Разработка и создание функциональных компонентов супердетектора КМС Большого адронного коллайдера ЦЕРННИР

Соисполнители НИР

ИЯИ РАН Координатор

Источник финансирования НИР

Хоздоговор, Хоздоговор

Этапы НИР

# Сроки Название
1 20 октября 2014 г.-31 декабря 2014 г. Предварительные исследования, формулировка задач и выбор оптимальных путей их решения
Результаты этапа: На первом этапе работ по проекту выполнен ряд предварительных исследований: ● аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР. ● обоснование выбора и направлений исследований в рамках НИР. ● сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований в интересах создания усовершенствованных детекторных устройств. ● патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. Результаты можно сформулировать следующим образом: Для создания сиcтемы медленного контроля электроники всех экспериментов ЦЕРНа, включая супердетектор КМС, принята программная среда SIMATIC WinCC Open Architecture (WinCC OA) – многооконный центр контроля с открытой архитектурой и разработки IT-группы CERN-JCOP Framework (пользовательский интерфейс). Электроника стандарта microTCA является новой для ЦЕРНа, отсюда необходимость в разработке новых пользовательских и открытых интерфейсов для связи программного обеспечение систем управления и электроники с микроархитектурой для телекоммуникационных вычислений (microTCA) в программной среде WinCC OA. В рамках данной НИР предлагается разработка, отладка и экспертное сопровождение программного обеспечения интерфейса связи к (DIM server) к новым электронным модулям стандарта microTCA в составе адронной калориметрической системы (АКС) и части крейтов электроники триггерной системы супердетектора КМС. Разработка интерфейсов связи предполагается в программной среде Visual Studio и С++. Ещё одной задачей НИР в этом направлении является разработка, отладка и экспертное сопровождение программного обеспечения для контроля и управления высоковольтным питанием калибровочного стенда малоуглового калориметра MAK CASTOR супердетектора КМС. Также предусмотрены разработка, отладка и экспертное сопровождение ПО системы управления всем калибровочным стендом малоуглового калориметра MAK, включая подсистему мюонных камер. Применительно к задаче развития системы РМ мониторирования радиационных условий в области передних калориметров установки КМС на основании опыта эксплуатации, выявленных проблем, аналитического анализа существующей литературы по данному вопросу и сравнительного анализа как возможных подходов к решению задачи, так и конкретных технических решений определены и обоснованы направления исследований с целью усовершенствования системы для долговременной работы в условиях большой светимости коллайдера БАК. По задаче модернизация аппаратурной базы операционных постов удалённого центра мониторинга (УЦМ) супердетектора КМС проведён анализ возможностей существующего в МГУ центра и сформулированы требования, предъявляемые модернизированными подсистемами супердетектора КМС и усовершенствованным программным обеспечением к организации дежурств различного типа в ходе будущих сеансов измерений на БАК. Кроме того, на данном этапе были начаты работы по практической реализации задач НИР. Получены следующие результаты: ● Разработан интерфейс связи к новым электронным модулям электроники с микроархитектурой для телекоммуникационных вычислений (стандарт MicroTCA) в составе адронной калориметрической и триггерной систем (АКС) супердетектора КМС. Протестировано качество и скорости передачи информации на тестовых стендах электроники MicroTCA в научных центрах ЦЕРН и ДЕЗИ. Общая производительность системы оценивается как опрос 3 крейтов/сек при наличии в среднем 100 сенсоров в крейте, что позволяет полностью обеспечить заданный в техзадании набор оборудования из 15 крейтов на 1 этапе и 50 крейтов на втором этапе разработки. ● Разработанное ПО для подсистемы управления высоковольтным питанием HV малоуглового калориметра CASTOR было установлено и проверено на калибровочном стенде калориметра, расположенного в тестовом зале супердетектора КМС в ЦЕРН.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Разработка прототипов и программ- ного обеспече- ния для подсистем КМС. Отладка и тестирова- ние прототипов подсистемКМС, предвари- тельные измерения и оптими- зация параметров
Результаты этапа: На втором этапе НИР были запланированы работы по следующим задачам: ● Разработка, oтладка, тестирование и запуск прототипа системы медленного контроля адронной калориментрической системы (АКС) супердетектора КМС в составе двух крейтов стандарта электроники с микроархитектурой для телекоммуникационных вычислений на тестовых стендах ЦЕРНа и ДЕЗИ. ● Разработка, oтладка и запуск системы медленного контроля малоуглового калориметра МАК. ● Разработка, монтаж и тестирование электроники высокого уровня системы контроля радиационных условий РМ. Калибровка детекторов нейтронов и их монтаж на супердетекторе КМС. Измерения нейтронных полей при максимальной светимости. Включение РМ в группу систем контроля пучка супердетектора КМС. ● Модернизация аппаратурной базы операционного и теле-коммуникационного комплексов