Введение к работе
Актуальность темы. Сложность детекторных систем, использующихся в экспериментальной ядерной физике для регистрации элементарных частиц, постоянно увеличивается. Современные эксперименты в области физики высоких энергий характеризуются большой множественностью событий и требуют накопления обширной статистической информации. Происходит переход к исследованию все более сложных реакций, при этом растут требования к точности измерений, например, при регистрации короткоживущих частиц, быстро распадающихся на вторичные частицы.
Для получения важных физических сведений о характеристиках взаимодействий элементарных частиц в ядерной физике долгоживущис элементарные частицы разгоняются в ускорителях до высоких энергий и затем сталкиваются друг с другом или с неподвижной мишенью, создавая высокую концентрацию энергии в микроскопическом объёме, что приводит к рождению новых, обычно нестабильных, частиц.
Актуальной темой является исследование реакции протон-протошюго соударения рр —»рК+А с первичным распадом на протон, положительный К-мезон и ламбда-гиперон и с последующим вторичным распадом последнего Л —> рк~ на протон р и отрицательный л~-мсзоп. Сложность измерения состоит в том, что точки первичного и вторичного распада находятся близко друг к другу. Кроме того, вероятность реакции довольно мала (0,001%).
Для обеспечения эффективной работы детекторной установки необходимо совершенствовать автоматизацию сбора данных, в т.ч. обеспечивать удобный контроль для пользователей в ходе проведения эксперимента, а значит в режиме реального времени. Особенностью экспериментальных установок в ядерной физике является то, что контроль качества функционирования большого количества детекторов различных типов и назначений представляет собой достаточно сложную техническую проблему. Контроль и обработка полученных с детекторов данных, производившиеся ранее либо в автономном режиме после проведения испытаний, либо частично и вручную во время испытаний, требовали огромных затрат труда и времени.
Актуальность данной работы обусловлена важностью проблемы автоматизации обработки больших объемов экспериментальных данных и своевременного контроля их качества, что позволяет существенно повысить эффективность проведения измерений.
В 1996 году в Институте ядерной физики Научно-исследовательского центра Юлих (Германия) на синхротроне COSY (COoler Synchrotron -охлаждаемый синхротрон) была установлена внешняя детекторная установка COSY-TOF (Time 01 Flight - время пролёта) для регистрации реакций столкновения разогнанных протонов выведенного пучка и частиц неподвижной мишени. Установка COSY-TOF представляет собой комбинированную си-
стему детекторов, различающихся по типу, конструкции и назначению, и позволяет получать детальную информацию о свойствах и взаимодействиях элементарных частиц. Данная установка предназначена для измерения времени пролёта заряженных частиц, определения их потерь энергии и регистрации координат их треков.
В 2008 году экспериментальная установка была модернизирована посредством оснащения новыми трековыми и позициошю- чувствительными детекторами, в результате чего увеличилась точность определения координат и энергии частиц, но при этом выросла техническая сложность оборудования -количество измеряющих элементов возросло в 3 раза.
Вследствие осуществленных усовершенствований установки возникла необходимость в автоматической обработке, контроле и визуализации данных, что и осуществляется в настоящее время с помощью разработанного автором работы комплекса ПО (программного обеспечения) «TOF-ONLINE», представленного в данной диссертации.
Данный комплекс разработан модульно, что позволяет проводить контроль функционирования эксперимента и оценку данных на различных этапах обработки и выбирать необходимые для данного испытания ступени обработки. Обработка происходит копвейерно, что позволяет максимально быстро получать результаты — в режиме реального времени, т.е. непосредственно в ходе проведения эксперимента.
Целью данной работы является создание комплекса ПО для гибкой конвейерной автоматической обработки данных в режиме реального времени.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разбить процесс обработки данных на независимые последовательные сегменты и обеспечить их взаимодействие между собой;
-
Выполнить конвертацию потока «сырых» бинарных данных, поступающих с измерительной аппаратуры установки, в формат, соответствующий физической сути эксперимента;
-
Обеспечить пользователю наглядное отображение полученных данных (как статистических, так и отдельных столкновений) и автоматический контроль результатов эксперимента;
-
Осуществить быструю первичную обработку и визуализацию физических данных в режиме реального времени (быстрое приближённое восстановление траекторий частиц).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод гибкой конвейерной обработки данных, обеспечивающий первичную обработку потока «сырых» бинарных данных до этапа реконструкции треков образовавшихся частиц.
