Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СИСТЕМЫ НАСТРОЙКИ КАНАЛОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ 12
1.1. Методы настройки каналов пучков частиц 12
1.2. Системы настройки каналов на основе сцин-тилляционных счётчиков 16
1.3. Пропорциональные камеры в системах диагностики пучков 21
1.4. Считывание данных с пропорциональных камер 28
1.5. Шифрирование информации с пропорциональных камер 31
1.6. Постановка задачи 36
1.7. Заключение по главе I 42
Глава II. НОВЫЙ СПОСОБ ШИФРИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ С ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ КАМЕР. УСТРОЙСТВА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ШИФРИРОВАНИЯ ДАННЫХ 43
2.1. Анализ возможности использования алгебраической теории кодирования для сжатия информации 43
2.2. Алгебраическая теория некоторых линейных корректирующих кодов и сжатие данных 46
2.3. Возможности аппаратурной реализации устройств параллельного шифрирования данных на основе алгебраической теории кодирования 53
2.4. Шифратор для одночастичных событий 59
2.5. Устройство итерирования информации на основе алгебраической теории итеративного кода 65
2.6. Устройство шифрирования информации на основе алгебраической теории кодов БЧХ 69
2.7. Устройство двуступенчатого шифрирования информации 77
2.8. Программа вычисления номеров сработавших проволочек по синдрому кода БЧХ 80
2.9. Устройство сжатия данных и вычисления номеров сработавших проволочек 83
2.10. Метод исправления двойных и тройных ошибок для кодов БЧХ 85
Заключение по главе П 87
Глава III. ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКОВ 91
3.1. Функциональная схема системы диагностики пучков 92
3.2. Состав и логика работы системы диагностики пучков 95
3.3. Регистрирующая электронная аппаратура пропорциональных камер системы диагностики пучков 99
3.4. Функциональная схема системы для наладки каналов методом тонких лучей 103
3.5. Цифровой процессор для отбора данных о частицах, прошедших в заданной зоне канала 107
3.6. Блок отбора однотрековых событий и синхронизации работы системы наладки каналов с
циклом ускорителя 112
Заключение по главе III 122
Глава ІV. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ НАЛАДКИ РАЗРАБОТАННЫХ БЛОКОВ И СИСТЕМЫ В ЦЕЛОМ 124
4.1 Наладка блока отбора однотрековых событий 125
4.2. Наладка устройства шифрирования информации с пропорциональных камер на основе кода БЧХ 126
4.3. Наладка шифратора для одночастичных событий 127
4.3.1. Наладка шифратора с генератором 130
4.3.2. Наладка шифратора с радиоактивным источником и на пучке частиц 134
4.4. Наладка блока отбора данных о частицах, прошедших в заданной зоне канала 144
4.5. Информационные возможности системы диагностики пучков 147
Заключение по главе ІV 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
ЛИТЕРАТУРА 158
- Методы настройки каналов пучков частиц
- Анализ возможности использования алгебраической теории кодирования для сжатия информации
- Функциональная схема системы диагностики пучков
- Наладка блока отбора однотрековых событий
Введение к работе
Для проведения экспериментов, использующих электронную методику, общим является стремление получить пучок частиц, удовлетворяющий требованиям поставленной задачи. Как правило, пучок должен иметь высокую интенсивность, минимальные поперечные размеры и малую угловую расходимость. Интенсивность пучка определяет скорость набора необходимой статистики, а в ряде случаев и возможность наблюдения того или иного редкого события. Поперечными размерами пучка определяются размеры криогенных, в частности, жидко-водородных мишеней, размер регистрирующей аппаратуры - сцинтилля-ционных счётчиков, проволочных координатных детекторов. Применение в пучках высоких энергий черенковских счётчиков, используемых для идентификации первичных частиц, накладывает ограничение на угловую расходимость пучка. Зачастую поперечные размеры и угловая расходимость (эмиттанс пучка) определяют размеры экспериментальной площади, занимаемой электронной установкой. Пучки с малым эмиттансом позволяют наиболее эффективно использовать экспериментальные площади и создавать установки меньших размеров, обеспечивающих достаточную точность и, в конечном итоге, более дешевые.