удалённого центра мониторинга УЦМ супердетектора КМС. Полученные результаты: ● Для создания сиcтемы медленного контроля электроники адронной калориметрической системы (АКС) супердетектора КМС принята программная среда SIMATIC WinCC Open Architecture (WinCC OA) – многооконный центр контроля с открытой архитектурой и разработка IT-группы CERN – JCOP Framework (пользовательский интерфейс). Осуществлена разработка, отладка и экспертное сопровождение программного обеспечения интерфейса связи (DIM server) к новым электронным модулям стандарта microTCA в составе адронной калориметрической системы (АКС) и части крейтов электроники триггерной системы супердетектора КМС. Разработка интерфейсов связи предполагается в программной среде Visual Studio и С++. Разработанный прототип системы медленного контроля крейтов microТСА установлен на тестовом комлексе адронного калориметра установки КМС.. ● Разработано специализированное программное обеспечение для контроля и управления параметрами малоуглового калориметра MAK-CASTOR супердетектора КМС. Модифицировано программное обеспечение для поканального включения и визуального контроля параметров высокого напряжения. Предусмотрено включение высоковольтного питания с учётом сегментации сторон калориметра, номера модуля, сектора и группы канала детектора, с использованием заранее составленных наборов напряжений – рецептов. Вложенная табличная форма управления включает полную информацию о физическом положении каждого канала и позволяет контролировать состояние катодного и динодного напряжений каждой группы каналов. Реализован новый, более удобный интерфейс для работы с устройствами низковольтного питания переднего калориметра. Безопасную работу электроники калориметра обеспечивает контроль стабильности температурного режима электроники регистрации. Запуск системы медленного контроля малоуглового калориметра CASTOR и включение этой системы в центральную систему контроля и мониторинга установки КМС обеспечит безопасность и надёжность работы малоуглового калориметра CASTOR для функционирования в условиях высокой светимости БАК. ● Применительно к задаче развития системы РМ мониторинга радиационных условий в области передних калориметров установки КМС, выполнена калибровка на базе лаборатории дозиметрических исследований ЦЕРН детекторов нейтронов системы контроля радиационных условий РМ установки КМС. Получены значения калибровочных коэффициентов, выполнены расчеты коррекции коэффициентов с учетом реальных спектров и угловых распределений нейтронов на установке КМС. Исследована экспериментально анизотропия детекторов при калибровке на радиоактивном источнике. Разработаны и изготовлены основные блоки обновленной электроники высокого уровня системы контроля радиационных условий РМ установки КМС, рассчитанной на работу при максимальной светимости и энергии коллайдера. Откалиброванные детекторы и обновленная электроника установлены на КМС. Разработано специализированное ПО, осуществлено его тестирование в лабораторных условиях и ввод в эксплуатацию для управления системой РМ установки КМС. Модернизированная система РМ, введена в эксплуатацию в полном объеме и прошла успешное тестирование в рабочих условиях на установке КМС. Получены первые данные по потокам нейтронов при энергии сталкивающихся пучков 13 ТэВ и светимости ускорителя до 5000 мкбн-1/с и продемонстрирована перспективность использования системы РМ в качестве дополнительного независимого монитора светимости. ● Согласно проекту модернизации удалённого центра мониторинга УЦМ супердетектора КМС, организованного в МГУ, оперативное отображение многочисленных параметров подсистем КМС обеспечивается на базе модификации рабочих станций операционных постов с работой в мульти-мониторном режиме, а возможность одновременного проведения дежурств различного типа (DCS, DQM, Jet/Met, Computing, etc.) – увеличением количества операционных постов до трёх. На данном этапе НИР модернизация операционного комплекса УЦМ МГУ полностью завершена: созданы три операционных поста с панорамными мулти-мониторными панелями (2х4 монитора,) с общим разрешением 2100х6720, аппаратура протестирована и отлажена, в ходе удаленных дежурств на КМС проведена адаптация СПО к новой конфигурации УЦМ. Начаты работы по существенному расширению аппаратурных и функциональных возможностей теле-коммуникационного комплекса УЦМ для обеспечения многоточечной интернет-связи с возможностью компактной FullHD визуализации технических графических материалов. На данном этапе аппаратурная конфигурация содержит профессиональный HDX видеотерминал с полным комплектом СПО, дополненным необходимыми приложениями, двумя FullHD управляемыми PTZ видеокамерами и системой HDX микрофонов с круговой диаграммой. В полном объёме проектный аппаратурный ресурс теле-коммуникационного комплекса будет реализован в дальнейшем после замены проекторов с экранами на UltraHD 85" LCD мониторы с разрешением 3840x2160.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Разработка рабочих версий подсистемКМС, отладка, тестирование и анализ предварительных измерений. Отладка, тестирование и ввод в эксплуатацию рабочих версий подсистем в составе КМС.