-
Трёхмерная визуализация отдельных зарегистрированных столкновений частиц в контексте геометрии детекторной установки и методы навигации для доступа к ней со стороны независимых модулей ПО.
-
Алгоритмы быстрой реконструкции пространственного положения треков заряженных частиц, зафиксированных элементами детектора и контроль функционирования экспериментальной установки на их основе.
Научная новизна: Впервые на эксперименте COSY-TOF первичная обработка данных осуществлена автоматически вплоть до этапа визуализации треков частиц, по без распознавания их типа. Для каждой группы детекторов в зависимости от формы их элементов создана их трёхмерная визуализация и разработана реконструкция треков пролетевших через них частиц.
-
Разработано повое техническое решение гибкой конвейерной обработки данных, осповашюс па сегментации процесса обработки на независимые функциональные модули, и позволяющее осуществлять анализ промежуточных данных в ходе проведения экспериментов. Данное решение позволяет проводить мониторинг экспериментальных данных в режиме реального времени и оперативно осуществлять настройку параметров установки.
-
Создана трехмерная визуализация распадов образующихся частиц в контексте геометрии детектора, осуществляемая в ходе проведения испытаний. Предложен новый индексный метод построения и визуализации дисплея событий (состояний установки в конкретные моменты времени) на основе первичных данных.
-
Создана быстрая реконструкция треков частиц па основе специальной индексации элементов детекторов и проецировании трехмерного изображения на заранее выбранные плоскости.
Предложенные решения позволили создать комплекс «TOF-ONLINE», который теперь является штатным ПО на эксперименте COSY-TOF.
Практическая значимость диссертационной работы определяется необходимостью автоматизации обработки больших объемов данных при постоянно растущей сложности экспериментального оборудования. К настоящему времени с помощью разработанного автором ПО была произведена первичная обработка всех данных, полученных в результате проведения испытаний на модернизированном эксперименте. Средняя скорость конвертации данных составляет 1.5* 103 событий в секунду, что соответствует максимальной интенсивности сбора данных.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением современных методов программирования, основанных на
объектно-ориентированном подходе к построению программ, и использовании алгоритмов самотестирования на различных этапах обработки данных, а также современных математических методов обработки результатов. Достоверность также подтверждена соответствием полученных результатов быстрой первичной обработки данных результатам независимого автономного анализа при последующей детальной обработке тех же данных.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных и российских конференциях: Конференции DPG (Deutsche Physikalisches Gcsellschaft - немецкое физическое общество) (Германия, Бохум - 2009 год, Бонн - 2010 год, Мюнстер - 2011 год), COSY-FFE Workshop (Германия, Бад Хоннеф, 2007 год и 2009 год), Научно-техническая конференция МИЭМ (Москва, 2008, 2009 и 2011). Также текущие результаты работы регулярно докладывались на научных семинарах Института Ядерной Физики НИЦ Юлих (Германия, 2007 - 2011).
Диссертационная работа была выполнена при поддержке грантов для иностранных ученых FFE (Fremdc Forschungs- und Entwicklungsarbeiten -иностранные научные разработки).
Личный вклад. Автором самостоятельно спроектирован комплекс ПО «TOF-ONLINE» для визуализации и контроля данных эксперимента COSY-TOF ускорителя COSY в режиме реального времени.
Автором спланированы и проведены испытания созданного комплекса ПО во время проведения исследований. Автор принимала активное участие в проведении экспериментов на COSY-TOF. На основе разработанного автором комплекса ПО полностью осуществлялась первичная обработка и визуализация экспериментальных данных при проведении испытаний в 2008-2011гг.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 11 печатных изданиях, 2 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 6 - в тезисах докладов, 3 - в годовых отчетах о работе института.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. К диссертации прилагается акт о внедрении разработанного комплекса «TOF-ONLINE» в Институте ядерной физики научно-исследовательского центра Юлих (Германия). Полный объем диссертации составляет 119 страниц текста с 37 рисунками. Список литературы содержит 53 наименования.
