Geum.ru

Автоматизация

Вид материалаДокументы

Содержание


Е, потерянная частицей в блоке детекторов, где С i-тое — абсолютная градуировочная константа i-го детектора; Hi
Контрольные вопросы к главе 1
Основы системы камак
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   25
§ 1.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ В ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Как уже отмечалось выше, включение в измерительную уста­новку ЭВМ позволяет решить целый ряд задач, образующих по­нятие автоматизации эксперимента:
  1. сбор и накопление больших объемов экспериментальных данных;
  2. первичную обработку поступающей информации в реальном времени с целью, например, выделения нужных событий;
  3. оперативный вывод контрольной информации о ходе экспери­мента; .
  4. управление ходом и условиями эксперимента (по командам оператора или по заданному заранее алгоритму);
  5. стабилизацию параметров экспериментальной установки;
  6. автоматическое управление установкой (смена образцов, пере­мещение измерительного элемента) и т. д.

В редких случаях в конкретном эксперименте решается только одна из перечисленных задач; обычно автоматизация носит комп­лексный характер, при этом решаемые задачи, так же как и со­четания используемых технических средств, весьма разнообразны.

Рассмотрим несколько примеров конкретных экспериментов и экспериментальных установок, чтобы проиллюстрировать разно­образие методов автоматизации физического эксперимента.

Широкое применение идеи автоматизации нашли в физических исследованиях на ускорителях заряженных частиц, где большие объемы регистрируемых данных, сложные критерии отбора полез­ных событий, необходимость контроля и стабилизации параметров используемой аппаратуры требуют работы экспериментальной установки на линии с ЭВМ и обработки поступающей информации в реальном времени. Рассмотрим организацию приема данных в серии экспериментов по изучению рассеяния нейтронов на легких ядрах 3.

Р
ис. 1.9. Схематическое изображение ус- Рис. 1.10. Разделение ядер по массам с

тановки для изучения рассеяния протонов помощью E—E -методики


Пучок ускоренных протонов (рис. 1.9) падает на газовую струйную мишень, впрыскиваемую в определенные моменты вре­мени в вакуумную камеру ускорителя. Ядра отдачи, которые при малых значениях передаваемых импульсов отлетают практически перпендикулярно направлению пучка, регистрируются телескопами ППД, каждый из которых состоит из двух детекторов, расположен­ных на некотором расстоянии друг от друга. Первый детектор незначительной толщины (17—20 мкм) используется как Е-детектор, измеряющий удельные потери энергии. Второй детектор, приблизительно в 10 раз более толстый, служит детектором пол­ного поглощения. Одновременная регистрация для каждой части­цы значений Д£ и Е позволяет разделить регистрируемые частицы по массам, так как для ядер с определенной массой М и зарядом Z произведение &.Е-Е представляет собой постоянную величину: A£.£~MZ2.

На рис. 1.10 показаны области попадания экспериментальных точек в координатах ДЕ — Е (в реальной установке распределение Л£ — Е наблюдается на экране графического дисплея). Видно, что ядра 4Не, 3Не, 3Н, Н, 'Н идентифицируются с большой досто­верностью.

Для сбора информации и управления установкой использовали ЭВМ PDP-11/20, оснащенную накопителями на магнитных дисках и лентах для записи экспериментальной информации, графическим дисплеем, телетайпом в качестве консольного терминала и печа­тающим устройством (рис. 1.11). Электронная аппаратура установ­ки размещается7 в двух крейтах КАМАК, организованных в параллельную ветвь.




Рис.1.11. Схема сбора данных и управления установкой


Магистраль ветви подсоединяется к магистрали ЭВМ через драйвер ветви, а крейты связаны с магистралью ветви через стандартные контроллеры типа А. Для синхронизации приема данных с работой ускорителя предусмотрен специальный пульт внешних прерываний ПВП.

Рассмотрим взаимодействие элементов установки в процессе измерений (рис. 1.12).

Перед каждым циклом ускорения от управляющей системы ускорителя приходит сигнал Начало цикла ускорения (НЦУ), который с помощью сигнала Прерывание А оповещает установку о начале очередного цикла измерений и приводит в исходное состояние счетчики и регистры установки.

Синхронизация измерений осуществляется с помощью сигналов нарастающего магнитного поля ускорителя (В-таймер). Эти сиг­налы поступают на вход счетчика Сч (рис. 1.13), показания которого, таким образом, в любой момент времени характеризуют энергию протонов пучка, а также на входы четырех счетчиков с предустановкой Сч.], Сч.2, Сч.З, Сч.4, число которых соответствует количеству импульсов инжекции газа мишени в ускоритель­ную камеру. Момент появления импульса на выходе каждого счетчика определяется значением установленного в нем заранее кода и частотой импульсов, поступающих по линии В-таймер.




Рис 1.12 Временная диаграмма измерений





Рис 1.13 Схема выработки условия разрешения на приём данных


В каждом цикле ускорения все счетчики срабатывают по одному разу. Импульсы с выходов счетчиков образуют сигналы Прерыва­ние В, инициализирующие систему приема данных, при этом предусмотрена блокировка сигнала Прерывание В, если интенсив­ность пучка ниже установленного уровня, для чего служат дискри­минатор ДСК и схема И (см. рис. 1.13).

Каждый сигнал Прерывание В дает начало пачке из 8 импуль­сов Разрешение длительностью 30 мс каждый, следующих с интер­валами в 10 мс. Эти импульсы определяют интервалы времени, в течение которых разрешается прием информации от ППД.