Для формирования таких пучков создаются сложные каналы, насыщенные большим числом магнитооптических элементов /1-3/. Создание каналов транспортировки частиц представляет собой довольно сложную комплексную задачу и включает такие основные этапы, как расчёт канала, монтаж и юстировка магнитооптических элементов, наладка канала с пучком и изучение основных характеристик пучка, таких как эмиттанс, состав пучка и т.д. Расчёт магнитооптических каналов обычно осуществляется с помощью ЭВМ по специальным программам, позволяющим проводить всесторонние исследования и оптимизацию параметров проектируемых каналов, а также определить необходимые данные для проведения монтажных работ, промоделировать наладочные процедуры /4-6/. Для наладки каналов транспортировки пучков выработан ряд стандартных методов и приёмов.
Экономически невыгодно использование ускорителя для проведения только одного эксперимента. Для более эффективного исполь зования ускорителей характерно стремление проводить одновременно эксперименты на нескольких каналах транспортировки пучков. На направлении медленного вывода ускоренного пучка синхрофазотрона ЛВЭ ОИЯИ построен новый измерительный павильон. В этом павильоне создана разветвлённая система каналов /7/ для одновременного проведения нескольких экспериментов как на первичном, так и на вторичных пучках, что существенно повышает экономичность работы синхрофазотрона. Последнее вызывает необходимость проведения работ по совершенствованию методики и аппаратуры для наладки каналов. Этим определяется актуальность и важность разработки и создания аппаратуры системы диагностики пучков.
Измерение координат частиц в сечениях пучка даёт необходимую информацию о пучке: его положение и профиль, угловое распределение, распределение частиц на фазовых плоскостях, положение фокуса, кроссовера (место вдоль оси канала Е, где пучок имеет минимальные поперечные размеры) и т.д.
Для измерения координат частиц пучка используют многоканальные детекторы, такие как сцинтилляционные годоскопы и пропорциональные камеры. Скорость набора статистики в этом случае ограничивается временными характеристиками аппаратуры, длиной слова ЭВМ, её быстродействием и объёмом памяти /8/. Один из путей повышения скорости набора статистики - уменьшение числа слов, описывающих данное событие, при сохранении объёма коор-данатной информации, т.е. сжатие данных. В связи с этим, при построении аппаратуры для наладки каналов особое внимание следует уделить устройствам шифрирования (сжатия) информации с многоканальных детекторов.
Другой путь повышения скорости набора статистики - использование отбора событий, удовлетворяющих требованиям поставленной задачи.
С ростом интенсивности пучка растёт вероятность регистрации координат нескольких одновременно прошедших частиц. Восстановление траектории каждой частицы в этом случае приводит к увеличению времени обработки набранной информации. Отбор одно-трековых событий в процессе обработки информации после набора статистики эквивалентен снижению скорости её набора, так как в память ЭВМ записываются данные, часть которых не используется при обработке. В обоих случаях снижается оперативность • представления данных о пучке. Поэтому для повышения оперативности работы системы целесообразно во время набора статистики до записи данных в память ЭВМ отбирать только однотрековые события.
При наладке каналов транспортировки пучков методом тонких лучей необходим отбор данных о частицах, прошедших в заданной зоне канала. Отбор таких событий в процессе обработки информации после набора статистики существенно снижает оперативность работы системы. Поэтому целесообразно использование быстрого процессора, обеспечивающего такой отбор данных до записи в ЭВМ.
Эффективное использование системы наладки каналов предполагает синхронизацию её работы с циклом работы ускорителя. Блок синхронизации должен по синхроимпульсу с ускорителя вырабатывать сигналы разрешения на считывание координатной информации, измерение и контроль токов в магнитооптических элементах канала. Сигнал разрешения измерения и контроля токов должен вырабатываться в промежутках между циклами ускорителя, интервал времени должен быть достаточным для измерения и контроля токов всех магнитооптических элементов.
