Элементы системы сбора данных установки SPD в составе ускорительного комплекса NICA
Электронные модули для высокоточной синхронизации элементов системы сбора данных установки SPD для обеспечения корректности временных измерений.
Задача
Ускорительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — один из шести проектов класса Megascience в России, строящийся в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов является международным мегапроектом.
В столкновениях пучков тяжелых ионов будут исследоваться критические состояния ядерной материи в экстремальных условиях, возникших после Большого взрыва на ранних этапах эволюции Вселенной. Критические состояния ядерной материи воссоздаются в лабораторных условиях путем ускорения и сталкивания в коллайдере высокоинтенсивных пучков тяжелых ионов. Эти процессы будут изучаться на установке MPD (Multi-Purpose detector).
Во взаимодействии поляризованных пучков протонов и дейтронов на коллайдере NICA на установке SPD (Spin Physics Detector) будет изучаться спиновая структура нуклонов.
Для высокоточной синхронизации коллайдера и системы сбора данных эксперимента SPD инженеры Лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» ПИШ СПбПУ с 2020 года разрабатывают подсистемы, позволяющие c субнаносекундной точностью привязать момент времени столкновения пучков внутри установки SPD к моменту регистрации детекторами изменившихся характеристик частиц.
Высокоточная привязка времени событий коллайдера (момент столкновения) и времени событий установки (регистрация характеристик частиц) является одним из ключевых факторов точности сбора данных для изучения спиновой структуры нуклонов.
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).Решение
Электроника установки SPD измеряет сигналы с детекторов, регистрирующих частицы после столкновения и передает их в систему сбора данных DAQ (Data Acquisition system). DAQ собирает, структурирует и записывает информацию в промежуточное дисковое хранилище. Далее высокопроизводительные онлайн-компьютеры c помощью алгоритмов машинного обучения отбирает в данных нужные, для последующего анализа, события и записывают их в хранилище.
Одним из ключевых факторов, позволяющих собрать данные в события, является их временная привязка ко времени столкновения пучков с точностью до наносекунды. Для этого необходимо выполнение двух условий:
- Достаточная разрешающая способность считывающей электроники (Front-End Cards);
- Достаточная точность синхронизации всех узлов DAQ.
Физической временной меткой в установке SPD является момент столкновения пучков (bunch crossing), с ней и должны быть соотнесены события, зафиксированные детекторами. Период столкновения пучков составляет около 80 нс. По оценке, выполненной методом Монте-Карло, физические события будут возникать в каждом 3-4 столкновении пучков. Предполагается, что информацию о столкновении пучков в установке SPD передаст аппаратура управления коллайдером. Для корректного сопоставления данных детекторов и коллайдера необходима их синхронизация с высокой точностью (не хуже 1 нс), то есть «часы» установки SPD не должны разбегаться с «часами» NICA более, чем на 1 нс за время набора данных.
Первым этапом работ в Лаборатории ПСПОД ПИШ СПбПУ стал проведенный в 2020-2023 годах реинжиниринг подсистемы синхронизации и управления TCS (Trigger and Control System), изначально разработанного в Техническом университете Мюнхена (TUM) для установки COMPASS (CERN, Швейцария). Модуль TCS является узкоспециализированным устройством, в связи с чем его вычислительным ядром является программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). Инженеры Лаборатории ПСПОД провели реинжиниринг модуля и доработали новый модуль TCS с учетом требований установки SPD. TCS предназначена для испытаний отдельных детекторов SPD в тестовой зоне коллайдера.
Следующим этапом является разработка новой подсистемы высокоточной синхронизации - TSS (Time Synchronization System) для использования в SPD. Подсистема реализуется в рамках концепции бестриггерного сбора данных и протокола White Rabbit. Разрабатываемый на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) прототип TSS сможет выполнять функции как оконечного устройства, так и многопортового коммутатора сети White Rabbit, и гарантировать субнаносекундную точность, которая требуется для эксперимента SPD.
Технологии
| Языки программирования | C/C++, Tcl |
| Языки описания аппаратных средств | Verilog, SystemVerilog |
| САПР | Xilinx Vivado, Altium Designer |
| Средства моделирования | Icarus Verilog |
Ключевые исполнители
- Руководитель проекта: Болсуновская М.В., заведующий Лабораторией "Промышленные системы потоковой обработки данных" ПИШ СПбПУ
Заказчик
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.