Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

Г Л А В А 15

СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Создание и использование автоматизированных ин формационно измерительных систем в ядерной физике тесно связано с применением той или иной разновидности модульной структуры [12], [13]. Каждый модуль в их со ставе выполняет предназначенную ему функцию. Опти мальное сочетание основных измерительных функций и комплексная их реализация определяются тем, что систе ма состоит из совокупности модулей одного стандарта. Базовые положения основных стандартов ядерной элект роники (NIM, CAMAC), которые будут представлены да лее, демонстрируют идеологию и ключевые аспекты их реализации в технике измерений параметров ядерных превращений.

15.1. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ

АВТОМАТИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ИСТАНДАРТИЗАЦИИ

ВЯДЕРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Для решения всего многообразия экспериментальных ядерно физических задач необходимы электронные сред ства различного назначения, способные реализовать весь ма масштабный перечень функций (усиление, выделение, формирование, отбор, счет, кодирование и т. п.). Состав

этой техники определяется тематикой исследований, а она достаточно многогранна, поэтому требуются как обычные электронные измерительные средства, так и уникальные их варианты.

Повседневная практика организации и проведения измерений привела к необходимости стандартизации элек тронной аппаратуры такого назначения. Эти электронные средства, получившие название ядерная радиоэлектрони ка, существенно раньше, чем в других областях науки и техники, стали создаваться на основе модульного прин ципа их построения. Каждый электронный модуль выпол няет определенную измерительную функцию, имеет уста новленные габариты и комплектуется соответствующими деталями и компонентами.

Это позволяет из совокупности таких модулей созда вать и собирать различные по сложности измерительные системы. Все это осуществлялось с максимальным учетом как специфики эксперимента, так и объекта исследова ний [13]. Такие варианты комплектации измерительных систем позволяли достаточно оперативно их модифици ровать при изменении, как в направлениях эксперимен тальных исследований, так и целей в решении измеритель ных задачах.

Специалисты физики приняли модульные структуры в виде набора кубиков, дающего им возможность созда вать достаточно сложные системы. При этом не требова лись специальные знания об устройстве самих модулей. Их структура отождествлялась с моделью «черного ящи ка», выделяющего сигналы в зависимости от соотноше ний и комбинаций их на входе, и выполнением модулем измерительных функций.

Параметры входных и выходных сигналов для каждо го модуля регламентировались стандартом, что упрощало решение задач по линейной и нелинейной обработке де текторных сигналов, а также и их регистрацию. Потребно сти экспериментальных методов ядерной физики предоп ределили одно из перспективных направлений развития вычислительной техники, которое в последствии получи ло название мини и микро ЭВМ. Раньше среди средств

вычислительной техники в основном преобладали универ сальные ЭВМ.

Они имели достаточно высокую стоимость, обладали заметной избыточностью для непосредственного исполь зования их в эксперименте. Более того, такая «техника» требовала весьма внушительного штата специалистов для ее обслуживания. Тем не менее их функциональные воз можности все же были ограничены. Не было возможно сти организовать отдельные режимы работы, поскольку отсутствовал прямой доступ к памяти, не была развита система прерываний и т. д.

Кроме того, «вычислительные» возможности данной техники вряд ли можно было использовать в полном объе ме. Характерно, что в ее состав входили вспомогательные, но весьма дорогие средства (перфораторы, считывающие устройства, широкоформатная цифропечать и т. п.), ко торые вряд ли нужны для исследований. Эти факторы, совместно с острой необходимостью и заведомой целесо образностью применения ЭВМ в процессах обработки экс периментальных данных, обусловили появление мини ЭВМ. Одной из первых ЭВМ такого уровня стала PDP 8.

Магистральный путь развития автоматизации науч ных исследований проходил через развертывание и орга низацию измерительных центров. Они создавались на базе ускорителей, исследовательских ядерных реакторов и дру гих крупных физических установок. Последние из них обеспечивали исследования в области элементарных ча стиц и физики высоких энергий, а также в изучении про цессов термоядерного синтеза.

Создавались различные физические и реакторные из мерительные центры (ФИЦ и РИЦ). Их основой служили универсальные ЭВМ или их процессоры. Такие структу ры дополняли значительными объемами оперативной и долговременной памяти. Для долговременного хранения данных использовались жесткие диски и магнитные лен ты. В состав мощных ИЦ входили несколько ЭВМ, кото рые объединялись в иерархические структуры разного назначения и вида.

Средствами коллективного пользования ИЦ были раз нообразные устройства ввода вывода (многомерные гра фические дисплеи, цифропечатающие, перфорирующие и считывающие устройства, графопостроители и т. д.), об служивающие все ЭВМ. При такой организации ИЦ ста ли крупными системами сбора, накопления, обработки и представления экспериментальных данных в заданной форме.