Данная работа посвящена разработке и созданию аппаратуры для наладки каналов пучков измерительного павильона синхрофазотрона ЛВЭ ОИЯИ. Особое внимание уделено созданию электронных устройств сжатия данных и фильтрации на основе алгебраической теории кодирования и возможностям использования отбора событий, отвечающих специфике поставленной задачи в процессе набора статистики.
Научная новизна представленной работы заключается в том, что исследована возможность использования алгебраической теории кодирования для сжатия данных применительно к поставленной задаче, обоснован и предложен новый способ сжатия данных с многопроволочных пропорциональных камер с использованием алгебраической теории кодирования. На основе предложенного способа разработан ряд устройств параллельного шифрирования данных с пропорциональных камер, четыре из которых защищены авторскими свидетельствами. Одно из них обеспечивает правильное итерирование информации при одновременном срабатывании двух соседних проволочек камеры, два других - при одновременном срабатывании до трёх любых проволочек и последнее - при одновременном срабатывании любых і проволочек при условии t 0,5 п. , где ґі общее число проволочек в камере. Предложено включение устройств параллельного шифрирования информации между усилителями-формирователями и триггерами регистра. Рассмотрены особенности регистрации данных при таком включении устройств шифрирования. Предложен и разработан селектор наложений временных импульсов, с практически нулевым разрешающим временем. Селектор защищен авторским свидетельством.
Практическим результатом работы, положенных в основу дис-сертации, является: предложение и осуществление нового способа сжатия данных на основе алгебраической теории кодирования; разработка и создание на основе этого способа блоков параллельного шифрирования данных с пропорциональных камер; разработка и создание блока синхронизации и отбора однотрековых событий; разработка и создание блока отбора координатной информации о частицах, прошедших в заданной зоне канала; создание простой и оперативной системы настройки каналов пучков заряженных частиц и наладка с помощью этой системы каналов транспортировки пучков, среди которых:
- канал, формирующий пучок сА -частиц с энергией 200 Мэв/ нуклон, предназначенный для проведения медико-биологических исследований;
- канал, формирующий пучок Г -мезонов с энергией 3 ГэВ/ нуклон, предназначенный для исследования реакций рождения нейтральных частиц;
- канал, формирующий пучок частиц, предназначенный для исследования эффекта каналирования протонов в монокристаллах.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.первой, обзорной, главе рассмотрены основные методы и аппаратура для наладки каналов. Показана перспективность построения систем диагностики пучков на основе пропорциональных камер с применением аппаратуры параллельного шифрирования информации. Показана целесообразность разработки блоков параллельного шифрирования информации, синхронизации работы системы наладки каналов и блоков отбора событий, соответствующих специфике поставленной задачи.
Втотэая глава посвящена анализу возможности применения алгебраической теории кодирования для сжатия информации с пропорциональных камер. В ней рассмотрены возможности аппаратурной реализации устройств параллельного шифрирования информации на основе алгебраической теории корректирующих кодов. В этой же главе описаны разработанные блоки сжатия данных - шифратор для пропорциональных камер, блок параллельного шифрирования данных на основе кода Боуза-Чоудхури-Хоквингема и др. Рассмотрены алгоритмы и программы определения номеров сработавших проволочек по синдрому корректирующего кода для разработанных блоков.
В третьей главе рассмотрены организация системы диагностики пучков, логика работы и состав системы диагностики пучков. Подробно описана регистрирующая электронная аппаратура пропорциональных камер системы. Описаны разработанные блоки синхронизации работы системы с циклом ускорителя, отбора однотрековых событий и отбора данных о частицах, прошедших в заданной зоне канала. В этой же главе описывается конфигурация и работа системы для наладки каналов методом тонких лучей.