Рис. 1.14. Упрощенная схема спектрометрического канала


Рассмотрим работу одного из спектрометрических каналов установки (рис. 1.14). Импульсы с выходов полупроводниковых детекторов ППД1 и ППД2 проходят через предусилители ПУ1 и ПУ2 и поступают на входы спектрометрических усилителей У1 и У2. Каждый усилитель имеет два выхода — спектрометрический и временной. Спектрометрические сигналы поступают на амплитуд­но-цифровые преобразователи АЦП1 и А ЦП2, где образуются коды энергий А£ и Е. Временной сигнал от первого детектора через дискриминатор ДСК1 поступает на один из входов Пуск специального блока сканирования БС, который синхронизует работу измерительной системы. Получив сигнал Пуск, БС выра­батывает стартовый импульс для время-цифрового преобразова­теля ВЦП и стробирующий импульс для управления АЦП. По окон­чании преобразования в АЦП, на что требуется до 13 икс, БС определяет номер линии, по которой пришел сигнал Пуск, после чего ЭВМ считывает данные из обоих АЦП и ВЦП сработавшего канала и записывает эту информацию вместе с номером канала в один из двух модулей памяти в виде 24-разрядного слова. Да­лее БС проверяет, нет ли других сработавших каналов (что может быть при одновременном срабатывании нескольких телескопов) и, если такие каналы не обнаружены, переходит на ожидание следующего сигнала Пуск. При наличии нескольких сработавших каналов БС считывает из них информацию и переносит ее в модуль памяти.

Блок сканирования фиксирует срабатывания каналов, лишь пока на его входе действует сигнал Разрешение (см. рис. 1.12).

По концу этого сигнала ЭВМ считывает информацию из модуля памяти и счетчика сигналов, поступающих по линии В-таймер и из АЦП, измеряющего интенсивность пучка (см. рис. 1.13).

Каждый модуль памяти имеет емкость 64 24-разрядных слова. Если в течение цикла Разрешение (30 мс) произошло не более 64 срабатываний детекторов, все происходит так, как это описано выше. ."Если модуль памяти заполнился раньше, он посылает в ЭВМ сигнал прерывания и ЭВМ приступает к считыванию на­копленной информации. Новая информация от детекторов тем временем поступает во второй модуль памяти. Использование двух модулей памяти для предварительного запоминания явля­ется реализацией известной идеи буферизации, позволяющей в данном случае существенно уменьшить мертвое время и сократить просчеты измерительной системы.

Рассмотренный пример показывает, что даже относительно простой в идеологическом плане эксперимент может потребовать большого количества разнообразной электронной аппаратуры и сложного алгоритма приема информации. В установку входят как аналоговые (предусилители, усилители, линейные задержки), так и цифровые (АЦП, ВЦП, память) модули КАМАК, при этом наряду со стандартной аппаратурой используются специально разработанные блоки (БС, ПВП). Большое количество модулей потребовало использования двух крейтов КАМАК, что, в свою очередь, привело к необходимости организации параллельной ветви КАМАК. Наличие графического дисплея позволяет в нагляд­ной форме контролировать ход эксперимента и помогает при обработке его результатов. При использовании в экспериментальной установке большого количества детекторов, что характерно для исследований в физи­ке высоких энергий, возникает проблема борьбы с дрейфом пара­метров детекторов. Эта проблема может быть решена путем не­прерывного сравнивания значений дрейфующих параметров с некоторым эталоном, выработки сигналов рассогласования и принудительной стабилизации параметров детекторов с помощью этих сигналов. Если, однако, дрейф невелик, можно ограничиться периодическим измерением характеристик детекторов, определением поправочных коэффициентов и компенсацией дрейфа программным путем на этапе обработки результатов измерений. Такая методика была использована на стэндфордском линейном ускорителе в установке для исследования образования электронов, фотонов и пи°-мезонов в электрон-позитронных соударениях при высоких энергиях *. Установка содержит, в частности, 318 черенковских детекторов из свинцового стекла, выходные сигналы которых поступают в амплитудно-цифровые преобразователи большой цифровой системы, где происходит измерение их амплитуд.

П
олная энергия Е, потерянная частицей в блоке детекторов,

где С i-тое — абсолютная градуировочная константа i-го детектора; Hi — амплитуда импульса от i-го детектора (после вычитания пьедестала АЦП); Gi(t) — коэффициент усиления i-го детектора в произвольный момент времени t, нормированный при начальной градуировке (t=0) на единицу.

Градуировочные константы С/ определяли с помощью высоко­стабильного светового источника, которым служил небольшой кристалл NaI (T1) с введенным в него а-излучающим препаратом Am. Точную градуировку проводили на пучке частиц хорошо известной энергии. Задача состояла в периодическом определении поправочных коэффициентов Gi(t), которые при большой длитель­ности эксперимента (9 месяцев) могли значительно отклониться от единицы. Пренебрежение этим фактом привело бы к ухудше­нию энергетического разрешения всей установки. Для периодиче­ского определения поправочных коэффициентов в состав экспери­ментальной установки была введена специальная система контроля (рис. 1.15).



Рис. 1.15. Структура системы контроля ФЭУ


Вспышка света от электролюминесцентного диода (ЭЛД) падает на тщательно отполированный торец пучка гибких воло­конных светопроводов. Жесткость конструкции (светопроводы в пучке вблизи его торца залиты эпоксидной смолой) определяет постоянство доли вспышки, попадающей на каждое волокно. Между ЭЛД и светопроводами помещена заслонка со светофильтрами, с помощью которой можно по командам из ЭВМ из­менять интенсивность вспышки либо полностью перекрывать све­товой поток. ЭЛД вспыхивает с частотой сети (60 Гц). По гиб­ким светопроводам вспышки света передаются к каждому черенковскому детектору (через призмы с углами 30 или 45°) и к дополнительному опорному детектору. Призмы использовали лишь потому, что недостаток места в установке не позволял подвести оптические волокна перпендикулярно к поверхности фотокатодов ФЭУ. Опорный детектор снабжен световым источником 241Аm — NaI. Импульсы от детекторов поступают на АЦП, выполненные в стандарте КАМАК. и управляемые ЭВМ Sigma-5.

