Автоматизация

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   25

АВТОМАТИЗАЦИЯ

ФИЗИЧЕСКОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учеб­ного пособия для студентов физических специ­альностей вузов

МОСКВА ЭН Е РГОАТОМИЗДАТ 1986

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные измерительные системы в экспериментальной физике и других областях науки практически немыслимы без разнообразных технических средств, позволяющих автоматизиро­вать сбор, накопление и обработку информации. Применение авто­матизированных измерительных комплексов значительно экономит труд экспериментаторов в ходе измерений, повышает эффективность использования дорогостоящих ядерно-физических установок, таких, как реакторы, ускорители. Наконец, решение многих эксперимен­тальных задач принципиально невозможно без современных дости­жений электронной и вычислительной техники.

При подготовке эксперимента персоналу научных лабораторий приходится решать многочисленные вопросы технического и эконо­мического характера, связанные с автоматизацией измерений. Грамотный инженерный подход к выбору средств автоматизации на начальном этапе работ позволяет значительно сократить сроки создания установок, а также экономить материальные ресурсы и время при дальнейшем развитии комплекса и переориентации его для решения новых экспериментальных задач.

Какие вычислительные средства следует выбрать для решения поставленной задачи, как организовать взаимодействие ЭВМ с разнородной измерительной аппаратурой эксперимента, какое программное обеспечение использовать для достижения требуемого быстродействия и гибкости работы всей измерительной системы — рассмотрению этого круга вопросов посвящена настоящая книга, которая является переработанным изложением курсов лекций по автоматизации физического эксперимента, читаемых авторами в течение ряда лет студентам МИФИ, слушателям факультетов повышения квалификации специалистов промышленности и пе­реподготовки специалистов по новой технике, преподавателям и научным сотрудникам в рамках действующей в институте Практиче­ской школы ЭВМ. Опыт работы с различным контингентом слуша­телей показывает, что в настоящее время существует острый дефицит учебной литературы по практическим вопросам автомати­зации экспериментов. Целью учебного пособия является изложение основ знаний, необходимых для практической работы по созданию измерительных систем с использованием аппаратуры КАМАК, мини- и микро-ЭВМ. Вопросы применения вычислительных средств и их программного обеспечения рассмотрены на примере ЭВМ типа СМ-4 и Электроника-60, получивших наибольшее распростра­нение при автоматизации физических исследований. Поскольку изу­чение вычислительной техники немыслимо без практической работы по написанию конкретных программ, книга содержит большое количество примеров и задач возрастающей сложности, снабжен­ных решениями и комментариями.

Настоящее учебное пособие ориентировано лишь на начальное ознакомление с предметом. Более детальные сведения по затрону­тым и смежным вопросам читатель может найти в литературе, список которой приведен в конце книги.

Методы и технические средства автоматизации физического эксперимента изложены, например, в работе [1], где рассмотрены особенности применения ЭВМ для автоматизации физического эксперимента, различные системы сбора и обработки данных в крупных физических установках. В книге затронуты вопросы про­граммных систем комплексной обработки экспериментальных данных. Многочисленные примеры измерительно-вычислительных систем для проведения экспериментов в различных областях ядер­ной физики, физики плазмы, лазерного термоядерного синтеза и других дают представление о современных методах организации физических исследований. Содержательный обзор [2] знакомит с концепциями построения автоматизированных систем научных исследований, выбором базовых аппаратных и программных средств для построения таких систем, направлением новых разрабо­ток аппаратных и программных средств.

В книгах [3,4] изложены основы теории и практики построения стандартных интерфейсов измерительных систем, в том числе системы КАМАК, МЭК-625 и др.

Желающих углубить свои знания по общим вопросам построения микро- и мини-ЭВМ можно адресовать к учебному пособию [5], где описаны архитектура малых ЭВМ, их системные интерфейсы, органи­зация ввода — вывода, периферийные устройства, системное программное обеспечение и тенденции развития малых ЭВМ. Эти же вопросы рассмотрены в фундаментальной работе [6], где боль­шое внимание уделяется конкретным микропроцессорам и микро-ЭВМ. Целый ряд книг [7—9] посвящен различным вопросам организации ЭВМ типа PDP-11, СМ-4. Для освоения программи­рования этих машин на языке АССЕМБЛЕР можно рекомендовать работы [6, 8, 10, 11]. В [8] даны некоторые элементы операцион­ной системы RT-11. Средствам операционной системы РАФОС пос­вящена книга [12].