Четвёртая глава посвящена методике и результатам наладки разработанных блоков и системы в целом с помощью генератора, радиоактивного источника и на пучке частиц. В этой же главе приведены экспериментально полученные параметры разработанной электронной аппаратуры, показана специфика регистрации данных с пропорциональных камер при включении блоков сжатия данных между усилителями-формирователями и одновибраторами задержки. Приводятся информационные возможности системы.
Основные положения и результаты работ, использованных в диссертации, защищены авторскими свидетельствами /89,91,93,96, 109/, опубликованы в журналах Л/и.с Irtstz 9 / // ./77/, приборы и техника эксперимента /90,92/ и в виде препринтов и сообщений ОИЯИ /94,99,104,105,114,113/, докладывались на семинарах Лаборатории высоких энергий, Лаборатории вычислительной техники и автоматизации ОИЯИ, Институте теоретической и экспериментальной физики, Институте электроники АН Уз.ССР и "НПО Кибернетика" АН Уз.ССР.
Методы настройки каналов пучков частиц
Наладку каналов транспортировки пучков производят с использованием типовых методов и приёмов. Рассмотрим наиболее широко применяющиеся из них: метод двух прямых /9/, метод фокальных коэффициентов /10/, метод расееивателя /П/ и метод тонких лучей /12/.
Метод ДВУХ шжмых заключается в том, что при фиксированном значении тока в одной из линз, варьированием тока второй линзы добиваются фокусировки пучка в горизонтальной, а затем в вертикальной плоскостях в расчётном положении изображения. Затем, операция повторяется для другого значения тока в первой линзе. В результате на координатной плоскости, где по оси абсцисс откладываются значения токов в первой линзе, а по оси ординат -во второй, получим четыре точки, отмеченные на рис. I, как а, б, в, г. Соединив прямыми линиями точки, ооответствущие режиму фокусировки пучка в горизонтальной (а, б) и вертикальной (в,г) плоскостях, находим точку пересечения двух прямых. Координаты этой точки на данной плоскости и соответствуют режиму фокусировки пучка как в горизонтальной, так и в вертикальной плоское ях и расчётном положении изображения пучка.
При использовании метода йокальных у.оа щпгатттов предварительно рассчитываются коэффициенты, называемые фокальными, указывающие на какую величину необходимо изменить ток в линзах объектива, чтобы сместить положение фокуса на І м. в одной плоскости, не меняя его положения в другой плоскости. В случае формирования параллельного пучка фокальные коэффициенты дают величины изменений токов в линзах объектива, обеспечивающие изменение угловой расходимости пучка в одной из плоскостей (горизонтальной или вертикальной) на 0,1 мрад.
При настройке канала методом фокальных коэффициентов добиваются формирования пучка с заданными параметрами в горизонтальной и вертикальной плоскостях поочередно.
При использовании метода шссеивателягв промежуточное изображение пучка устанавливается рассеиватель, который можно считать изотропным источником частиц для следующей ступени канала. Разброс по импульсам после рассеивателя определяется фокусировкой пучка предыдущей ступенью канала и минимален при точной фокусировке пучка частиц на рассеиватель.
Анализ возможности использования алгебраической теории кодирования для сжатия информации
Алгебраическая теория кодирования описывает математическую структуру корректирующих кодов. Корректирующие коды предназначены для обнаружения и исправления случайных ошибок, возникающих в процессе передачи и обработки данных, обмена информацией между устройствами и т.д. /78/. Информация состоит из слов, слова из символов. Например, в двоичных кодах используются два символа 0 и I. Большая часть теории двоичных корректирующих кодов основана на предположении, что каждый из символов искажается шумом независимо, а следовательно, вероятность данной комбинации ошибок зависит только от количества ошибок.
В общем случае помехоустойчивое кодирование заключается в том, что к информационным символам добавляют контрольные. Таким образом, кодовое слово состоит из информационных и контрольных (избыточных) символов. Каждый контрольный символ ставят в соответствие с определёнными символами кодового слова. При декодировании полученного слова производят проверку всех его символов по проверочным соотношениям. Результаты проверочных соотношений (синдром корректирующего кода), позволяют обнаружить и исправить определённое число ошибок, возникших в кодовых словах. Число ошибок, исправляемых данным кодом, называется корректирующей способностью кода.