Всем процессом градуировки управляет ЭВМ. В течение цикла градуировки, когда заслонка открыта и вспышки света ЭЛД по­падают на фотокатоды ФЭУ, в ЭВМ собирается следующая ин­формация:
  1. амплитудные спектры вспышек от каждого черенковского детектора (даже при строго постоянной интенсивности вспышек конечное амплитудное разрешение ФЭУ приведет к появлению на их выходах амплитудного распределения конечной ширины). Для каждого спектра ЭВМ вычисляет средние значения M4i;
  2. амплитудный спектр вспышек от опорного детектора и его сред­нее значение Моп;
  3. амплитудный спектр источника 241Am—NaI от опорного детектора и его среднее значение Мис;
  4. измеренные значения пьедесталов АЦП (включая пьедестал Роп АЦП опорного детектора).

П
о этим данным ЭВМ вычисляет для каждого детектора попра­вочный коэффициент Gi(t):


где gi (0) — нормировочный коэффициент, определяемый при на­чальной градуировке ЭВМ записывает на магнитный диск массивы вычисленных коэффициентов G, и пьедесталов Рi, чтобы их можно было исполь­зовать при последующей обработке экспериментальных данных, записывает коэффициенты Gi в отдельный файл на магнитном дис­ке, где ведутся «истории» каждого детектора, высвечивает на экра­не дисплея последние значения Gi, сильно изменившиеся по срав­нению с последней градуировкой. Вся эта процедура занимает около 2 мин и выполняется автоматически обычно 1 раз за. цикл измерений (8 ч).

Тщательные измерения на пучке частиц строго известной энергии показали, что такая методика градуировки и компенсации дрейфа обеспечивает постоянство характеристик системы детекторов в тече­ние 8 месяцев работы с погрешностью до 1%.

Описанная выше система калибровки черенковских счетчиков, несмотря на большое количество источников информации, могла обслуживаться непосредственно ЭВМ, поскольку частота световых градуировочных вспышек была невелика, а длительность процесса градуировки не имела существенного значения. В тех случаях, когда ЭВМ служит для приема не градуировочной, а физической информации, которая поступает, как правило, в случайные момен­ты времени, первичную обработку и анализ этой информации, особенно при большом количестве детекторов, целесообразно воз­ложить на специальные аппаратные или аппаратно-программные средства.

Универсальным решением вопроса является использование в качестве таких средств микропроцессорных систем, «прибли­женных» к детекторам и управляемых единой ЭВМ. В качестве примера такого подхода к организации физического эксперимента рассмотрим установку для регистрации широких атмосферных лив­ней (ШАЛ)4.

Установка (рис. 1.16) состоит из сети черенковских и сцинтилляционных детекторов, расположенных на экспериментальной пло­щадке размером порядка 1 км2. Наличие ливня определяется по одновременному срабатыванию семи детекторов — одного в центре площадки, трех на расстоянии 150 м от центра, и трех на расстоя­нии 500 м от центра. Эти детекторы связаны коаксиальными ка­белями с логической схемой управления (ЛСУ), которая форми­рует триггер, т. е. сигнал, говорящий о наличии исследуемого события и используемый для запуска других электронных устройств установки, а также программ обработки пришедшего события.

Каждый детектор снабжен микропроцессорной системой (МПС), служащей для приема информации от детектора, первичного анали­за этой информации и передачи ее в центральную ЭВМ, а также для контроля исправности детектора в определенные моменты вре­мени.



Рис. 1.16. Установка для регистрации широких атмосферных ливней


В центре экспериментальной площадки размещена управляю­щая ЭВМ North Star Horizon, связанная с каждой микропроцес­сорной системой сети парой скрученных проводов, образующих так называемую витую пару. Эта пара проводов используется как для передачи микропроцессору управляющей информации, так и для приема от него результатов измерений. Поскольку передача данных по витой паре происходит довольно медленно (9600 бит/с), центральная ЭВМ снабжена буферными запоминающими устройст­вами (БЗУ) небольшой емкости (16 12-битовых слов), в которые передается вся информация от детекторов и которые затем после­довательно опрашиваются и считываются по командам ЭВМ.

Особенность регистрации ШАЛ заключается в том, что хотя ливни случаются редко (один ливень за несколько часов), интен­сивность космического фона, регистрируемого каждым детектором, относительно высока и доходит до 500 событий в 1 с. Одиночные частицы фона сами по себе не отличаются от частиц ШАЛ, поэ­тому электроника детекторов фиксирует все частицы, однако ре­зультаты измерений характеристик зарегистрированной частицы пе­редаются в ЭВМ лишь в том случае, если из ЛСУ в МПС при­шел сигнал триггера.

Рассмотрим подробнее состав и работу микропроцессорной сис­темы.



Рис. 1.17. Микропроцессорная система установки для регистрации ШАЛ


Основным узлом МПС (рис. 1.17) является микропроцессор 8085А, работающий как в режиме выполнения фоновой программы, так и в режиме прерываний. В микропроцессоре используются два входа запроса прерываний — Прерывание А и Прерывание В. Прерывание по входу А происходит при регистрации детектором частицы, прерывание по входу В — в случае прихода сигнала триг­гера.

