MODELOWANIE I PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW TRIDAQ IMPLEMENTOWANYCH W UKŁADACH FPGA DLA EKSPERYMENTÓW FIZYKI WYSOKICH ENERGII

ISBN: 978-83-7814-889-0

344 stron
format: B5
oprawa: miękka
Rok wydania: 2019

W pracy przeprowadzono dyskusję nad obiektywnymi uwarunkowaniami związanymi z charakterem i wymaganiami eksperymentów fizyki wysokich energii, a także wynikającymi stąd konsekwencjami dotyczącymi wymagań funkcjonalnych stawianych pomiarowym systemom TRIDAQ. Omówiono ich podział strukturalny na systemy detektorowe i systemy globalne oraz podział funkcjonalny na bloki realizujące procesy trygerowania i akwizycji danych. Rozpatrzono zagadnienia modelowania, projektowania, realizacji oraz kontroli działania systemów TRIDAQ. Omówiono problemy dystrybucji synchronicznych, cyfrowych potoków danych oraz zaproponowano model strumienia synchronicznego przeznaczonego do dystrybucji informacji w systemach TRIDAQ. Przedstawiono ogólną strukturę funkcjonalną modelu pojedynczego węzła sieciowego systemu TRIDAQ oraz zaproponowano blokową strukturę modelu TRIDAQ umożliwiającą jego pełną implementację w układzie FPGA, a także standaryzację, parametryzację oraz integrację warstwy funkcjonalnej z warstwą diagnostyczną. Omówiono metodę projektowania systemów TRIDAQ opartą na zunifikowanym modelu węzła sieci. Zamieszczono przykłady modelowania, projektowania i realizacji systemów TRIDAQ zrealizowanych na rzecz dwóch współczesnych eksperymentów fizyki wysokich energii: ZEUS w ośrodku DESY (Hamburg, Niemcy) przy akceleratorze HERA oraz CMS w ośrodku CERN (Genewa/Cessy, Szwajcaria/Francja) przy akceleratorze LHC. Ponadto w pracy zamieszczono reprezentatywne przykłady dalszych możliwości wykorzystania metod projektowania oraz użyteczności rozwiązań systemów TRIDAQ w innych dużych eksperymentach z zakresu fizyki: dla lasera na swobodnych elektronach X-FEL w ośrodku DESY (Hamburg, Niemcy) oraz tokamaka JET w ośrodku CCFE (Culham, Wielka Brytania).

