ЭЛЕКТРОНЫЕ МЕТОДЫ ЯДЕРНОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА С.Г.Басиладзе, НИИЯФ МГУ ©

ЭЛЕКТРОНЫЕ МЕТОДЫ
ЯДЕРНОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
С.Г.Басиладзе, НИИЯФ МГУ ©
Лекция 2
ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Содержание
2.1. Системы съема сигналов с детекторов
2.1.1. Затягивание импульса кабелем связи
2.2. Системы запуска (отбор первого уровня)
2.2.1. Принцип многоуровневости в обработке сигналов
2.2.2. Мониторирование пучка частиц и наносекундные логические модули
2.2.3. Потенциальные подсистемы отбора
2.3. Системы регистрации
2.4. Системы отбора
2.4.1. Системы отбора второго уровня
2.4.2. Компоновщики событий (распределенные коммутаторы)
2.4.3. Системы отбора третьего уровня
2.5. Архивация и сжатие данных
2.6. Системы контроля параметров
Современная электронная аппаратура экспериментальной физики может быть
подразделена на следующие крупные системы:
1) схемы съема информации с детекторов;
2) системы предварительного отбора искомых взаимодействий;
3) быстрые цифровые процессоры второго уровня отбора;
4) системы измерения и регистрации данных - (рис. 2.1,а);
5) компоновщики единого массива данных о физическом событии от разных подсистем
экспериментальной установки;
6) компьютерные системы отбора событий третьей ступени;
7) системы считывания данных в долговременный накопитель (ЭВМ);
8) системы контроля и управления.
Легко выделить также нижний структурный уровень - узлов, на которых реализуются
элементарные функции. Например, в формирователе (рис.2.1,б) это импульсный усилительограничитель, триггер Шмитта, цепь дифференцирования, одновибратор, формирователь
выходных уровней. Специфические требования ядерно-физического эксперимента приводят,
конечно, к их определенным схемотехническим особенностям.
Промежуточным функциональным уровнем является уровень каналов регистрации или
подсистем отбора (рис.2.1,в-д). Если нижний структурный уровень весьма подвижен,
схемотехнические
решения
постоянно
совершенствуются
вслед
за
развитием
полупроводниковой технологии, то структура каналов регистрации и отбора за последние 30
лет мало изменилась, если не считать появления принципиально новых подсистем цифрового
отбора.
Модульный принцип компоновки аппаратуры. Важной является проблема выбора
конструктивной структурной единицы - модуля аппаратуры: это выбор размеров (емкости)
модуля и задача рационального размещения в нем простейших функциональных узлов.
.
1
.
Рис.2.1. Основные системы регистрирующей аппаратуры установок ядерно-физического
эксперимента - а); структурные схемы: каналов временных детекторов - б);
процессорных систем отбора событий - в); каналов координатных детекторов - г);
детекторов для измерения энергии - д).
2
С одной стороны, выделение дискретного элемента конструкции аппаратуры необходимо
для:
1) организации серийного производства модулей, снижения их стоимости и повышения
надежности;
2) сокращения затрат на проектирование каждой экспериментальной установки в
отдельности;
3) обеспечения гибкости перестройки структуры установки в процессе ее отладки;
4) упрощение ремонта во время эксплуатации, сводящегося к замене неисправных модулей;
5) многократного, последовательного использования одних и тех же модулей в разных
экспериментальных установках.
B то же время, модульная система всегда сложнее системы, специально
спроектированной для решения конкретной задачи, поскольку:
а) функциональная дискретность модулей не позволяет без некоторой избыточности
перекрывать непрерывный спектр требований, возникающих во всей массе установок;
б) модули рассчитаны на достаточно широкий класс задач, их количественные параметры,
как правило, обеспечивают наивысший уровень характеристик, необходимый далеко не во
всех узлах в конкретной установке;
в) модули, по определению, должны сопрягаться друг с другом посредством
стандартизованных сигналов, поэтому они имеют избыточные узлы для организации
интерфейса.
B начальный период перехода к модульному принципу построения аппаратуры
физического эксперимента считалось, что модуль должен содержать простейший
функциональный узел. Это верно лишь постольку, поскольку модуль не может быть меньше,
чем это требуется для размещения простейшего функционального узла. По мере развития
технологии старая конструктивная "оболочка" становится все более емкой и интегрирует в
себе все большее число функциональных узлов. Так, если ранее в одном конструктивном
модуле размещалась лишь часть канала регистрации, например, усилитель или линейные
ворота, а затем в нем стали помещать один, а далее и несколько однотипных каналов (т.е.