Программы, которые должен выполнять микропроцессор, хра­нятся в БИС постоянного программируемого запоминающего уст­ройства ППЗУ с серийным номером 2716. Фактически в ППЗУ на­ходятся две программы: программа, которую микропроцессор вы­полняет постоянно, и программа, на которую он переходит в случае прерывания.

Микропроцессор связывается с «внешним миром» с помощью магистрали, включающей в себя шины адресов, данных и управ­ления. К магистрали, кроме микропроцессора и ППЗУ, подсоедине­ны также универсальный асинхронный приемопередатчик УАПП, через который происходит обмен данными с центральной ЭВМ, и БИС системного временного контроллера СВК Аm9513, который представляет собой фактически программируемый таймер и выпол­няет некоторые измерительные функции. Назначение СВК, а также остальных компонентов МПС объяснено ниже.

С детектора в МПС поступают два сигнала — с 9-го и с 11-го динодов ФЭУ. Этим достигаются высокая линейность и большой динамический диапазон при измерении энергии регистрируемых час­тиц— до 104. Сигналы с динодов, пройдя через предусилители ПУ, поступают на амплитудно-временные конверторы (АВК), вы­ходные сигналы которых управляют 16-разрядными регистрами Р1 и Р2, входящими в состав СВК. Всего в СВК имеются пять программно-адресуемых регистров (программно-адресуемым на­зывают регистр, в который можно записать или считать информа­цию с помощью программы, выполняемой микропроцессором).

Регистры Р1 и Р2, пока на их входах действуют сигналы от АВК, отсчитывают импульсы постоянной частоты 3,072 МГц, явля­ющейся рабочей частотой микропроцессора. Таким образом, в Р1 и Р2 формируются коды амплитуд сигналов, снимаемых с динодов, и характеризующих энергию зарегистрированной частицы.

Сигнал с 11-го динода поступает также на дискриминатор Д, определяющий чувствительность МПС. Если амплитуда сигнала превысит порог срабатывания дискриминатора, то, во-первых, про­изойдет прерывание фоновой программы, выполняемой микропро­цессором, и, во-вторых, запустится одновибратор Од с временем выдержки 22 мкс. Одновибратор может сброситься в исходное состояние и раньше, если на его вход придет сигнал триггера. Сигнал с выхода Од поступает на вход управления регистра Р3, входящего в состав СВК. Пока длится управляющий сигнал, ре­гистр отсчитывает импульсы частотой 3,072 МГц. Таким образом, в случае прихода сигнала триггера в регистре РЗ сформируется код интервала времени между моментом срабатывания данного детектора и моментом прихода сигнала триггера. Поскольку детек­торы разбросаны на большой площади, при прохождении сигналов возникают заметные задержки. Кроме того, формирование сигнала триггера также требует некоторого времени. Время выдержки Од выбрано так, что оно несколько превышает максимально возмож­ную временную задержку в системе.





Рис. 1.18. Структурная схема программы микропроцессора


Микропроцессор, выполняя программы, хранящиеся в ППЗУ, управляет работой СВК и УАПП и, кроме того, организует регу­лярную проверку работоспособности детектора. Фоновая программа (рис. 1.18, а) производит регулярный опрос выхода УАПП в ожида­нии команды от центральной ЭВМ (в виде определенного кода) на проверку детектора. Регистрация детектором частицы приводит к прерыванию (по входу Прерывание А, рис. 1.18, б) фоновой программы и включению отсчета времени в ожидании сигнала триггера. Если этот сигнал не получен в течение 22 мкс пос­ле срабатывания детектора, микропроцессор очищает регистры ам­плитуды сигнала (Р1 и Р2) и регистр временной задержки (РЗ) и возвращается в фоновую программу. Если же сигнал триггера приходит в течение 22 мкс, он вызывает высокоприоритетное пре­рывание (по входу Прерывание В), в результате чего микропро­цессор переходит на выполнение программы передачи данных. На­чинается эта программа с фиксации данных в регистрах СВП Р1, Р2 и РЗ и ожидания кода подтверждения сигнала триггера. Код подтверждения вырабатывается центральной ЭВМ и служит гаран­тией от случайного (от шумового сигнала) прерывания микропро­цессора и передачи в ЭВМ данных, когда она не готова к их приему. Если подтверждение получено, запрещается работа кон­верторов и блокируются сигналы прерываний, чтобы предотвратить возможное искажение данных. Затем по линии связи с ЭВМ по­сылается код-идентификатор данного детектора и передается со­держимое регистров Р2, РЗ и Р1, т. е. информация об энергии зарегистрированной частицы и интервале времени между моментом ее регистрации и приходом сигнала триггера. По значению этой временной задержки можно уточнить, принадлежит ли данная час­тица ШАЛ. Завершив передачу информации, микропроцессор оп­рашивает выход УАПП, ожидая от ЭВМ либо кода повторной пе­редачи данных (если ЭВМ обнаружила ошибку передачи; в этом случае передача повторяется), либо кода проверки детекторов, которая производится всегда после прохождения ШАЛ. В пос­леднем случае микропроцессор включает схему запуска электро­люминесцентного диода СЗД, освещающего фотокатод ФЭУ детек­тора. Коды амплитуд сигналов с динодов ФЭУ, образованные в регистрах Р1 и Р2, передаются в ЭВМ. После этого все регистры МПС очищаются, блокировка снимается и весь блок детектирова­ния переходит в состояние ожидания события.