Результаты этапа: Задачи НИР: ● Создание программного обеспечения (ПО) системы управления, обслуживающей более 50 крейтов электроники адронной калориметрической системы (АКС) супердетектора КМС, на основе нового стандарта электроники с микроархитектурой для телекоммуникационных вычислений. ● Создание системы управления и мониторинга (медленного контроля) малоуглового калориметра MAK супердетектора КМС для функционирования в условиях высокой светимости БАК. ● Развитие системы РМ мониторинга радиационных полей в критических областях установки КМС для функционирования при высокой светимости БАК, с последующим включением её в общую систему контроля пучковых условий супердетектора КМС. ● Расширение аппаратурных и функциональных возможностей удалённого центра мониторинга (УЦМ) супердетектора КМС. В ходе выполнения НИР получены следующие результаты: ● В связи с модернизацией супердетектора КМС, потребовавшие замены электроники считывания стандарта VME на новый стандарт телекоммуникационных вычислений microТСА, была поставлена задача создания системы мониторинга и контроля параметров АКС. В ходе выполнения НИР осуществлена разработка ПО системы мониторирования крейтов. Были разработаны интерфейсы связи к новым электронным модулям стандарта электроники microТСА, разработан протоп системы медленного контроля электроники центра контроля с открытой архитектурой. Разработанное специальное программное обеспечение для автоматического расчёта предельных значений датчиков электроники стандарта miсroTCA позволило создать полную структуру предупреждающий сообщений для рабочей системы медленного контроля и проверить её на тест стендах ЦЕРНа и ДЕЗИ. Произведен запуск рабочей системы мониторирования крейтов. Установленное ПО демонстрирует стабильность работы и отсутствие сбоев в синхронизации работы электроники крейтов microТСА. Осуществляемое исполнителями НИР экспертное сопровождение обеспечивает надежную работу системы в условиях эксперимента. Результаты работ по этой задаче доложены на Международном рабочем совещании «The XXII International Workshop on High Energy Physics and Quantum Field Theory» [QFTHEP'2015 → http://qfthep.sinp.msu.ru/programme/agenda150627 ]: P.Volkov (MSU, Russia) «Status of MTCA Slow Control development at CMS» [ http://qfthep.sinp.msu.ru/talks2015/Qfthep_mTCA_PVolkov.pdf ] Публикация докладов: @ eConf Proceedings [ http://www.slac.stanford.edu/econf ] По результатам, полученным в ходе разработки ПО для системы управления крейтов электроники адронной калориметрической системы (АКС) супердетектора КМС на основе стандарта microTCA в рамках данной НИР, сделан доклад на конференции "Ломоносовские чтения – 2016", МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия, 18-27 апреля 2016 г. ● В соответствии с планом исследований коллаборации КМС после модернизации БАК в условиях высокой светимости малоугловой калориметр CASTOR участвует в сеансах по набору статистики в протон-ионных соударения. В результате выполнения работ по договору было разработано и введено в эксплуатацию программное обеспечение системы медленного контроля малоуглового калориметра МАК супердетектора КМС. Надежная работа системы мониторирования малоуглового калоориметра в сеансах по набору статистики осуществляется при экспертном сопровождении разработчиков ПО системы медленного контроля МАК. В периоды между ионными облучениями малоугловой калориметр установлен на калибровочном стенде и используется для калибровки на космических мюонах. В связи с конструктивными особенностями калибровочного стенда, калибровка детектора CASTOR производится раздельно по сторонам FAR (дальняя сторона) и NEAR (ближняя сторона), что потребовало создания ПО для двух независимых проектов в среде многооконного центра с открытой архитектурой. .В проекте управления калибровочным стендом калориметра CASTOR созданы специальные программные скрипты, позволяющие осуществлять непрерывный контроль и управление работающей аппаратуры высоковольтного питания. Разработанное в рамках НИР ПО для управления и контроля работой калибровочного стенда малоуглового калориметра CASTOR позволяет удаленно осуществлять полный контроль и управление параметрами, установками и режимами работы калибровочного стенда. Это исключает постоянное присутствие дежурного на стенде и обеспечивает безопасный режим работы стенда в течение длительного времени, необходимого для проведения калибровочных исследований на космических лучах. ● Задача