Обязательным их атрибутом были измерительные стан ции или измерительные места (ИМ), число которых дохо дило до нескольких десятков. Размещенные за мощной биологической защитой, они располагались вблизи объек тов исследований. Такие станции относились к системам переднего плана, с помощью которых осуществляется сбор, сортировка и обработка сигналов детекторных уст ройств.

В их состав входили усилители, формирователи, ди скриминаторы, кодировщики номера детектора, разнооб разные устройства как двоичного, так и десятичного счета, а также различные таймеры, АЦП, измерители интерва лов времени и т. п. Из них можно организовать разнооб разные варианты измерительных систем для решения любых исследовательских задач в ядерной физике. Экс периментальные исследования, которые реализуют много численные методики измерений, определяют состав элек тронных средств ИМ.

Наиболее масштабно использовались различные вари анты амплитудного или временного анализа. При комп лексных исследованиях и более сложных измерениях при меняется мультифакторный анализ той или иной направ ленности. Важно отметить, что дальнейшая эволюция и совершенствование интегральной элементной базы в виде многоразрядных суммирующих и арифметическо логи ческих устройств, разнообразных регистров, а также мик ропроцессорных средств и т. д. превратили ЭВМ (с ее до статочно приемлемой стоимостью) в необходимый атри бут измерительных систем.

Начался процесс децентрализации электронного обо рудования сбора и обработки экспериментальных данных.

В состав унифицированного ИМ начали включать мини ЭВМ, которые становились их основой. Бурное развитие микропроцессорной техники явилось решающим факто ром в становлении и широком распространении персональ ных компьютеров (ПК). Заменив мини ЭВМ, они практи чески завершили процесс децентрализации электронных средств в экспериментальных исследованиях.

Целая совокупность измерительных средств в виде раз личных дополнительных плат и интерфейсных структур вошли в ПК. Это привело к появлению компактных изме рительных систем с весьма размытыми границами между измерительной техникой и вычислительными средства ми. Некоторые разновидности данной техники, в состав которых были внедрены микропроцессорные средства, перешли в разряд электронных структур, получивших название интеллектуальных средств измерения.

15.2. МОДУЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ ЯДЕРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.

СТАНДАРТ NIM

Ядерно физические исследования в середине XX столе тия привели к интенсивному развитию как электронных методов ядерной физики, так и их электронных средств. Были освоены нано и субнаносекундные диапазоны в им пульсной технике, началось использование ЭВМ в прак тике экспериментальных исследований, появились новые решения по организации измерительных систем и т. д. Специалисты по ядерно физическим исследованиям рань ше, чем их коллеги из других областей науки и техники, пришли к мысли, что измерительная система должна со здаваться из стандартных электронных модулей.

Эта идея позволила физикам без детальных знаний электроники создавать сложные измерительные системы. Более того, изменение направления исследований не вы зывало необходимость разработки и создания новых элек тронных средств, поскольку изменялись лишь комплек тация и компоновка измерительных модулей в системе,

новленный уровень порога ИД превышает шумовую со ставляющую входных сигналов.

Регистрация распределений амплитуд детекторных сигналов в виде спектра осуществляется многоканальным амплитудным анализатором (МАА). Счетная информация, т. е. интенсивность излучения, фиксируется счетчиком. С помощью модульной электронной техники стандарта NIM выполняется линейная обработка детекторных сиг налов, т. е. их усиление, оптимальное формирование, сло жение и т. д. При этом сохраняется связь между утратой энергии частицей, зарегистрированной в детекторе, и ам плитудой сигнала при такой обработке.

Электронные модули осуществляют нелинейную обра ботку детекторных сигналов (дискриминацию, ограниче ние, фиксацию, пропускание и т. д.). Они ведут отбор сиг налов по заданному критерию (полярности, амплитуде, длительности и различных вариантов совпадений и анти совпадений и т. п.). Однако при этом связь между потеря ми энергии и амплитудой выходных сигналов в опреде ленной мере нарушается.

В качестве регистрирующей аппаратуры необходимо использовать тот или иной вариант МАА, а также различ ные пересчетные устройства. Электронная аппаратура та кого вида не имеет никакого отношения к данному стан дарту. Это можно считать одной из его особенностей. Сле довательно, электронные средства регистрации в виде МАА и пересчетных устройств стали главным рубежом, который ограничивает сферу действия принятого стандар та NIM.

Еще одной его особенностью является наличие шести высокочастотных (ВЧ) разъемов в исходном варианте спе циализированного разъема (см. рис. 80в). По нему в мо дуль подаются соответствующие напряжения питания. Реально ВЧ разъемы не использовались, поскольку их функция в стандарте NIM с самого начала не была пропи сана. Видимо, разработчики рассчитывали на расширение его функциональных возможностей, но не сделали этого. Впоследствии ВЧ разъемы удалили, оставив на их месте пустые отверстия.