Каждые два часа центральная ЭВМ посылает во все МПС код, требующий проверки детекторов. В ответ на этот сигнал микро­процессор передает в ЭВМ коды амплитуд из регистров Р1 и Р2, а также информацию о полном числе частиц, зарегистрированных детектором за истекшие два часа работы. Эта информация накапли­вается в регистре Р4.



Рис. 1.19. Интерфейс центральной ЭВМ


Центральная ЭВМ управляет всем ходом эксперимента. Она также собирает данные от детекторов, накапливает их в своей оперативной памяти и затем записывает на гибкий магнитный диск. Для приема данных от МПС на каждом входе ЭВМ установлен специальный интерфейс (рис. 1.19). Данные от МПС, поступаю­щие разряд за разрядом по линиям связи, объединяются в УАПП в слова и записываются в ЗУ, работающее в режиме сдвигового регистра. Объем ЗУ позволяет принять в него всю информацию об одном событии. При этом ЗУ и УАПП связаны таким образом, что данные, поступающие по линии связи, загружаются в ЗУ без участия центральной ЭВМ. Это дает возможность одновременного приема данных из всех. МПС (от каждого в свое ЗУ).

Центральная ЭВМ, получив сигнал триггера, посылает сигналы прерывания и подтверждения триггера во все МПС и, установив наличие данных в ЗУ, последовательно опрашивает ЗУ, перенося информацию из них в оперативную память ЭВМ. Обнаружив ошиб­ку передачи, ЭВМ запрашивает повторную передачу данных из МПС. После того как все данные перенесены в оперативную па­мять, ЭВМ посылает во все МПС код, инициирующий проверку детекторов. Данные проверки принимаются ЭВМ точно так же, как и результаты регистрации частицы. После этого ЭВМ ожидает пре­рывания от следующего сигнала триггера.

Описанная здесь система представляет собой достаточно характерный пример автоматизированной физической установки, исполь­зующей ряд типичных решений:
  1. При большом количестве источников информации (детекто­ров) использована идея распределенного интеллекта. Каждый де­тектор снабжен небольшой программно-управляемой системой сбо­ра данных, управления и контроля.
  2. Локальные системы управления выполнены на базе микро­процессорного набора, что обеспечивает высокую степень интел­лектуальности при низкой стоимости и простоте реализации.
  3. Использована иерархическая двухуровневая система, на нижнем уровне которой находятся микропроцессорные системы, а на верхнем — центральная управляющая ЭВМ.
  4. Получаемые в процессе эксперимента данные вместе со слу­жебной информацией об условиях измерений (астрономическое вре­мя, атмосферное давление, характеристики детекторов) записываются на диск для последующей автономной обработки (уже не в реальном времени эксперимента).
  5. Для согласования скоростей передачи и приема информации использованы промежуточные запоминающие устройства.
  6. Поскольку элементы системы расположены на значительном удалении друг от друга, возникает проблема передачи информации между ними. Связь детекторов и ЛСУ, вырабатывающей сигнал триггера, осуществляется по коаксиальным кабелям, обеспечи­вающим высокую скорость и помехоустойчивость передачи аналого­вой информации и, что существенно в данном случае, строго фиксированное время прохождения сигнала. Однако такая связь дорога, тем более что передача цифровой информации требует боль­шого количества линий связи (по числу информационных разря­дов). Поэтому в рассматриваемой системе использован последова­тельный интерфейс передачи, который предполагает передачу каж­дого информационного слова последовательно, бит за битом. УАПП как раз и выполняет функцию преобразования содержимого ин­формационных регистров МПС в последовательность отдельных би­тов. УАПП, стоящий на входе центральной ЭВМ, выполняет об­ратное преобразование. Последовательная передача данных осу­ществляется с невысокой скоростью (обычно не выше 9600 бит/с), но позволяет использовать дешевые линии связи — витые пары или стандартные телефонные кабели.

В описанных выше автоматизированных системах, независимо от их сложности, количества информации и универсальности про­граммного обеспечения, использовался, строго говоря, однозадач­ный (однопрограммный) режим работы ЭВМ. Конечно, управля­ющая программа может в зависимости от запросов эксперимента­тора или по заданному заранее алгоритму обращаться к тем или иным подпрограммам, она может прерываться для выполнения программ обработки прерываний, однако все эти программы связа­ны в единый программный комплекс и функционируют в сущности как одна сложная программа с разветвлениями.

Довольно часто, однако, ЭВМ управляет одновременно нес­колькими экспериментальными установками. В этом случае удобнее пользоваться многозадачным режимом, когда ЭВМ параллельно выполняет несколько независимых задач (программ), которые мо­гут быть каким-то образом связаны друг с другом, например иметь общую библиотеку стандартных подпрограмм либо общие области данных, но могут быть и совершенно независимыми. Важно, что функционально эти задачи не связаны: прекращение выполнения одной из них в случае завершения измерений на конкретной ус­тановке никак не отразится на выполнении остальных.



Рис 1.20. Многопользовательская система для анализа фильмовой информации


Примером реализации такой методики является многопользова­тельская система анализа фотографии треков с пузырьковых камер, построенная в Институте высоких энергий при Брюссельском уни­верситете5. Установка (рис. 1.20) включает в себя пять просмот­ровых столов ПС, на которых производится визуальный просмотр снимков и оцифровка треков, и мини-ЭВМ PDP-11/40, служащую для управления столами и приема от них измерительной информа­ции. Мини-ЭВМ. PDP-11/40 через интерфейсные карты ИК связана с ЭВМ DEC-10, на которой производится обработка трековой ин­формации с помощью пакета прикладных программ HYDRA.