модуль фактически превратился в блок), то сейчас канал регистрации размещается целиком
в одной (или даже в части) большой интегральной схемы.
Как видим, задача выделения модулей является задачей рационального объединения
простейших функциональных узлов. Начальным принципом объединения является
"горизонтальная" интеграция, т.е. заключение в рамки модуля наибольшего числа
последовательных функциональных узлов одного канала. Ограничивающими факторами
"горизонтальной" интеграции являются:
а) допустимая сложность модуля, определяемая выбранными конструктивами и элементной
базой;
б) наличие узлов с неопределенным количеством направлений разветвления (объединения)
сигналов;
в) наличие узлов, сильно отличающихся конструктивно (например, кабельная задержка и
формирователь).
Важнейшие обеспечиваемые преимущества такой интеграции состоят в сокращении
числа промежуточных разъемов на передней панели, снижающем габариты; исключении
узлов перехода к стандартным уровням на выходе и входе объединяемых узлов; в
отсутствии проблем перекрестных наводок.
Когда возможности "горизонтальной" интеграции исчерпаны, необходимо переходить
к интеграции "вертикальной", т.е. объединять однотипные части каналов или каналы в блоки
до уровня допустимой сложности. Целесообразно объединять в блок именно однотипные
каналы, или их части, что объясняется многоканальностью современных установок.
Вероятность одновременного использования различных по типу функциональных модулей,
объединенных в блок, существенно ниже, чем однотипных. Поэтому целесообразно
3
одинаковые функциональные модули, но сильно отличающиеся по количественным
характеристикам (например, формирователи по фронту и формирователи со следящим
порогом) объединять в разные блоки.
Проблема разделения на функциональные модули является типичной для всей
электронной аппаратуры, похожие проблемы возникают при выборе корпуса и вариантов
размещения функциональных элементов в сериях интегральных схем.
Для модулей предварительного отбора событий важным принципом проектирования
является минимизация числа установочных деталей (органов управления, разъемов) на
передней панели, поскольку плотность размещения модулей определяется размером их по
передней панели. Печатная плата ограничивает плотность размещения только в
многоканальных АЦП.
2.1. СИСТЕМЫ СЪЕМА СИГНАЛОВ С ДЕТЕКТОРОВ
Функции устройств в системах съема сигналов состоят в следующем:
а) преобразование выделенной в веществе детектора энергии в электрический сигнал;
б) усиление этого сигнала до диапазона напряжений и токов, приемлемых для аналогоцифровых преобразователей (нормализация), линейное формирование этих сигналов
по длительности (дифференцирование, интегрирование) или формирование по
длительности и амплитуде (для логических схем);
в) передаче сигналов по кабелям от детектора к электронике отбора и регистрации,
располагаемой обычно вне радиационной зоны, где находится детектор.
2.1.1. Затягивание импульса кабелем связи
B современной многоканальной аппаратуре для экономии затрат детекторы соединяют
с регистрирующей аппаратурой кабелями малого диаметра, имеющими, как известно,
большое затухание, особенно в области высоких частот. Тем самым к выходу детектора
подключают дополнительное интегрирующее звено, которое может существенно увеличить
фронт и длительность импульса. Переходный процесс в коаксиальном кабеле описывается
двумя экспонентами (формулой, аналогичной (1.4)), приближенно же постоянная
интегрирования равна:
(2.1)
τK = 0,15{0,12[(1/d1) + (1/d2)]⋅L2K + 2,3LK⋅ln(d1 / d2)},
где d1,d2 - диаметры внутреннего и внешнего проводников кабеля, мм;
Lк - длина кабеля, м;
τK - постоянная интегрирования, пс.
Например, для 100 м кабеля РK-50-11-13 из формулы (2.1) получаем τK = 11 нс, а для
кабеля РK-50-3-13 - τK = 30 нс.
2.2. СИСТЕМЫ ЗАПУСКА
Выделение искомых в эксперименте событий из всех возможных вариантов
взаимодействий частиц, попадающих в экспериментальную установку, производится с
помощью сложной, многоуровневой системы запуска.
2.2.1. Принцип многоуровневости в обработке сигналов
Поскольку в современном эксперименте исследуются достаточно редко происходящие
события - с малым сечением взаимодействия, то интенсивность подводимого пучка частиц
может быть весьма высокой - 106-108 1/с для того, чтобы время, требуемое для набора
статистики исследуемого взаимодействия, было приемлемым.