Наконец, общие сведения по современным электронным модуль­ным системам и перспективам их развития изложены в ряде обзоров журнала «Приборы и техника эксперимента» [13—15].

Главы 2—4 настоящей книги, а также § 1.2 написаны Ю. Ф. Певчевым; главы 5—9 и § 1.1, 1.3—К. Г. Финогеновым. В написании гл. 7 принимал участие М. П. Шарак, гл. 8— А. А. Зу­бец, гл. 9— С. Д. Чигирь. Авторы будут благодарны читателям за любые замечания и предложения, касающиеся содержания и стиля книги. Отзывы и замечания направлять по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая набережная, 10, Энергоатомиздат.

ГЛАВА 1

ОРГАНИЗАЦИЯ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

§ 1.1. ОСОБЕННОСТИ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Современные физические исследования имеют характерные черты, которые зачастую делают невозможным их проведение без использования целого комплекса средств, образующих понятие ав­томатизации физического эксперимента.

Рассмотрим в качестве примера эксперимент по исследованию осколков деления ядер быстрыми нейтронами, поставленный в Ле­нинградском институте ядерной физики им. Б. П. Константинова АН СССР¹. Целью измерений является получение распределений образующихся осколков по энергиям и массам и нахождение корре­ляционных зависимостей между этими величинами.

Ускоренные до энергии 1 ГэВ протоны падают на тонкую ми­шень М (рис. 1.1), содержащую исследуемое вещество. Образую­щиеся при делении ядер мишени осколки разлетаются в стороны и часть их попадает на мозаики полупроводниковых детекторов (ППД)" Ml и М2, установленные на оси, перпендикулярной к направлению движения протонов, на расстоянии 1 м от мишени. Каждая мозаика представляет собой диск диаметром 180 мм, на котором равномерно размещаются 33 поверхностно-барьерных ППД. Использование мозаики детекторов вместо одиночного детек­тора позволяет увеличить светосилу прибора без ухудшения его энергетического разрешения.

На оси, соединяющей мишень с центром мозаики Ml, на рас­стоянии 5 см от мишени расположено устройство нуля времени Я, основным элементом которого является тонкая никелевая плен­ка. При прохождении регистрируемого осколка через пленку из нее испускаются вторичные электроны, которые после ускорения элект­рическим полем и фокусирования электростатической линзой ре­гистрируются сцинтилляционным детектором с тонким пластическим сцинтиллятором. Импульс на выходе сцинтилляционного детектора устройства нуля времени характеризует момент прохождения оскол­ка через детектирующую пленку.

С
каждого ППД мозаик Ml и М2 снимаются два сигнала. Один, спектрометрический, несет в себе информацию об образо­вавшемся в детекторе заряде, который, в свою очередь, пропор­ционален кинетической энергии зарегистрированного осколка.

Рис. 1.1. Схема экспе­риментальной установ­ки для исследования процесса деления

Другой, временной, характеризует момент регистрации осколка и позволяет определить время Т, требуемое каждому осколку для про­хождения известного расстояния D между мишенью и детектором (после введения поправки на расстояние между точками М и Я). Отсюда легко найти скорости осколков:

v = D/T.

Энергия Е и скорость v осколка связаны известным соотно­шением E = mv²/2, поэтому, зная Е и v, можно найти массу осколка га. Таким образом, установка, построенная по приведенной на рис. 1 схеме, позволяет изучать массовые и энергетические распределения осколков деления, при этом совместное измерение параметров обоих осколков одного акта деления дает возможность исследовать корреляции их характеристик.

Наличие в каждой мозаике 33 детекторов усложняет процесс регистрации и обработки экспериментальных данных. Информация о каждом осколке должна включать, кроме пролетного времени Т и энергии £, еще и адрес (номер) сработавшего детектора А. Это дает возможность ввести тригонометрическую поправку на длину пролетной базы и на толщину встречающихся на пути ос­колка тонких пленок, а также установить, находятся ли сработав­шие детекторы на одной прямой, проходящей через центр мишени.

