Modelowanie i projektowanie systemów TRIDAQ implementowanych w układach FPGA dla eksperymentów fizyki wysokich energii

Modelowanie i projektowanie systemów TRIDAQ implementowanych w układach FPGA dla eksperymentów fizyki wysokich energii

rok wydania: 2019
ilość stron: 344
ISBN: 978-83-7814-889-0
oprawa: miękka

Opis

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 / X
Wykaz oznaczeń / XII
Wykaz najważniejszych skrótów / XVII

1. Wprowadzenie do eksperymentów przy akceleratorach przeciwbieżnych / 1
1.1. Cele badawcze FWE / 2
1.2. Akceleratory cząstek przeciwbieżnych / 5
1.2.1. Akceleracja trwałych cząstek naładowanych / 6
1.2.1.1. Przyspieszająca wnęka rezonansowa / 7
1.2.1.2. Formowanie pakietów cząstek / 9
1.2.1.3. Energia w środku masy zderzenia / 11
1.2.2. Efektywność zderzeń dla akceleratorów przeciwbieżnych / 14
1.2.2.1. Ogniskowanie wiązki akceleratorowej / 14
1.2.2.2. Optymalizacja świetlności akceleratorów przeciwbieżnych / 15
1.2.3. Rozwiązania technologiczne budowy akceleratorów / 16
1.2.3.1. Akceleratory liniowe / 16
1.2.3.2. Akceleratory kołowe / 17
1.2.3.3. Współczesne kompleksy akceleratorów wysokoenergetycznych / 19
1.3. Eksperymenty na wiązkach przeciwbieżnych / 21
1.3.1. Procesy detekcji cząstek / 21
1.3.2. Pomiary parametrów cząstek w detektorach / 25
1.3.2.1. Pomiar trajektorii / 25
1.3.2.2. Pomiar pędu / 27
1.3.2.3. Pomiar energii / 29
1.3.2.4. Pomiar prędkości / 31
1.3.3. Ogólna struktura spektrometrów / 32

2. Zarys systemów elektronicznych w eksperymentach FWE / 39
2.1. Krótki rys historyczny / 39
2.2. Rola elektroniki w procesie badawczym / 41
2.3. Podział funkcjonalny systemów / 42
2.3.1. Grupa systemów detektora / 43
2.3.1.1. System detekcyjny / 45
2.3.1.2. System trygerowania i akwizycji danych (TRIDAQ) / 52
2.3.1.2.1. Standaryzacja / 53
2.3.1.2.2. Przetwarzanie potokowe / 57
2.3.1.2.3. Akwizycja danych / 64
2.3.1.3. System sterowania detektorem / 67
2.3.2. Grupa systemów globalnych / 70
2.3.2.1. Globalny system trygerowania i akwizycji danych / 71
2.3.2.2. Globalny system sterowania eksperymentem / 80
2.4. Wybrane aspekty projektowania, budowy i eksploatacji systemów TRIDAQ / 81
2.4.1. Wybrane rozwiązania technologiczne / 81
2.4.1.1. Standaryzacja modułowa / 81
2.4.1.2. Specjalizowane układy elektroniczne / 90
2.4.1.3. Układy programowalne FPGA / 91
2.4.1.4. Transmisja optoelektroniczna / 94
2.4.2. Proces projektowania i budowy systemów elektronicznych / 95
2.4.3. Implementacja systemów TRIDAQ w układach FPGA / 98
2.4.3.1. Adaptacja koncentratora systemu TRIDAQ do technologii FPGA / 99
2.4.3.2. Zarządzanie systemem TRIDAQ z wykorzystaniem układu FPGA / 100
2.4.3.3. Proces projektowania systemu TRIDAQ w technologii FPGA / 101
2.4.4. Zagadnienie projektowania i eksploatacji systemów TRIDAQ w kontekście wymogów diagnostycznych / 101