развития системы РМ мониторинга радиационных условий в области передних калориметров установки КМС была сформулирована как модернизация системы для работы в условиях максимальной энергии и большой светимости коллайдера БАК. В ходе выполнения НИР проведена калибровка с помощью радиоактивного источника на базе лаборатории дозиметрических исследований ЦЕРН детекторов нейтронов системы контроля радиационных условий РМ установки КМС. Исследована экспериментально анизотропия детекторов при калибровке на радиоактивном источнике. Разработаны и изготовлены основные блоки обновленной электроники высокого уровня системы контроля радиационных условий РМ установки КМС, рассчитанной на работу при максимальной светимости и энергии коллайдера, выполнено её тестирование и настройка. Откалиброванные детекторы нейтронов и обновленная электроника установлены на КМС. В дальнейшем было разработано обновленное программное обеспечение, осуществлено его тестирование в лабораторных условиях и ввод в эксплуатацию в качестве основного программного обеспечения для управления системой РМ установки КМС. Модернизированная в ходе выполнения работ по данному проекту система РМ, в свою очередь, введена в эксплуатацию в полном объеме и прошла успешное тестирование в рабочих условиях на установке КМС. В 2015 году были получены первые данные по потокам нейтронов при энергии сталкивающихся пучков 13 ТэВ и светимости ускорителя до 5000 мкбн-1/с и продемонстрирована перспективность использования системы РМ в качестве дополнительного независимого монитора светимости. В части расширения системы была выполнена разработка и подготовка компонентов для измерения доз ионизирующих излучений в области кварцевых волокон и ФЭУ переднего калориметра, а также исследована возможность расширения нейтронной части системы РМ в область других субдетекторов. Завершена обработка накопленной на сегодняшний день экспериментальной информации по потокам нейтронов с целью оценки радиационной деградации активных элементов установки КМС в данный моментт и прогнозирования поведения детекторов в будущем. По результатам исследований, выполненных в рамках данной задачаи, принята к печати в журнале «Приборы и техника эксперимента» статья А.М.Грибушин, А.И.Демьянов, А.А.Ершов, А.А.Каминский, В.С.Луканин, В.А.Пикалов, «Система мониторирования нейтронных полей в коллайдерных экспериментах» [рег.№59-2016] На завершающем этапе выполнения НИР компоненты, предназначенные для измерения доз ионизирующих излучений в области кварцевых волокон и ФЭУ переднего калориметра были введены в эксплуатацию и выполнены измерения при двух значениях энергии, подтвердившие надежность и эффективность работы системы РМ. Осуществлялся контроль нейтронных полей и измерения эффективности радиационной защиты при энергиях протон-протонных пучков 13 ТэВ и светимости коллайдера до 15000 мкбн-1/с. Дополнены прогностические расчеты потоков нейтронов и доз ИИ до завершения второго этапа работы БАК. Выполнен ряд специальных исследований, требовавших использования системы РМ для оперативного измерения потоков нейтронов. Успешное практическое использование системы РМ подтвердило, что задача ее модернизации для работы при высокой энергии и светимости решена. ● В рамках организации удалённого центра мониторинга УЦМ супердетектора КМС в МГУ модернизирован операционный комплекс УЦМ: созданы три новых операционных поста, оснащённые каждый панорамной мульти-мониторной панелью (2х4 монитора,) с общим разрешением 2100х6720, а также демонстрационными 50“ UltraHD мониторами, аппаратура протестирована и отлажена, в ходе удаленных дежурств на КМС проведена адаптация СПО к новой конфигурации УЦМ; Оптимизирована компьютерная и коммуникационная инфраструктура УЦМ, операционные посты полностью интегрированы в систему удалённого мониторинга КМС; Существенно расширены функциональные характеристики теле-коммуникационного комплекса УЦМ, обеспечивающие в окончательной (проектной) версии многоточечную интернет-связь с возможностью компактной FullHD/UltraHD визуализации технических графических материалов. Aппаратурная конфигурация включает профессиональный HDX аудио/видео-терминал с комплектом лицензионного СПО, дополненным необходимыми приложениями, две FullHD управляемые PTZ видеокамеры, систему HDX микрофонов с круговой диаграммой и два UltraHD 85" монитора с разрешением 3840x2160. Таким образом, все задачи НИР выполнены полностью.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".