Итак, рассмотренная система позволяет для каждой зарегис­трированной пары осколков определить их массы и энергии и найти корреляции этих величин. При этом непосредственно в про­цессе регистрации осколков измеряются шесть величин: энергии £_ь £₂, интервалы времени Т₁ , Т₂ и координаты (номера) сра­ботавших детекторов А₁, А₂.

Для того чтобы иметь возможность накапливать и обрабатывать экспериментальные данные с помощью цифровых электронно-вы­числительных устройств, их следует преобразовать в цифровую форму. Для этого измеряемая величина квантуется, т. е. ее зна­чение сравнивается с некоторым эталоном и определяется коли­чество содержащихся в нем эталонных единиц. Полученное число в виде двоичного кода записывается в выходной регистр соот­ветствующего электронного модуля — аналого-цифрового преобра­зователя. При этом для точного отображения значения измеряемой аналоговой величины в цифровую форму число шагов квантования и соответственно длина выходного регистра должны быть достаточно велики.

Большое количество измеряемых величин (их в этом случае называют параметрами, а сам эксперимент — многопараметричес­ким или многомерным) приводит к необходимости накопления зна­чительного объема информации. Действительно, регистрируемые частицы могут обладать произвольным сочетанием значений изме­ряемых параметров. Если, например, выполняются двухпараметрические измерения и каждая величина кодируется 7-разрядным преобразователем (с погрешностью квантования 1/2⁷~1Х>), то общее число возможных каналов, т. е. сочетаний значений каждо­го из параметров, составит 2⁷-2⁷101 В рассматриваемой установ­ке для кодирования Е и Т используются 9-разрядные (512-каналь­ные) преобразователи, а кодирование номера детектора при 33 де­текторах требует шесть разрядов. В результате общее число ка­налов составит 2⁹.2⁹.2⁹-2⁹.2⁶.2⁶ = 2⁴⁸2-10¹⁴.

Если, однако, экспериментатора интересуют только массовые и энергетические распределения осколков независимо от угла их вылета, то число каналов сокращается до 2⁹-2⁹-2⁹-2⁹ « 6-10¹⁰.

Для того чтобы получить искомое распределение с достаточ­но малой статистической погрешностью, число отсчетов в каждом канале должно быть большим, желательно не менее 100. Если бы регистрируемые события распределялись по каналам равномер­но, в этих условиях понадобилось бы зарегистрировать в общей сложности 6-10¹⁰-10²=6-10¹² событий, что представляет собой ог­ромное (исходя из современных технических возможностей) зна­чение. В действительности, однако, события распределяются по ка­налам неравномерно, группируясь в более или менее узкие пики. Если предположить, что наблюдаемые в эксперименте значения измеряемых энергий и интервалов времени занимают приблизитель­но 1/tO всей шкалы, т. е. по 50 каналов, то результирующее число событий снизится до б-10¹²-(1/ГО)⁴ = 6-10⁸, оставаясь еще очень большим. При более узких пиках или при допущении боль­шей статистической погрешности в каналах объем накапливаемой информации может быть уменьшен. В рассматриваемом экспери­менте в каждой серии измерений накапливалось порядка 10⁵—10⁶ событий.

Таким образом, характерной чертой современного эксперимента является огромное количество получаемой информации, накопле­ние и хранение которой возможно только с использованием циф­ровых вычислительных машин. Высокие скорости поступления ин­формации и необходимость ее обработки не после завершения эксперимента, а прямо в ходе измерений, требуют непосредст­венной связи ЭВМ с измерительной аппаратурой, что, в свою оче­редь, существенно расширяет возможности экспериментальной ус­тановки и повышает качество измерений. Про такую установку говорят, что она работает на линии с ЭВМ, а режим обработки измерительной информации в темпе ее поступления называют ре­жимом реального времени.

Еще одна характерная черта современного эксперимента — не­обходимость формирования и вывода по ходу эксперимента разнообразной служебной и контрольной информации, что тоже может быть реализовано только с помощью ЭВМ.

