Лаборатория ПСПОД разрабатывает подсистему синхронизации времени TSS для установки SPD на коллайдере NICA в Дубне
Система синхронизации времени (TSS) позволит привязать момент времени столкновения пучков внутри установки SPD к моменту регистрации частиц различными детекторами, размещенными на расстоянии до 10 метров.
Ускорительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — один из шести проектов класса megascience в России. Строительство коллайдера курирует Объединенный институт ядерных исследований, который располагается в наукограде Дубна в Московской области.
Сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов NICA – это международный мегапроект по исследованию критических состояний ядерной материи в экстремальных условиях, возникших после Большого взрыва на ранних этапах эволюции Вселенной, с использованием высокоинтенсивных пучков тяжелых ионов. Эти исследования будут проводится на установке MPD, находящейся в точке пересечения пучков коллайдера.
Во второй точке пересечения пучков располагается установка SPD (Spin Physics Detector, детектор спиновой физики), основной задачей которой станет всестороннее изучение спиновой структуры протона и дейтрона, а также других спин-зависимых явлений.
Установка SPD имеет свою систему сбора и обработки данных (DAQ, Data Acquisition System), которая собирает, структурирует и записывает данные. Далее высокопроизводительные онлайн-компьютеры c помощью алгоритмов машинного обучения отбирают в данных нужные для последующего анализа события и записывают их в хранилище.
Одним из ключевых факторов, позволяющих собрать полученные данные в события (изменения состояний частиц после столкновения), является сверхточная временная привязка частиц, зарегистрированных в различных детекторах установки, и времени столкновения пучков. Для этого должна быть обеспечена достаточная точность синхронизации всех узлов SPD DAQ.
Подсистемы для высокоточной синхронизации коллайдера и SPD DAQ разрабатывают инженеры Лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Передовой инженерной школы (ПИШ) СПбПУ «Цифровой инжиниринг».
Сейчас они работают над подсистемой высокоточной синхронизации TSS (Time Synchronization System), которая будет использоваться в установке SPD в составе SPD DAQ.
Разработка модуля ведется в рамках концепции бестриггерного сбора данных, принятой за основу при проектировании технического облика SPD DAQ.
В качестве базовой технологии в TSS используется последнее дополнение к стандарту IEEE1588 и комплекс решений проекта White Rabbit. Это технология полностью детерминированной сети передачи данных общего назначения на основе Ethernet с возможностью синхронизации времени с точностью до наносекунд. White Rabbit – совместный проект Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN, Швейцария), Центра по изучению тяжёлых ионов имени Гельмгольца (GSI, Германия) и их научных и промышленных партнеров.
Программно-аппаратная платформа TSS разрабатывается на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Для реализации всех функций высокоточной синхронизации и управления выбрана ПЛИС Zynq UltraScale+.
Созданный с ее использованием универсальный модуль TSS может выполнять функции как оконечного устройства, так и многопортового коммутатора сети White Rabbit. Модуль гарантирует наносекундную точность синхронизации, которая требуется для экспериментов на установке SPD.
Подготовлена часть спецификации протокола обмена данными: внутренний протокол управления и необходимые базовые функции TSS. Ведется разработка прототипов абонента и контроллера TSS, необходимых для проведения первых испытаний по применению системы TSS c детекторами мюонной системы эксперимента SPD. Испытания планируется провести до конца 2024 года.
Команда Лаборатории ПСПОД ПИШ СПбПУ входит в научную группу Политеха, которая официально сотрудничает с ОИЯИ с 2018 года. Основу группы составляет научный коллектив Высшей школы фундаментальных физических исследований Физико-механического института СПбПУ под руководством профессора, д. ф.-м. наук Ярослава Бердникова. Ученые СПбПУ принимают участие в экспериментах на двух основных установках коллайдера — MPD (Multi-Purpose Detector) и SPD (Spin Physics Detector).
Модуль TSS – уже второй проект в рамках сотрудничества Лаборатории ПСПОД ПСПОД и научного коллектива ОИЯИ. Первым этапом совместной работы в 2020-2023 годах стал реинжиниринг подсистемы синхронизации и управления TCS (Trigger and Control System) и доработка модуля с учетом требований установки SPD.
TCS был разработан в 2000-х годах в Техническом университете Мюнхена для эксперимента COMPASS в CERN (Швейцария) и поддерживал традиционную концепцию управления сбором данных с помощью сигналов-триггеров. Схожесть стека технологий позволила ученым Дубны использовать подобный модуль для ранних задач проекта SPD.
Подсистема TCS была пересобрана инженерами ПСПОД на современной элементной базе и модифицирована для эксперимента SPD в 2021 – 2023 годах. Она была использована для испытаний отдельных детекторов установки SPD в тестовой зоне нуклотрона, которые велись одновременно с «большим» строительством.
Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) — международная межправительственная научно-исследовательская организация в наукограде Дубна Московской области. Учредителями являются 16 государств-членов ОИЯИ. Основные направления, в которых работают исследователи института — это ядерная физика, физика элементарных частиц и исследования конденсированного состояния вещества. ОИЯИ курирует работы по созданию в Дубне ускорительного комплекса NICA. Это один из шести проектов класса megascience в России. Строительство комплекса началось в 2016 году, первый запуск коллайдера с неполной интенсивностью запланирован на 2025 год.