SPIS TREŚCI

Od autora

Wykaz oznaczeń

Wykaz najważniejszych skrótów1. Wprowadzenie do eksperymentów przy akceleratorach przeciwbieżnych 1.1. Cele badawcze FWE 1.2. Akceleratory cząstek przeciwbieżnych1.2.1. Akceleracja trwałych cząstek naładowanych1.2.1.1. Przyspieszająca wnęka rezonansowa1.2.1.2. Formowanie pakietów cząstek1.2.1.3. Energia w środku masy zderzenia1.2.2. Efektywność zderzeń dla akceleratorów przeciwbieżnych 1.2.2.1. Ogniskowanie wiązki akceleratorowej 1.2.2.2. Optymalizacja świetlności akceleratorów przeciwbieżnych1.2.3. Rozwiązania technologiczne budowy akceleratorów1.2.3.1. Akceleratory liniowe 1.2.3.2. Akceleratory kołowe1.2.3.3. Współczesne kompleksy akceleratorów wysokoenergetycznych1.3. Eksperymenty na wiązkach przeciwbieżnych1.3.1. Procesy detekcji cząstek1.3.2. Pomiary parametrów cząstek w detektorach 1.3.2.1. Pomiar trajektorii1.3.2.2. Pomiar pędu1.3.2.3. Pomiar energii1.3.2.4. Pomiar prędkości 1.3.3. Ogólna struktura spektrometrów2. Zarys systemów elektronicznych w eksperymentach FWE 2.1. Krótki rys historyczny2.2. Rola elektroniki w procesie badawczym2.3. Podział funkcjonalny systemów2.3.1. Grupa systemów detektora 2.3.1.1. System detekcyjny2.3.1.2. System trygerowania i akwizycji danych (TRIDAQ)2.3.1.2.1. Standaryzacja 2.3.1.2.2. Przetwarzanie potokowe2.3.1.2.3. Akwizycja danych 2.3.1.3. System sterowania detektorem2.3.2. Grupa systemów globalnych2.3.2.1. Globalny system trygerowania i akwizycji danych 2.3.2.2. Globalny system sterowania eksperymentem2.4. Wybrane aspekty projektowania, budowy i eksploatacji systemów TRIDAQ 2.4.1. Wybrane rozwiązania technologiczne2.4.1.1. Standaryzacja modułowa2.4.1.2. Specjalizowane układy elektroniczne2.4.1.3. Układy programowalne FPGA 2.4.1.4. Transmisja optoelektroniczna2.4.2. Proces projektowania i budowy systemów elektronicznych 2.4.3. Implementacja systemów TRIDAQ w układach FPGA2.4.3.1. Adaptacja koncentratora systemu TRIDAQ do technologii FPGA 2.4.3.2. Zarządzanie systemem TRIDAQ z wykorzystaniem układu FPGA2.4.3.3. Proces projektowania systemu TRIDAQ w technologii FPGA2.4.4. Zagadnienie projektowania i eksploatacji systemów TRIDAQ w kontekściewymogów diagnostycznych3. Modelowanie systemu TRIDAQ 3.1. Strumień synchroniczny3.1.1. Synchronizacja strumieni3.1.1.1. Synchronizacja bezwzględna3.1.1.2. Wybrane funkcje synchronizacji3.2. Proces synchroniczny3.2.1. Wybrane procesy funkcjonalne3.2.1.1. Standaryzacja za pomocą strumienia synchronicznego3.2.1.2. Synchroniczna dystrybucja strumienia 3.2.1.3. Derandomizacja synchroniczna z trygerem eksperymentu3.2.1.4. Koncentracja strumieni przypadków 3.2.2. Wybrane procesy diagnostyczne3.2.2.1. Moduły symulacyjne3.2.2.1.1. Generator impulsów testowych3.2.2.1.2. Sekwencer testowy 3.2.2.2. Moduły nadążne3.2.2.2.1. Kondycjonowanie strumienia danych3.2.2.2.2. Ocena jakości procesu3.2.2.3. Moduły selektywne3.2.2.3.1. Akwizycja danych typu "flash" 3.2.2.3.2. Wielotrygerowa akwizycja danych strumienia3.2.2.4. Moduły statystyczne 3.2.2.4.1. Zliczanie flag strumienia binarnego3.2.2.4.2. Pomiar rozkładu wartości danych strumienia 3.2.2.5. Parametryzacja modułów diagnostycznych3.2.3. Przykłady implementacji sparametryzowanych procesów synchronicznychw układach FPGA3.2.3.1. Wieloprzewodowa potokowa transmisja synchroniczna 3.2.3.1.1. Weryfikacja odbioru z wykorzystaniem strumienia testowego3.2.3.1.2. Synchronizacja jednobitowego strumienia danych3.2.3.1.3. Synchronizacja wielobitowego strumienia danych3.2.3.2. Generator strumienia testowego 3.2.3.3. Akwizycja strumienia synchronicznego 3.2.3.4. Rejestracja rozkładu wartości danych numerycznych 3.2.3.5. Zliczanie flag dla strumienia wielobitowego3.3. Metodyka integracji warstwy diagnostycznej z procesem synchronicznym3.3.1. Metoda projektowania warstwy diagnostycznej dla procesu synchronicznego 3.3.2. Model zunifikowanej struktury węzła3.3.3. Tryby pracy ZSW3.3.3.1. Normalny tryb pracy3.3.3.2. Testowy tryb pracy 3.3.3.3. Emulacyjny tryb pracy3.3.4. Wybrane konfiguracje ZSW3.3.4.1. Konfiguracja bez warstwy diagnostycznej 3.3.4.2. Konfiguracja z blokami monitoringu3.3.4.3. Konfiguracja z blokiem obsługi