Рис. 1.2. Двумерный спектр энергий осколков спонтанного деления ядер ²⁵²Cf (замкнутые кривые проведены че­рез точки с одинаковой скоростью счета событий; цифры у кривых — от­носительные числа отсчетов)


В рассматриваемой установке предусмотрен контроль измерительных характеристик спектрометрических и временных трактов с помощью автоматичес­кой системы непрерывного контроля, включающей в себя генера­тор запуска фотодиода, генератор импульсов стабильной ампли­туды, отградуированную перестраиваемую линию задержки и рас­пределитель наносекундных импульсов. Конкретные значения ам­плитуды импульсов и временной задержки, так же как и после­довательность работы всей системы контроля, можно задавать про­граммным способом командами ЭВМ.



Рис. 1.3. Упрощенная структурная схема электронного обеспечения эксперименталь­ной установки, изображенной на рис. 1.1: Ml и М2 — мозаики детекторов; М — мишень; Р — пучок протонов; БПУ — быстрые предусилители; СПУ— спектрометрические усилители; ФАД — формирователи адреса и дискриминаторы; ЛП — линейные пропускатели; Ф1, Ф2 — быстрые формирователи; ЛЗ — линия задержки; ГВ1, ГВ2 — генераторы ворот; СС1, СС2, ССЗ — схемы совпадений; ВАШ, ВАП2 — время-амплитудные преобразователи; У — усилители; АЦП — амплитудно-цифровые преобразователи; Э-100 — ЭВМ «Электроника-100»


В начальный момент времени на фотодиод, установленный перед фотокатодом ФЭУ устройства нуля времени, подается короткий импульс запуска. Тем самым имитируется прохождение заряженной частицы через пленку нуля времени. Этот же импульс через линию задержки поступает в выбранные распределителем временные трак­ты установки. Одновременно в спектрометрический тракт подается импульс от генератора стабильной амплитуды. Таким образом, пол­ностью имитируется полезное событие. Амплитуды и временные задержки сигналов контроля выбирают таким образом, чтобы об­разовать реперные пики в начале, середине и конце исследуемых диапазонов времени пролета и энергии. Программа управления системой кон троля составлена так, что контрольные события гене­рируются только в паузах между макроимпульсами протонного пучка и не накладываются на измеряемые физические события. Коды контрольных событий накапливаются в памяти ЭВМ. Их последующая обработка позволяет получить информацию об изменении характеристик измерительных трактов в процессе прове­дения эксперимента и ввести соответствующие поправки в результаты измерений. В случае выхода измерительных характеристик из заданных границ система оповещает об этом оператора выводом на терминал соответствующего сообщения. Кроме контроля измерительных характеристик установки в про­цессе эксперимента ведутся также непрерывные измерения сум­марных скоростей счета устройства-нуля времени и мозаик M1 и М2, а также скорости счета полезных событий. Эти данные, вы­водимые на терминал, позволяют следить за ходом эксперимента.

Следует заметить, что регистрируемые 48-разрядные коды собы­тий сами по себе не дают информации о правильности настройки электронно-измерительной аппаратуры установки или выбранного режима измерений. Если же в процессе измерений накапливать и выводить на графический терминал двумерное распределение величин Е_{ и Е₂, по его виду можно легко контролировать ход эксперимента. Действительно, при регистрации осколков деления распределение £₁—£₂ имеет характерную двугорбую форму (рис. 1.2). Формирование такого распределения требует выделения некоторой части поступающей информации и обработки ее в реальном времени так, чтобы вид наблюдаемого на графическом терминале двумерного спектра в любой момент соответствовал текущий условиям эксперимента.

Использование ЭВМ на линии с физической установкой дает возможность оперативно, по ходу эксперимента, изменять настройку электронной аппаратуры или самих детекторов, руководствуясь результатами предварительной обработки регистрируемой инфор­мации, производимой ЭВМ в реальном времени. Это во многих случаях 'существенно снижает затраты времени на проведение эксперимента и повышает точность измерений.