Существует два принципиально различных типа кодов - блоковые и древовидные. При использовании древовидных кодов информация обрабатывается непрерывно и каждой длинной (возможно полубесконечной) последовательности сопоставляется кодовая последовательность, состоящая из несколько большего числа символов. При использовании блоковых кодов непрерывная информационная последовательность разбивается на отрезки или блоки, содержащие по К символов. Из каждого блока формируется кодовое слово длины п(П К), которое передаётся по каналу связи, искажается шумом, а затем декодируется независимо от всех других кодовых слов /79/.
Использование блоковых корректирующих кодов для сжатия информации более предпочтительно по двум причинам. Во-первых, информация, подлежащая сжатию, обычно представляется словами определённой, наперёд заданной длины. Во-вторых, математическая структура блоковых кодов изучена значительно лучше, что позволяет строить аппаратуру кодирования и декодирования более просто по сравнению с древовидными кодами. Поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением блоковых кодов.
Функциональная схема системы диагностики пучков
Для выполнения требований, предъявляемых к системе диагностики пучков в её состав должны входить:
I. Пропорциональные камеры с соответствующей электронной аппаратурой усиления и формирования сигналов с проволочек, шиф-рирования и регистрации данных для измерения координат частиц пучка.
2. Сцинтилляционные счётчики с соответствующими блоками быстрой электроники для измерения интенсивности первичного и вторичного пучков и формирования мониторных импульсов.
3. Электронная аппаратура, обеспечивающая измерение токов магнитных элементов канала транспортировки пучков.
4. Блоки синхронизации работы системы с циклом ускорителя и отбора событий, соответствующих специфике поставленной задачи.
5. Электронные блоки сопряжения системы с ЭВМ.
На рис. 20 представлена функциональная схема системы диагностики пучков, содержащая вышеперечисленные блоки электронной аппаратуры и обеспечивающая выполнение требований, предъявляемых к подобным системам /99/. Система состоит из сцинтилляцион-ных счётчиков (Сц), с соответствующими блоками быстрой электроники (БЭ), пропорциональных камер (Ж) с аппаратурой усиления, шифрирования и регистрации данных, двоичных счётчиков (ДС), блока отбора одночастичных событий и синхронизации (БОиС), блоков измерения токов и сопряжения с ЭВМ.
Работа системы начинается с ввода с дисплея или телетайпа в ЭВМ исходных данных о пучке и канале. После этого измеряются и сравниваются с заданными токи в магнитооптических элементах канала. При соответствии режимов магнитооптических элементов канала заданным ЭВМ переходит к считыванию координатных данных с пропорциональных камер и данных об интенсивности первичного и вторичного пучков.
Наладка блока отбора однотрековых событий
При наладке блока /105/ от генератора измерялись минимально допустимая длительность входных импульсов, разрешающее время и диапазоны регулировок длительностей охранного времени и выходного импульса. При измерениях использовался генератор парных импульсов /III/, с регулируемой задержкой одного выходного импульса относительно другого и длительностью импульсов в достаточных для наших целей пределах. Минимально допустимая длительность входных импульсов, определённая путём уменьшения длительности выходных импульсов генератора, составила 5 не.
Разрешающее время блока, определённое путём уменьшения задержки одного выходного импульса относительно другого, составляет 7 не. При длительности входных импульсов более 7 НС разрешающее время блока определяется их длительностью.
Диапазон регулировки длительности выходного импульса и охранного времени составляет 20 800 не.
При наладке блока на пучке частиц на его вход подавались импульсы с выхода мониторной схемы совпадений с одновременным подсчётом мониторных импульсов и импульсов с выхода блока. Эти измерения проводились при различной длительности охранного времени. Вероятности многотрековых событий, рассчитанные по каждому измерению и результаты измерений приведены в таблице 2. Расчёт вероятностей проводился по методике,приведённой в /112/.