Просмотровый стол представляет собой сложную конструкцию, содержащую проекционную систему для одновременного визуально­го наблюдения с соответствующим увеличением четырех кадров, устройства смены и позиционирования кадров, устройства слежения за треком и получения его координат. Управление столом может производиться как вручную, для чего предусмотрен пульт с ключа­ми и средствами индикации функций и состояния ключей, так и автоматически по командам ЭВМ.

Цифровая система управления столом (СУ) содержит группу программно-адресуемых регистров, связанных с ключами управле­ния, кодирующим устройством, механизмами перемещения пленки, а также электронные схемы формирования и расшифровки пере­даваемых сообщений.

Каждый просмотровый стол оснащен алфавитно-цифровым дис­плеем-, с помощью которого оператор посылает в ЭВМ запросы на обслуживание и управляющую информацию.

Проблема связи ЭВМ со многими источниками информации решена путем использования серийно выпускаемого 16-разрядного мультиплексора DJ-11, преобразующего 16-разрядные слова ЭВМ в последовательность битов, которые можно передавать со скоростью до 9600 бит/с по двухпроводным линиям связи (в состав DJ-11 входят УАПП, описанные выше). Мультиплексор DJ-11 предназна­чен для подсоединения к ЭВМ удаленных печатающих устройств, алфавитно-цифровых терминалов, телетайпов и пр. Каждая про­смотровая установка использует два канала мультиплексора. К од­ному каналу подсоединен терминал, к другому — система управле­ния столом. Ясно, что СУ должна иметь на выходе устройство типа УАПП. Такая конфигурация установки позволяет использовать стандартное программное обеспечение ЭВМ PDP-11.

PDP-11 работает под управлением многопользовательской операционной системы реального времени RSX-11M. Каждый просмотровый стол обслуживается отдельной задачей — копией управляющей программы. Операционная система контролирует ход вычислительного процесса, передавая управление от задачи к задаче по мере появления запросов, выгружая временно задачи на диск в случае нехватки места в оперативной памяти и т. д. Практически все задачи находятся в состоянии ожидания. Нажа­тие на клавишу терминала вызывает прерывание этого состояния и переход на программу анализа кода нажатой клавиши, а оттуда — на программу выполнения затребованных действий.

Разработка электронно-измерительных систем для обеспечения физических экспериментов является сложной и трудоемкой зада­чей. Несмотря на использование модульных программно-управля­емых систем, унифицированных средств сопряжения с ЭВМ и гото­вых элементов программного обеспечения, создание новой или даже модернизация уже имеющейся измерительно-вычислительной системы требует значительных усилий и времени. Отсюда понятно стремление к разработке в достаточной степени универсальных систем сбора и обработки физической информации, способных обеспечить не один, а целую группу схожих по методике экспе­риментов. Такие системы обычно создаются на базе крупных ис­следовательских источников излучений — ускорителей и реакторов. Примером такого подхода является разработанная в Ленинград­ском институте ядерной физики им. Б. П. Константинова авто­матизированная электронно-измерительная система для обеспече­ния экспериментов по квазиупругому рассеянию нуклонов при энергии 1 ГэВ6.

Квазиупругое рассеяние нуклонов относится к числу реакций прямого взаимодействия, в которых быстрый налетающий нуклон взаимодействует с одним нуклоном ядра, передавая ему часть своей энергии и импульса. В результате рассеянный нуклон про­должает свое движение под некоторым углом 6, к первоначальному направлению, а нуклон, с которым произошло взаимодействие, вы­летает из ядра под углом 02. Определенный импульс приобретает также ядро отдачи. Если налетающая частица — протон, то в случае испускания нейтрона реакцию можно записать следующим образом:




Изучение процесса квазиупругого7 рассеяния представляет большой интерес, так как дает сведения о деталях внутренней структуры ядра. Экспериментальное исследование квазиупругого рассеяния нуклонов требует идентификации полезных событий, определения типа выбиваемого нуклона, измерения энергии и углов вторичных частиц и последующего восстановления кинематической схемы каждого акта рассеяния. Для этого в ЛИЯФ была создана экспериментальная установка (рис. 1.21). Пучок ускоренных протонов с энергий 1 ГэВ падает на мишень М, расположенную в вакуумной камере. Рассеянные протоны регистрируются магнит­ным спектрометром с времяпролетной системой; для регистрации выбитых нуклонов (протона или нейтрона) предусмотрен сцинтилляционный годоскоп, представляющий собой спектрометр по времени пролета.


Р
ис.1.21. Схема экспериментальной установки для изучения рассеяния протонов на ядрах


Кроме собственно измерительных элементов установка содержит профилометры П1 и П2 для точного определения положения пучка, сцинтилляционный монитор из трех включенных на совпадения детекторов М\, М2, и М3 для измерения интенсивности пучка, а также не показанные на рисунке фокусирующие системы, колли­маторы, отклоняющие и корректирующие магниты и другие системы формирования и транспортировки пучка. Работа установки обес­печивается автоматизированной измерительной системой, выполнен­ной в стандарте КАМАК и включающей в себя подсистемы измерений, градуировки, стабилизации, контроля и управления. Контроль за работой аппаратуры и прием экспериментальных дан­ных осуществляет ЭВМ PDP-11/40; для накопления и предварительной обработки информации с целью оперативного контроля за ходом эксперимента используется ЭВМ ЕС-1030.

Рассмотрим подробнее основные узлы установки и соответствую­щие им элементы измерительной системы.

Магнитный спектрометр предназначен для измерения энергий протонов, рассеянных на мишени под фиксированным углом 0i в пределах диапазона 12—25°. Детектирующая система спектрометра состоит из двух блоков проволочных пропорциональных камер БПК1 и БПК2 и телескопа сцинтилляционных детекторов S1 S2 S3 S4, S5.

