Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и созданию математического обеспечения для комплексного решения проблем, связанных с проведением экспериментов в области физики высоких энергий.
Актуальность работы. Современное состояние экспериментов в области физики высоких энергий характеризуется большой глубиной проникновения в сущность исследуемых явлений и усложнением техники эксперимента. Экспериментальные установки по масштабам своим сравнимы с промышленными объектами и превосходят их тонкостью применяемых методик. Успехи физики высоких энергий неразрывно связаны с применением электронно-вычислительных машин . Уже на ранней стадии развития этой области науки ЭВМ применяются для обработки экспериментальных данных. Остро вставшая проблема комплексной автоматизации эксперимента предопределила продвижение ЭВМ от этапов окончательной обработки к "истокам" экспериментальной информации.
Поворотным пунктом на пути автоматизации физического эксперимента стало применение вычислительных машин в реальном масштабе времени процессов регистрации экспериментальных данных. Вслед за первыми on-line экспериментами ' эта новая прогрессивная методика интенсивно развивается и внедряется во всех ведущих ядерно-физических центрах. За прошедшие 20 с лишним лет получен ряд важных результатов, связанных с развитием как экспериментального оборудования, так и средств вычислительной техники и математического обеспечения.
Качественный и количественный рост детектирующей и регистрирующей аппаратуры, стремление рационально использовать возможности ускорителей, повышение интенсивности информационных потоков, усложнение структуры регистрируемых событий, повышение требований к обработке информации в реальном масштабе времени, усложнение управления физической аппаратурой вызывают необходимость достаточно развитых вычислительных средств и
*/ Говорун Н.Н., Мещеряков М.Г. Быстродействующие вычислительные машины в физических исследованиях. Вестник АН СССР, 1968, N3. **/ Bellettini G. et al. А вопіо spark chamber* system. CERN, 65-33, Geneva, 1965.
соответствующего программного обеспечения для проведения экспериментов. Метод траєкторних измерений - один из основных приёмов в экспериментах физики высоких энергий. Связанная с этим проблема автоматического распознавания траекторий ( треков ) является одной из наиболее сложных задач обработки экспериментальной информации, циклопические объёмы первичных экспериментальных данных, требующие огромного количества вычислений предопределяют разработку методов эффективной организации, прямо учитывающей массовый, индустриальный характер процессов и динамику операционной среды. Развитие, с одной стороны, средств вычислительной техники, а с другой, - резкое повышение требований к темпам создания (феномен "горячей физики"), к спектру функциональных возможностей и эффективности программного обеспечения современных экспериментов повысили актуальность'**' разработки проблемно-ориентированных программных пакетов, материализующих знания, накопленные в процессе становления и развития рассматриваемой методики.
Диссертация основана на результатах исследований и материалах разработок, выполненных автором в 1965-1989 гг.
Цель работы. Исследование и комплексное решение проблем, связанных с созданием математического обеспечения ряда электронных экспериментов, проводимых с применением траєкторних детекторов на ускорителях ОИЯИ, ИФВЭ (Серпухов), ИТЭФ и ЦЕРН.
Научная новизна. Для первого в СССР и одного из первых в мире экспериментов в области физики высоких энергий с применением ЭВМ в реяаше непосредственной связи с физической установкой разработано и реализовано математическое обеспечение сбора и обработки данных в реальном масштабе времени, были получены принципиально новые решения актуальных проблем, касающихся процессов сбора информации, оперативного контроля экспериментального оборудования и автоматического распознавания графических образов событий.
*/ Например, в экспериментах^8'по исследованию очарованных частиц на протонном синхротроне ИФВЭ для заполнения ленты достаточно 20-25 минут астрономического времени, а только
'' ' первичная обработка данных с одной ленты требует не менее 3 часов процессорного времени на ЭВМ ЕС 1061.
**/ Карпов В.Я., Корягин Д.А., Шура-Бура М.Р. Обеспечение функционального наполнения пакета прикладных программ для решения задач математической физики. В кн. "Современные проблемы математической физики и вычислительной математики". М., Наука, 1982, с.190.
В последующие годы эти результаты были существенно развиты. Новая прогрессивная методика развивалась в условиях обновления компьютерной среды (эволюция от БЭСМ-ЗМ до распределённой системы, включающей базовую ЭВМ ЕС-1040, программно-управляемую модульную электронику, параллельные спецпроцессоры, коммуникационную и персональную ЭВМ), усложнения исследуемых физических явлений и системы детектирования и роста интенсивности потоков экспериментальных данных.
Предложены оригинальные принципы эффективной организации и структура математического обеспечения систем реального времени для экспериментов в области физики високих энергий.
Разработаны новые адаптивные алгоритмы обслуживания двух основных параллельных процессов - сбора и обработки экспериментальных данных.
В рамках разработки математического обеспечения многоуровневого контроля оборудования и хода эксперимента разработаны оригинальные алгоритмы получения статистических оценок для набора значимых параметров основных типов координатных детекторов.
Для различных экспериментов с многоканальными спектрометрами разработаны новые экономичные, эффективные, автоматические методы распознавания пространственных траекторий частиц в условиях нелинейных возмущений, высокой множественности, высокого уровня траєкторного и точечного фона, малого количества сигналов, соответствующих отдельным траекториям.