wyjątków 3.3.5. Systematyzacja etapów projektowania3.3.5.1. Etap modelowania 3.3.5.2. Etap projektowania 3.3.5.3. Etap realizacji 3.3.5.4. Etap eksploatacji4. Przykłady rozwiązań systemów TRIDAQ dla eksperymentów FWE4.1. Wielofunkcyjny system TRIDAQ Kalorymetru Pomocniczego w eksperymencieZEUS przy akceleratorze HERA4.1.1. Eksperyment ZEUS przy akceleratorze HERA4.1.2. Budowa Kalorymetru Pomocniczego4.1.2.1. Komora proporcjonalna detektora BAC 4.1.2.2. Procesy pomiarowe w detektorze BAC 4.1.3. Budowa systemu TRIDAQ detektora BAC 4.1.3.1. Odczyt energetyczny 4.1.3.2. Odczyt pozycyjny 4.1.3.3. Tryger detektora BAC 4.1.3.3.1. Wyznaczenie lokalnego maksimum energetycznego wieży4.1.3.3.2. Tryger mionowy dla wieży drutowej4.1.3.3.3. Tryger cząstkowy na poziomie obszaru detektora BAC4.1.3.3.4. Wypracowanie decyzji trygera detektora BAC4.1.3.3.5. Implementacja trygera BAC na bazie modelu ZSW4.1.3.4. Sterowanie akwizycją danych4.1.3.4.1. Sterowanie procesem akwizycji danych detektora BAC4.1.3.4.2. Sterowanie naborem danych energetycznych4.1.3.4.3. Sterowanie naborem danych pozycyjnych 4.1.3.5. Diagnostyka systemu TRIDAQ 4.2. Jednorodny system TRIDAQ detektora RPC w eksperymencie CMSprzy akceleratorze LHC 4.2.1. Spektrometr Compact Muon Solenoid 4.2.2. Detektor Resistive Plate Chamber4.2.3. Szybki algorytm wyznaczania pędu poprzecznego mionu4.2.4. System TRIDAQ detektora RPC4.2.4.1. Elektronika Front-End komory RPC4.2.4.2. Moduł synchronizatora 4.2.4.3. Synchroniczna kompresja i dekompresja danych4.2.4.4. Sortowanie hierarchiczne z redukcją kandydatur wtórnych 4.2.4.5. Akwizycja danych4.2.4.6. Budowa systemu TRIDAQ detektora RPC4.2.4.7. Diagnostyka automatycznej synchronizacji strumieni4.2.4.8. Diagnostyka procesów trygera mionowego RPC 4.3. System TRIDAQ dla wielodektorowego trygera mionowego OMTF w eksperyencieCMS przy akceleratorze LHC 4.3.1. Modernizacja Systemu Trygera Mionowego 4.3.2. Algorytm trygera mionowego OMTF 4.3.3. Budowa systemu TRIDAQ trygera mionowego OMTF 4.3.4. Implementacja warstwy diagnostycznej dla trygera mionowego OMTF nabazie modułów ZSW 5. Inne zastosowania systemów TRIDAQ 5.1. System sterowania LLRF dla akceleratora liniowego w laserze na swobodnychelektronach FLASH 5.1.1. Budowa lasera na swobodnych elektronach FLASH5.1.2. Podstawowe procesy stabilizacji pola EM we wnękach nadprzewodzącychtypu TESLA5.1.2.1. Realizacja szybkich procesów podczas sterowania klistronem 5.1.2.2. Realizacja procesu adaptacyjnego oraz monitoringu jakości stabilizacji pola wnęki5.1.3. System stabilizacji pola EM we wnękach typu TESLA5.1.3.1. Moduł symulatora wnęki 5.1.3.2. Moduł sterownika wnęk zasilanych pojedynczym klistronem5.1.3.3. Wielokanałowe moduły przełączające5.1.3.4. Warstwa przetwarzania sygnałów analogowych5.1.3.5. Moduł akwizycji i generowania sygnałów5.1.3.6. Warstwa zarządzania systemem 5.1.3.7. Wybrane wersje eksploatacyjne systemu SIMCON5.1.4. Model systemu SIMCON na bazie modułów ZSW 5.1.5. Przykłady wykorzystania modułów diagnostycznych ZSW 5.2. Diagnostyka transportu zanieczyszczeń w plazmie dla tokamaka JET5.2.1. Proces kontrolowanej syntezy jądrowej5.2.2. Tokamak Joint European Torus (JET) 5.2.2.1. Budowa tokamaka JET5.2.2.2. Proces kontrolowanej syntezy jądrowej5.2.2.3. Diagnostyka plazmy tokamakowej5.2.3. System TRIDAQ do szybkiej diagnostyki spektralnej zanieczyszczeń plazmytokamakowej5.2.3.1. Budowa stanowiska spektroskopii rentgenowskiej KX15.2.3.2. Etap detekcji miękkiego promieniowania X5.2.3.3. Etap przetwarzania analogowego 5.2.3.4. Etap szybkiego przetwarzania cyfrowego 5.2.3.4.1. Blok trygera kanału pomiarowego 5.2.3.4.2. Blok wyznaczania ładunku pojedynczego sygnału5.2.3.4.3. Blok wyznaczania ładunku klastra5.2.3.4.4. Blok histogramowania ładunków klastrów5.2.3.4.5. Blok integracji i udostępniania serii histogramów5.2.3.5. Synchronizacja i kalibracja systemu TRIDAQ5.2.3.5.1. Synchronizacja dystrybucji strumieni pakietowych 5.2.3.5.2. Kalibracja kanałów pomiarowych5.2.3.6. Sterowanie systemem TRIDAQ z poziomu eksperymentu 5.2.3.7. Implementacja warstwy diagnostycznej na bazie modułów ZSW6. Zakończenie BibliografiaIndeks