3. Modelowanie systemu TRIDAQ / 104
3.1. Strumień synchroniczny / 105
3.1.1. Synchronizacja strumieni / 107
3.1.1.1. Synchronizacja bezwzględna / 108
3.1.1.2. Wybrane funkcje synchronizacji / 108
3.2. Proces synchroniczny / 111
3.2.1. Wybrane procesy funkcjonalne / 112
3.2.1.1. Standaryzacja za pomocą strumienia synchronicznego / 113
3.2.1.2. Synchroniczna dystrybucja strumienia / 114
3.2.1.3. Derandomizacja synchroniczna z trygerem eksperymentu / 116
3.2.1.4. Koncentracja strumieni przypadków / 117
3.2.2. Wybrane procesy diagnostyczne / 119
3.2.2.1. Moduły symulacyjne / 120
3.2.2.1.1. Generator impulsów testowych / 120
3.2.2.1.2. Sekwencer testowy / 121
3.2.2.2. Moduły nadążne / 122
3.2.2.2.1. Kondycjonowanie strumienia danych / 123
3.2.2.2.2. Ocena jakości procesu / 124
3.2.2.3. Moduły selektywne / 125
3.2.2.3.1. Akwizycja danych typu „flash” / 125
3.2.2.3.2. Wielotrygerowa akwizycja danych strumienia / 126
3.2.2.4. Moduły statystyczne / 129
3.2.2.4.1. Zliczanie flag strumienia binarnego / 129
3.2.2.4.2. Pomiar rozkładu wartości danych strumienia / 131
3.2.2.5. Parametryzacja modułów diagnostycznych / 132
3.2.3. Przykłady implementacji sparametryzowanych procesów synchronicznych w układach FPGA / 133
3.2.3.1. Wieloprzewodowa potokowa transmisja synchroniczna / 133
3.2.3.1.1. Weryfikacja odbioru z wykorzystaniem strumienia testowego / 137
3.2.3.1.2. Synchronizacja jednobitowego strumienia danych / 138
3.2.3.1.3. Synchronizacja wielobitowego strumienia danych / 144
3.2.3.2. Generator strumienia testowego / 146
3.2.3.3. Akwizycja strumienia synchronicznego / 148
3.2.3.4. Rejestracja rozkładu wartości danych numerycznych / 150
3.2.3.5. Zliczanie flag dla strumienia wielobitowego / 152
3.3. Metodyka integracji warstwy diagnostycznej z procesem synchronicznym / 154
3.3.1. Metoda projektowania warstwy diagnostycznej dla procesu synchronicznego / 155
3.3.2. Model zunifikowanej struktury węzła / 156
3.3.3. Tryby pracy ZSW / 158
3.3.3.1. Normalny tryb pracy / 158
3.3.3.2. Testowy tryb pracy / 158
3.3.3.3. Emulacyjny tryb pracy / 1593
.3.4. Wybrane konfiguracje ZSW / 159
3.3.4.1. Konfiguracja bez warstwy diagnostycznej / 160
3.3.4.2. Konfiguracja z blokami monitoringu / 160
3.3.4.3. Konfiguracja z blokiem obsługi wyjątków / 160
3.3.5. Systematyzacja etapów projektowania / 161
3.3.5.1. Etap modelowania / 161
3.3.5.2. Etap projektowania / 162
3.3.5.3. Etap realizacji / 162
3.3.5.4. Etap eksploatacji / 163

4. Przykłady rozwiązań systemów TRIDAQ dla eksperymentów FWE / 164
4.1. Wielofunkcyjny system TRIDAQ Kalorymetru Pomocniczego w eksperymencie ZEUS przy akceleratorze HERA / 166
4.1.1. Eksperyment ZEUS przy akceleratorze HERA / 166
4.1.2. Budowa Kalorymetru Pomocniczego / 170
4.1.2.1. Komora proporcjonalna detektora BAC / 171
4.1.2.2. Procesy pomiarowe w detektorze BAC / 171
4.1.3. Budowa systemu TRIDAQ detektora BAC / 173
4.1.3.1. Odczyt energetyczny / 177
4.1.3.2. Odczyt pozycyjny / 178
4.1.3.3. Tryger detektora BAC / 181
4.1.3.3.1. Wyznaczenie lokalnego maksimum energetycznego wieży / 182
4.1.3.3.2. Tryger mionowy dla wieży drutowej / 183
4.1.3.3.3. Tryger cząstkowy na poziomie obszaru detektora BAC / 184
4.1.3.3.4. Wypracowanie decyzji trygera detektora BAC / 186
4.1.3.3.5. Implementacja trygera BAC na bazie modelu ZSW / 188
4.1.3.4. Sterowanie akwizycją danych / 190
4.1.3.4.1. Sterowanie procesem akwizycji danych detektora BAC / 190
4.1.3.4.2. Sterowanie naborem danych energetycznych / 193
4.1.3.4.3. Sterowanie naborem danych pozycyjnych / 194
4.1.3.5. Diagnostyka systemu TRIDAQ / 194
4.2. Jednorodny system TRIDAQ detektora RPC w eksperymencie CMS przy akceleratorze LHC / 199
4.2.1. Spektrometr Compact Muon Solenoid / 200
4.2.2. Detektor Resistive Plate Chamber / 203
4.2.3. Szybki algorytm wyznaczania pędu poprzecznego mionu / 206
4.2.4. System TRIDAQ detektora RPC / 209
4.2.4.1. Elektronika Front−End komory RPC / 211
4.2.4.2. Moduł synchronizatora / 212
4.2.4.3. Synchroniczna kompresja i dekompresja danych / 215
4.2.4.4. Sortowanie hierarchiczne z redukcją kandydatur wtórnych / 218
4.2.4.5. Akwizycja danych / 222
4.2.4.6. Budowa systemu TRIDAQ detektora RPC / 223
4.2.4.7. Diagnostyka automatycznej synchronizacji strumieni / 225
4.2.4.8. Diagnostyka procesów trygera mionowego RPC / 227
4.3. System TRIDAQ dla wielodektorowego trygera mionowego OMTF w eksperymencie CMS przy akceleratorze LHC / 232
4.3.1. Modernizacja Systemu Trygera Mionowego / 233
4.3.2. Algorytm trygera mionowego OMTF / 235
4.3.3. Budowa systemu TRIDAQ trygera mionowego OMTF / 237
4.3.4. Implementacja warstwy diagnostycznej dla trygera mionowego OMTF na bazie modułów ZSW / 238