Проволочные пропорциональные камеры служат для измерения параметров траекторий протонов в фокальной зоне спектрометра. В каждой камере используются 192 вертикально расположенных проволочных электрода для определения координаты частицы в горизонтальной плоскости (плоскость чертежа на рис. 1.21) и 144 горизонтально расположенных электрода для определения вертикальной координаты частицы. Горизонтальная координата траектории протона в фокальной зоне магнита спектрометра опре­деляется его энергией, а вертикальная отражает вертикальный размер мишени. Наличие двух камер, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, позволяет определить угловые состав­ляющие траектории протона: горизонтальную 01 и вертикальную Ф (в пределах углов раствора спектрометра, которые составляют ±0,4° по горизонтали и ±0,95° по вертикали).

Для регистрации информации, поступающей с пропорциональ­ных камер, используется 672-канальная координатная система КС, включающая в себя набор предусилителей и регистров.

Телескоп сцинтилляционных счетчиков S1 — S5 выполняет сле­дующие функции:
  1. отбор полезных событий (упруго рассеянных протонов) по четырехкратным совпадениям S1-S2-S3-S4;
  2. задание нуля отсчета времени, за который принимается мо­мент прохождения протона через детектор S\;
  3. режекцию фона путем фиксации времени пролета протоном про­летной базы 5 м между детекторами S1 и S5.

Для достижения необходимой точности при временном отборе событий в телескопе использованы пластические сцинтилляторы, имеющие малое время нарастания выходного импульса тока, вре­менные ФЭУ со специальными низкоомными цепями питания и быстрые формирователи Ф. Особенно высокие требования предъ­являются к формированию импульса нуля времени. Как известно, основными источниками аппаратурной неопределенности временной привязки являются зависимость момента срабатывания формирова­теля от амплитуды сигнала на выходе ФЭУ, а также флуктуации времени распространения света в кристалле, обусловленные неопре­деленностью места попадания частицы и возникновения сцинтил­ляции. Для уменьшения первой составляющей погрешности в детек­торе S1 используется формирователь ФК с компенсацией амплитуд­но-временной зависимости, обеспечивающий привязку к фиксированной фазе входного сигнала. С целью уменьшения второй составляющей кристалл детектора S, просматривается ФЭУ с обоих торцов, и полученные с ФК импульсы обрабатываются специаль­ным компенсатором пространственно-временной неопределенности КПВ, с помощью которого выделяется среднее значение Интервала времени перекрытия входных сигналов. Легко видеть, что в этом случае задержка света в кристалле приводится к центру кристал­ла независимо от того, где конкретно возникла сцинтилляция. Аналогичную систему формирования сигнала временной отметки имеет детектор S5.

Для регистрации продуктов реакций (р, 2р) и (р, пр) в установке предусмотрен шестиканальный годоскоп сцинтилляционных детекто­ров N1 —N5. Использованные в нем пластические сцинтилляторы большого размера обеспечивают достаточно высокую эффективность регистрации нейтронов (около 30%); эффективность регистрации протонов практически равна 100%. Для разделения нейтральных и заряженных частиц перед каждым детектором Ni, установлен "тонкий детектор А, у которого эффективность регистрации нейтронов незна­чительна (меньше 5%), а эффективность регистрации протонов близка к 100%. Таким образом, совпадение во времени моментов срабатывания обоих детекторов канала свидетельствует о регистра­ции заряженной частицы, несовпадение — о регистрации нейтраль­ной. Поскольку для заряженных частиц тонкий детектор Ai регист­рирует удельные потери энергии dE/dx, появляется дополнительная возможность разделения заряженных частиц, например протонов и л-мезонов, возникающих при взаимодействии протонов высокой энергии с ядрами мишени, по значению dE/dx. Для измерения энергии, потерянной регистрируемой частицей в детекторах N1--6 и A1--6, используются преобразователи заряд — код ПЗК1 и ПЗКЗ соответственно.

В годоскопе предусмотрена также возможность разделения нейтральных частиц (нейтронов и у-квантов) по форме импульса на выходе сцинтилляционного детектора. Как известно, световая вспышка многих сцинтилляторов имеет крутой нарастающий учас­ток (постоянная времени 0,5—2 нc) и спадающий участок слож­ной формы, в котором можно выделить несколько экспоненциаль­ных компонент, различающихся постоянными времени и амплиту­дами. При возбуждении сцинтиллятора частицами с различной ионизирующей способностью изменяется относительный вклад медленных компонент в общую светосумму, причем чем выше ионизирующая способность частицы, тем большую амплитуду имеют медленные компоненты. Для выделения заряда, соответ­ствующего медленным компонентам, в установке используется дополнительный преобразователь ПЗК2, запускаемый с некоторой задержкой по отношению к запуску ПЗК.1. Сравнение кодов, снимаемых с ПЗК1 и ПЗК2, позволяет оценить отношение полного заряда к заряду медленных компонент и идентифицировать частицу.

Основной задачей годоскопа является измерение энергий и углов вылета нуклонов — продуктов реакции. Угол вылета определяется по номеру сработавшего детектора Ni , а энергия нуклона — по разности времени пролета вторичных частиц фиксированных баз в каналах магнитного и сцинтилляционного спектрометров. Факти­чески это сводится к измерению интервала времени между сраба­тываниями детекторов Ni и S1. Для измерения этого интервала сигналы от детекторов Ni, через соответствующие формирователи поступают на преобразователь время — код ПВК1. Измерения ведутся в обратной шкале времени, т. е. преобразователь запуска­ется сигналом от детектора Ni, а останавливается задержанным с помощью стабильной линии задержки ЛЗ сигналом нуля времени с выхода детектора S1.