Алгоритмы отбора событий в современных экспериментах достаточно сложные и
включают сотни тысяч и миллионы арифметико-логических операций. Реализовать такие
алгоритмы за "чистое" время 10÷100 нс, приходящееся на одну частицу, технически
4
невозможно, поскольку даже на простейшую операцию в современном микропроцессоре
тратится 0,5÷5 нс. Однако, задача поиска нужного взаимодействия, тем не менее, имеет
решение в силу того, что сложные алгоритмы отбора нужны только для событий с весьма
малым сечением взаимодействия, а чем больше сечение (а это тем большая часть пучковых
частиц), тем проще выделить само взаимодействие и тем быстрее оно может быть
обнаружено.
В крупных установках применяются трехступенчатые (трехуровневые) системы
отбора: так называемый триггер первого уровня строится на арифметико-логических
модулях с наносекундным быстродействием; на втором уровне используются
быстродействующие специализированные программируемые процессоры, отбирающие
взаимодействия по частным критериям; в случае успешного решения все событие
собирается компоновщиком и отправляется в один из компьютеров (общее число их может
быть десятки и сотни), который осуществляет отбраковку на третьей ступени. В результате,
удается отобрать практически без потерь все искомые редкие события и отфильтровать
практически полностью все остальные акты взаимодействий.
Проблема недостаточности быстродействия встает и в системах измерения и
регистрации. Дело в том, что спектрометрические аналого-цифровые преобразователи
(АнЦП) с высоким разрешением и линейностью имеют сравнительно большое время
преобразования (несколько десятков микросекунд). Для искомых редких сигналов такая
величина вполне приемлема, но для всех входных сигналов, такое мертвое время
недопустимо велико. Поэтому строб-импульс для АнЦП лучше брать с выхода
быстродействующего спецпроцессора (рис.2.1,а); а на время его решения входные сигналы
АнЦП можно задержать в кабелях. Но в многоканальных системах расход кабеля будет
весьма большим (десятки километров), кроме того, анализируемые сигналы затянутся, что
заставит расширить строб-импульс и ухудшить (в 2÷3 раза) временное разрешение
спектрометра. Более простым выходом из положения является введение цепи "быстрого"
сброса процесса преобразования АнЦП, которая включается, если получено отрицательное
решение спецпроцессора. Строб-импульс в этом случае берется от системы
предварительного отбора (с малой задержкой).
2.2.2. Мониторирование пучка частиц и наносекундные логические модули
Первой в иерархии устройств запуска является подсистема мониторирования пучка
частиц, подводимого из ускорителя к экспериментальной установке, которая обнаруживает
факт (время) появления одной из частиц пучка.
Ведущим модулем систем мониторирования пучка и наносекундной логики является
формирователь импульсов (рис.2.1,б), который определяет как временное разрешение, так и
загрузочные характеристики аппаратуры предварительного отбора. Модулем, реализующим
логическую операцию "И", является схема совпадений/антисовпадений. Вспомогательными
модулями являются разветвители и смесители импульсов. Смеситель выполняет логическую
операцию "ИЛИ", а разветвитель размножает сигнал с одного (входного) соединительного
кабеля на несколько (выходных) кабелей.
Каждый из описанных типов модулей (а внутри типа - каждый конкретный экземпляр)
имеют различную задержку распространения сигнала. Для выравнивания задержек на
входах модулей используются модули регулируемой задержки на основе отрезков кабелей.
Наносекундные логические модули работают по так называемому конвейерному
принципу - они могут начать обрабатывать следующий набор входных сигналов, не
дожидаясь появления на выходе результата решения от предыдущей комбинации сигналов,
т.е. в описываемой подсистеме одновременно может присутствовать (как на конвейере)
несколько групп сигналов, проходящих логическую отбраковку.
Обычное время задержки у подсистемы наносекундных логических модулей
составляет 80÷150 нс, а минимальный интервал между входными комбинациями сигналов 5
"мертвое" время есть 15÷20 нс (максимальная частота отбраковки - до 50÷60 миллионов
событий в секунду).
2.2.3. Потенциальные подсистемы отбора
В отличие от подсистемы наносекундной логики, в так называемой потенциальной
подсистеме запуска (рис.2.1,в) производится предварительное запоминание сигналов во
входных регистрах. Входные данные могут кодироваться (чаще всего в двоичный код),
поскольку алгоритм отбора включает в себя уже не только логические, но и арифметические
операции.
В более сложных подсистемах на этом уровне отбора используются и аппаратные
устройства управления реализацией алгоритма, например, осуществляющие циклические
арифметико-логические операции и проверку результата решения.
Задержка подсистем потенциального отбора обычно не более 600÷800 нс, этой же
величине равно их мертвое время.