5. Inne zastosowania systemów TRIDAQ / 240
5.1. System sterowania LLRF dla akceleratora liniowego w laserze na swobodnych elektronach FLASH / 242
5.1.1. Budowa lasera na swobodnych elektronach FLASH / 243
5.1.2. Podstawowe procesy stabilizacji pola EM we wnękach nadprzewodzących typu TESLA / 248
5.1.2.1. Realizacja szybkich procesów podczas sterowania klistronem / 251
5.1.2.2. Realizacja procesu adaptacyjnego oraz monitoringu jakości stabilizacji pola wnęki / 253
5.1.3. System stabilizacji pola EM we wnękach typu TESLA / 254
5.1.3.1. Moduł symulatora wnęki / 256
5.1.3.2. Moduł sterownika wnęk zasilanych pojedynczym klistronem / 259
5.1.3.3. Wielokanałowe moduły przełączające / 260
5.1.3.4. Warstwa przetwarzania sygnałów analogowych / 263
5.1.3.5. Moduł akwizycji i generowania sygnałów / 264
5.1.3.6. Warstwa zarządzania systemem / 265
5.1.3.7. Wybrane wersje eksploatacyjne systemu SIMCON / 266
5.1.4. Model systemu SIMCON na bazie modułów ZSW / 269
5.1.5. Przykłady wykorzystania modułów diagnostycznych ZSW / 270
5.2. Diagnostyka transportu zanieczyszczeń w plazmie dla tokamaka JET / 273
5.2.1. Proces kontrolowanej syntezy jądrowej / 274
5.2.2. Tokamak Joint European Torus (JET) / 278
5.2.2.1. Budowa tokamaka JET / 278
5.2.2.2. Proces kontrolowanej syntezy jądrowej / 280
5.2.2.3. Diagnostyka plazmy tokamakowej / 281
5.2.3. System TRIDAQ do szybkiej diagnostyki spektralnej zanieczyszczeń plazmy tokamakowej / 286
5.2.3.1. Budowa stanowiska spektroskopii rentgenowskiej KX1 / 286
5.2.3.2. Etap detekcji miękkiego promieniowania X / 290
5.2.3.3. Etap przetwarzania analogowego / 292
5.2.3.4. Etap szybkiego przetwarzania cyfrowego / 294
5.2.3.4.1. Blok trygera kanału pomiarowego / 296
5.2.3.4.2. Blok wyznaczania ładunku pojedynczego sygnału / 297
5.2.3.4.3. Blok wyznaczania ładunku klastra / 299
5.2.3.4.4. Blok histogramowania ładunków klastrów / 300
5.2.3.4.5. Blok integracji i udostępniania serii histogramów / 301
5.2.3.5. Synchronizacja i kalibracja systemu TRIDAQ / 303
5.2.3.5.1. Synchronizacja dystrybucji strumieni pakietowych / 304
5.2.3.5.2. Kalibracja kanałów pomiarowych / 305
5.2.3.6. Sterowanie systemem TRIDAQ z poziomu eksperymentu / 306
5.2.3.7. Implementacja warstwy diagnostycznej na bazie modułów ZSW / 307

6. Zakończenie / 312

Bibliografia / 318
Indeks / 344