт интересные физические результаты и открытия, в частности — открытие дважды очарованного бариона [45].

В заключение считаю своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность члену-корреспонденту РАН, профессору A.A. Воробьёву и научному руководителю доктору физ. — мат. наук В. А. Щегельскому за ценные консультации и постоянный интерес к работе.

Я признателен и благодарен сотрудникам Отдела радиоэлектроники ПИЯФ Э. М. Спириденкову, JI.H. Уварову, Н. Ф. Бондарю, Б. В. Размысловичу и безвременно ушедшему от нас А. Г. Атаманчуку, принимавшим участие в создании и внедрении устройств, представленных в данной работе.

Искренне благодарен доктору П. Куперу, доктору 10. Энгельфрайду, доктору Д. Скоу и доктору Н. Терентьеву за плодотворное сотрудничество во время подготовки и проведения эксперимента Е-781 (SELEX).