Преобразователь ПВК2 измеряет пролетное время между детек­торами S1 и S5. Преобразователь ПВКЗ служит для определения момента регистрации полезного события. Он запускается частотным маркером ЧМ — импульсом, связанным с началом вывода пучка из ускорителя. Регистрация полезного события не останавливает ПВК2, но приводит к съему его текущих показаний.

Предварительный отбор полезных событий осуществляется по­средством наносекундных логических схем, входящих в програм­мно-перестраиваемую подсистему отбора событий. Полезным считается событие, удовлетворяющее выполнению следующих условий:
  1. произошло совпадение S1-S2-S3-S4 при условии отсутствия та­кого совпадения в предыдущем микроимпульсе пучка;
  2. событие попало в окно длительностью 5 мс, устанавливаемое по сигналу частотного маркера в пределах длительности пучка;
  3. срабатывание времяпролетной системы магнитного спектрометра совпало (в пределах возможной разницы пролетных времен) со срабатыванием одного из каналов годоскопа. При этом появление событий Ai Ni свидетельствует о регистрации протона, а Ai Ni — о регистрации нейтрона.
  4. При выполнении условий отбора полезного события выполня­ются следующие операции:
  5. фиксируется номер i сработавшего канала и признак заряжен­ной или нейтральной частицы;
  6. запускаются преобразователи ПВК1 и ПВК2;
  7. переписывается в соответствующий регистр код текущего време­ни с преобразователя ПВКЗ;
  8. преобразователи ПЗК1, ПЗК2 и ПЗКЗ подсоединяются к выхо­дам формирователей сработавшего канала сцинтилляционного годоскопа.

Если зарегистрированные коды не выходят за установленные заранее границы и при этом сработал лишь один из каналов го­доскопа, разрешается работа регистрирующей системы магнитно­го спектрометра. Происходит съем информации с пропорциональ­ных камер БПК1 и БПК2 в регистры координатной системы, откуда в дальнейшем они переписываются в буфер в оперативной па­мяти ЭВМ PDP-11. В буфере собирается вся информация о заре­гистрированном событии: координаты траектории частицы, полученные с БПК1 и БЯ/С2, коды зарядов с трех преобразователей ПЗК1— ПЗКЗ, коды интервалов времени с трех преобразователей ПВК1— ПВКЗ, признак частицы. После набора 150 событий буфер дополняется служебной информацией: параметрами траектории пучка, полученными с профилометров П1 и П2, которые пред­ставляют собой, как и блоки БПК, проволочные пропорциональные камеры, показаниями монитора, показаниями систем стабилизации и градуировки и проч. После накопления в памяти заданного числа буферов информация о зарегистрированных событиях отображается на экране цветного дисплея и передается в память ЭВМ ЕС-1030 для дальнейшей обработки.

Для рассмотренного комплекса, представляющего собой слож­ный, но во многих отношениях типичный пример измерительно-вы­числительной системы для обслуживания физического эксперимента, характерно сочетание аппаратных и программных средств анализа и отбора событий. Быстрые логические схемы подсистемы отбора событий на аппаратном уровне анализирует совокупность характе­ристик зарегистрированного события, и в случае удовлетворения их заданным (в частности, программным способом) критериям отбора разрешают преобразование измеряемых величин в цифровые коды и дальнейшую передачу информации в ЭВМ. Нарушение условий отбора влечет за собой образование сигнала Быстрый сброс и возвращение системы в исходное состояние. Не все ото­бранные таким образом события оказываются в действительности полезными. Окончательный анализ событий, требующий значитель­ных затрат времени, в частности разделение актов регистрации нуклонов и л-мезонов, проводится с помощью соответствующих программных средств уже после окончания эксперимента. Такая методика позволяет добиться малого мертвого времени системы и высокой эффективности сбора полезной информации.

Рассмотренные примеры иллюстрируют многообразие средств и методов автоматизации современного эксперимента. Общим для них является использование ЭВМ, микропроцессорной техники и программно-управляемых электронных систем.


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 1

1. Какие основные технические средства используют непосредственно для автоматизации измерений:

а) измерительную аппаратуру экспериментальной установки;

б) ЭВМ и средства связи с измерительной аппаратурой

в) только ЭВМ с необходимым набором стандартных внешних устройств?

2. Какие основные требования предъявляются к вычислительным средствам для работы в режиме на линии в эксперименте:

а) максимальное быстродействие;

б) компактность, экономичность, наличие связи с другой ЭВМ;

в) достаточная вычислительная мощность и удобство связи с измерительной аппаратурой эксперимента?

3. Что представляет собой система КАМАК:

а) набор конструктивных элементов;

б) электронную модульную систему, специально ориентированную на работу с ЭВМ;

в) набор электронных устройств, каждое из которых по индивидуальному


ГЛАВА 2

ОСНОВЫ СИСТЕМЫ КАМАК


§ 2.1. СТАНДАРТЫ СИСТЕМЫ КАМАК


Стандарты любой электронной модульной системы определяют основные положения, которыми следует руководствоваться при разработке, производстве и применении отдельных компонентов системы и всей системы в целом.

Основные принципы системы КАМАК изложены в трех тандартах — механическом, _ электрическом и логическом, которые впервые были представлены в соответствующих публикациях Комитета ESONE, а затем и в отечественной литературе.




Рис. 2.1. Крейт КАМАК


Некоторые положения стандартов уточнялись и дополнялись по мере накопле­ния опыта эксплуатации системы КАМАК в научных лаборато­риях.