2.3. СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ
Выходной сигнал положительного отбора события в системе предварительного отбора
первого уровня есть строб-сигнал записи (рис.2.1,а) в систему регистрации логических и
аналоговых сигналов. Модуль регистрации логических сигналов (обычно с координатных
детекторов) имеет 32÷64 входа, а модуль регистрации аналоговых сигналов - от 8 до 32
входов (степень интеграции здесь меньше, поскольку сигнал переводится в цифровую
форму). Канал регистрации логических сигналов с координатных детекторов показан на
рис.2.1,г, а канал регистрации аналоговых сигналов - на рис.2.1,д; их узлы имеют
определенное функциональное сходство с той разницей, что у первых обрабатываются
одноразрядные данные, а у вторых - многоразрядные (обычно 8÷12 разрядов).
2.4. СИСТЕМЫ ОТБОРА
Когда все данные переведены в цифровую форму, они могут быть использованы для
дальнейшей отбраковки событий по более сложным критериям.
2.4.1. Системы отбора второго уровня
В некоторых установках подсистемы потенциального отбора могут отсутствовать, а
вместо них применяются системы запуска (триггеры) второго уровня, реализуемые на
быстродействующих микропроцессорах, т.е. в них управление реализацией алгоритма
отбора осуществляется программой, а не аппаратным управляющим модулем. Вообще
говоря, процессоры могут управляться как программой, так и данными. В процессорах,
управляемых данными, операции выполняются при наличии готовых к обработке данных.
Процессор, управляемый программой, выполняет операции на основании оценки значений
аргументов.
Система отбора второго уровня является распределенной - каждый микропроцессор
(или группа микропроцессоров) обрабатывает данные с детекторов одного вида. В больших
экспериментальных установках может содержаться до 10÷15 детекторных подсистем,
получающих информацию о каждом событии.
2.4.2. Компоновщики событий (распределенные коммутаторы)
Задачей компоновщика событий (рис.2.2 – Event Builder) является объединение данных
одного события с разных подсистем детекторов в один массив и посылка этого массива
данных события в свободный компьютер третьего уровня отбора.
.
6
.
Рис.2.2. Система отбора событий установки ZЕUS (DЕSУ, Гамбург); показаны:
СTD,…,САL
- субдетекторы (подсистемы) установки,
Рiреlinе
- аналоговая линия задержки на 5 мкс,
1,2,3-lеvеl tгiggеr(s) - системы отбора 1-го, 2-го и 3-го уровней,
Digitizеrs
- аналого-цифровые преобразователи системы регистрации,
Еvеnt Buildеr
- компоновщик (построитель) событий.
7
Частота событий на выходе системы отбора второго уровня составляет до 1000
положительных решений в секунду.
2.4.3. Системы отбора третьего уровня
Частота положительных решений с выхода системы отбора третьего уровня может
быть около 10 событий в секунду, а время решения доходить до одной секунды. С учетом
интенсивности входных событий получаем, что требуемое число компьютеров (строго
говоря, это не компьютеры, а лишь их процессорные блоки) может доходить до 100 и более.
2.5. АРХИВАЦИЯ И СЖАТИЕ ДАННЫХ
Объем данных в каждом окончательно отобранном событии может достигать 1÷10
тысяч слов; соответственно, интенсивность потока выходных данных эксперимента может
достигать 0,1÷10 мегабайт/с. Эти данные, ввиду их большого объема, обычно не
записываются в самой установке, а посылаются в компьютерный центр, оснащенный
системами архивации большой емкости (например, видеомагнитофонами).
Хотя объем получаемых данных достаточно велик и в них предварительно (в системе
регистрации установки) отфильтрованы нулевые (пустые) слова, тем не менее, в выходном
потоке имеются повторяющиеся комбинации данных. Это значит, что количество
информации в выходном потоке меньше, чем количество данных и последние могут быть
подвергнуты процедуре компрессии (сжатию) перед их архивацией.
2.6. СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ
Система контроля параметров решает 2 задачи:
1) она гарантирует, что данные получены с работоспособной электроники (имеются в виду,
что она работает с нормальными величинами напряжений и токов питания, в нормальном
диапазоне температур и т.д.);
2) она следит за безопасными условиями работы детекторов (например, по температуре и
влажности) и за безопасными условиями для работы персонала.
В сложных экспериментальных установках количество каналов мониторирования
составляет десятки тысяч, а период сканирования общей массы датчиков находится на
уровне 10÷20 с.
Кроме системы контроля параметров в крупных установках имеются также системы
контроля качества самих данных.
Литература: [7,17,18,19,26]
8