Предложен новый комплексный целостный подход, разработаны и внедрены программные средства автосопровождения, обеспечивающие высокий уровень надзкности и производительности массовых процессов сбора и обработки экспериментальных данных на ЭВМ в условиях широкого диапазона изменений характеристик операционной среда.
Качественно новый этап развития методики разработки рассматриваемого математического обеспечения связан с созданием обсуждаемых в диссертации пакетов программ и интегрированных проблемно-ориентированных систем. Этот новый слой среды программирования радикально изменил технологическую основу систем обработки экспериментальных данных, ранее включавшую алгоритмический язык программирования и его расширение в виде библиотеки независимых программных модулей.
Практическая значиыость работы. Применение результатов исследований и разработок, представленных в диссертации, позволили получить важные физические результаты, в частности:
измерена вещественная часть амплитуды упругого %~р -рассеяния' ,
исследована трансмиссионная регенерация нейтральных каонов высоких энергий ;
измерена поляризация в упругом рр - рассеянии ';
исследовано спонтанное излучение при прохождении электронов и позитронов високих энергий через монокристаллы ;
исследовано глубоко-неупругое рассеяние мюонов ;
впервые обнаружено рождение очарованных частиц при энергиях менее юо ГэВ, исследованы' ' свойства очарованных барионов Л*, распадающихся по каналам Л* ~> Кри+иГ и Л* -» А%*%+%~. Решающую роль в успешном проведении этих экспериментов, связанных с исследованием явлений с очень малым сечением и сложной топологией регистрируемых событий, сыграли высокие скоростные характеристики и надёжность системы набора экспериментальных данных и высокая производительность и эффективность системы обработки информации.
Опыт разработок математического обеспечения фундаментальных физических экспериментов был успешно применён для проведения
I*/ Воробьёв Г.Г.,....Иванченко И.М. и др. Интерференционные измерения вещественной части амплитуды упругого % р-рассеяния вперёд при импульсах 2,44 и 1,91 ГэВ/с. ЯФ, 1974, Т.19, вып.4, с.849.
2*/ Бирулбв В.К.,....Иванченко И.М. и др. Трансмиссионная регенерация нейтральных К-мезонов на водороде. ЯФ, 1976, Т.24, ВЫП. 4, с.748.
3*/ Журкин В.В., Иванченко И.М. и др. Измерение поляризации в упругом рр-рассеянии при 2,1 ГэВ/с в области малых переданных импульсов. ЯФ, 1978, т.28, вып. 5(11), с.1280.
4*/ Булгаков Н.К.,....Иванченко И.М. и др. Угловые и энергетические распределения гамма-квантов, излучаемых при каналировании релятивистских позитронов. ЮТФ, Письма, 1983, т.38, В.9, с.452.
5*/ Bollini Г......Ivancaenko I. et al. Deep Inelastic Muon
Scattering in Carbon at large Q . In: "Froc. of the 1979 Internat. Symp. on Lepton and Photon Interactions at High Energies." Batavia, Aug. 23-29. 1979, p.149.
6*/ Алеев A.H.,....Иванченко И.М. и др., А-зависимость сечения рождения очарованных барионов А0 в нейтрон-ядерных
взаимодействиях. ЯФ, 1987, т.46, в.10, с.1127.
прикладных радиографических исследований на пучке ионов гелия .
Разработанные методы и программные средства используются при выполнении широкого спектра научно-исследовательских работ, а также в лекционных курсах для студентов естественных факультетов в ряде высших учебных заведений.
Апробация работы и публикации. Основные результаты и выводы диссертации докладывались на Международных совещаниях по проблемам математического моделирования, программированию и математическим методам решения физических задач ( Дубна, 1966, 1973, 1977, 1980,
-
гг.); на Симпозиуме по ядерной радиоэлектронике ( Прага, 1966г.); на первом Всесоюзном симпозиуме по математическому обеспечению вычислительных систем, работающих в реальном масштабе времени ( Киев, 1972 г.); на Международных конференциях по физике высоких энергий; на Всесоюзных семинарах: по обработке физической информации ( Ереван, 1975 г.), по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях ( Тбилиси,
-
г., Протвино, 1986 г.); на рабочих совещаниях по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ (1983 - 1986 гг.); излагались автором в лекциях III школы физиков ФТИ ( Ленинград, 1968 г.), ряда международных и всесоюзных школ: "Применение ЭВМ в экспериментальной физике" ( 1968, 1970, 1973 гг.), "Автоматизация научных исследований" (1978, 1980гг.), "Вычислительные науки и супер - ЭВМ" (1989 г.); обсуждались на научных семинарах ЛВТА, ЛВЭ, ОБМО ОИНМ, ИТЭФ (Москва), Отдела обработки данных ЦЕРН (Женева).
Основные результаты диссертации опубликованы в виде сообщений и препринтов ОИЯИ, ИТЭФ и ЦЕРН, в виде статей в журналах и в материалах всесоюзных и международных конференций и школ. Всего по теме диссертации опубликовано более 120 работ, основные результаты изложены в работах '.
Структура работы, диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
7*/ Анисимов Ю.С......Иванченко М.М. и др. Радиография на пучке
ионов гелия синхрофазотрона ОИЯИ. 0ИИИ.Р13-11872,Дубна,1978.
\