Эксперименты, подобные рассмотренному, требуют для своего проведения целого комплекса электронной аппаратуры (рис. 1.3):

Каждые три детектора мозаики объединены в одну спектромет­рическую ячейку и подключены к зарядочувствительным спектро­метрическим предусилителям СПУ. Такое объединение позволяет сократить требуемое количество предусилителей с 66 до 22 практи­чески без ухудшения энергетического разрешения тракта. Далее с помощью специальных линейных пропускателей ЛП сигналы со всех ППД объединяются в единый спектрометрический тракт Е.

Как уже отмечалось выше, с каждого ППД снимается, кроме спектрометрического, еще и временной сигнал. Этот сигнал не­сет в себе информацию о моменте регистрации осколка и о но­мере сработавшего детектора. Пройдя через быстрый предусилитель БПУ, сигналы с ППД поступают в блок формирователей адреса и дискриминаторов ФАД, который объединяет временные сигналы в единый временной тракт Т и, кроме того, форми­рует двоичный код адреса сработавшего детектора А.

Объединенные временные сигналы с мозаик Ml и М2 проходят через быстрые формирователи Ф1 и Ф2, осуществляющие привязку к переднему фронту импульса, и запускают «генераторы ворот» ГВ1 и ГВ2, формирующие относительно длинные импульсы, пере­крывающие возможный диапазон измеряемых времен пролета (50—150 не). Эти импульсы поступают на схемы совпадений СС1 и СС2, на вторые входы которых приходит задержанный на линии задержки ЛЗ сигнал нуля времени. Схемы совпадений СС1 и СС2 фиксируют заряженные частицы, прошедшие через детектирующую пленку устройства нуля времени и мозаику детекторов в пределах установленного временного диапазона. Выходные сигналы схем СС1 и СС2 служат в качестве стартовых для время-амплитудных преобразователей ВАШ и ВАП2 соответственно. Стоп-сигналами для них являются задержанные сигналы формирователей Ф1 и Ф2. Преобразователи ВАШ и ВАП2 формируют импульсы, амплиту­ды которых пропорциональны пролетным временам регистрируемых частиц. При этом отсчет ведется в обратной шкале времени. За­пуск ВАП сигналом от ППД мозаики, а остановка сигналами от детектора нуля времени позволяют заметно снизить фон случай­ных срабатываний. .Действительно, плотность потока сигналов от детектора нуля времени составляет в реальных условиях около 10⁴ в 1 с, а от мозаик — всего несколько импульсов в 1 с. Сигналы с выходов ВАШ и ВАП2, несущие информацию о пролетном времени, а также спектрометрические сигналы с вы­ходов линейных пропускателей поступают через усилители У в блок из четырех амплитудно-цифровых преобразователей АЦП, преобра­зующих входные аналоговые величины в цифровые коды.

Схема совпадений ССЗ выделяет парные осколки, т. е. собы­тия, подлежащие регистрации. Каждое такое событие дает сигнал прерывания в ЭВМ и инициирует передачу информации об одном событии из АЦП в память ЭВМ Электроника-100. Одновременно в ЭВМ поступает код номера сработавшего детектора А.

Малая ЭВМ Электроника-100 обладает ограниченными возмож­ностями и используется в данной установке для приема и упаковки в определенном формате закодированной информации от детекто­ров, а также для управления системой контроля. Из ЭВМ Элект­роника-100 информация массивами по 163 события пересылается в ЭВМ Минск-32 (находящуюся на расстоянии 1 км от экспе­риментальной установки), которая выполняет двухэтапную обработ­ку экспериментальных данных. На первом этапе данные корректи­руются, пересчитываются из условных кодов в размерные физи­ческие величины и запоминаются на магнитных лентах в виде протокола эксперимента. На втором этапе происходит окончатель­ная обработка: построение двумерных матриц £,—£₂, (т_{--т₂) — (f₁-f₂) и других, нахождение моментов распределений, графичес­кое представление обработанной информации.

Использование двухмашинных комплексов, представляющих со-~) бой двухуровневую иерархическую структуру (число уровней может быть и больше двух), весьма характерно для сложных физических f экспериментов. Очевидно, что все вычислительные средства, входящие в состав такого комплекса, должны быть связаны друг с другом и образовывать единую вычислительную систему.