ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 38-44
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ^^^^^^^^^^ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 533.9.07:53.089.2
СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ И СБОРА ДАННЫХ УСТАНОВКИ ГОЛ-3
© 2004 г. А. В. Бурдаков, А. Н. Квашнин, В. С. Койдан, В. В. Поступаев, А. Ф. Ровенских, А. Д. Хильченко
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 E-mail: V.V.Postupaev@inp.nsk.su Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
После доработки 01.09.2003 г.
На примере модернизации измерительного комплекса плазменной установки ГОЛ-3 рассматривается структура аппаратных и программных средств, разработанных для систем регистрации и сбора экспериментальной информации крупных импульсных электрофизических установок. Оборудование выполнено в каркасах механического стандарта "Евромеханика" 3U. Связь управляющих компьютеров с измерительным оборудованием осуществляется при помощи стандартных сетевых средств (интерфейс Ethernet-10/100 и протокол TCP/IP). В настоящее время начат перевод основных диагностик на измерения при помощи многоканальных синхронных систем сбора данных ADC1250/32.
1. ВВЕДЕНИЕ
Эффективность работы крупных электрофизических установок во многом зависит от состояния их систем регистрации и сбора экспериментальной информации (далее в тексте также называемых измерительным комплексом). Для установок, работающих в импульсном режиме, системы сбора данных должны иметь, помимо высоких метрологических качеств, еще и высокую надежность, поскольку возможность проведения повторных экспериментов в случае отказа какой-либо диагностической подсистемы зачастую ограничена или отсутствует. Срок службы таких установок обычно превышает 10 лет, и за это время происходит физическое и моральное старение того комплекса измерительной аппаратуры, который создавался вместе с установкой.
В данной работе рассматривается вариант построения системы регистрации и сбора данных, разработанный для установки ГОЛ-3 (ИЯФ СО РАН). На установке ГОЛ-3 (описание основных ее систем приведено в [1]) изучается быстрый нагрев плазмы релятивистским электронным пучком и ее последующее удержание в многопробочной магнитной ловушке. Диагностический комплекс установки ГОЛ-3 включает в себя различные методики для измерения параметров электронного пучка и плазмы (см., например, [2-6]). Диагностическая и управляющая аппаратура комплекса обслуживается электроникой, размещенной в ~40 крейтах КАМАК. Одним из условий, поставленных при разработке новой структуры и аппаратных средств измерительного комплекса, явилось требование обеспечения непрерывности работы, т.е. модер-
низация систем регистрации и сбора данных не должна была привести к изменению графика проведения экспериментов.
Далее будут кратко рассмотрены основные технические параметры установки и существовавшая на момент начала обсуждаемой работы структура измерительного комплекса (эти сведения приводятся, главным образом, для того, чтобы были понятны характер и структура экспериментальной информации и другие особенности эксперимента, имеющие отношение к построению системы сбора данных). В последующих разделах обсуждаются новая структура измерительного комплекса, реализованные аппаратно технические средства и программное обеспечение эксперимента.
2. ПАРАМЕТРЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И СТРУКТУРА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО
КОМПЛЕКСА УСТАНОВКИ ГОЛ-3
Установка ГОЛ-3 предназначена для исследований в области физики высокотемпературной плазмы и относится по характеру работы к классу импульсных электрофизических установок. Основные параметры эксперимента, определяющие, в том числе, требования к системе сбора данных: плотность плазмы 1020-1023 м-3, нагревающий плазму электронный пучок имеет энергию ~1 МэВ, ток до 30 кА, длительность ~8 мкс. В результате коллективной релаксации пучка плазма нагревается до электронной температуры в несколько килоэлектронвольт. В продольном направлении плазма удерживается многопробочным (гофрированным) магнитным полем с Ятях/Ятщ = 5.2/3.2 Тл, пе-
риодом гофрировки 22 см, при полной длине соленоида ~12 м. Характерное энергетическое время жизни плазмы после прекращения инжек-ции пучка составляет ~0.5 мс.
Указанные технические характеристики установки обусловили применение для регистрации экспериментальных данных широкополосной и быстродействующей измерительной аппаратуры, а также указали на необходимость учета при построении измерительного комплекса возникающих во время эксперимента импульсных электромагнитных и рентгеновских наводок (при поглощении электронного пучка с пиковой мощностью ~30 ГВт в приемнике-коллекторе возникает тормозное излучение с характерными энергиями фотонов в сотни килоэлектронвольт и с мощностью ~100 МВт).
Измерительный комплекс установки ГОЛ-3 в течение длительного времени строился на основе аппаратуры и крейтов КАМАК [7]. Это решение было типичным и наиболее распространенным для большинства крупных как отечественных, так и зарубежных электрофизических установок, создававшихся в 1980-1990 гг. Крейты КАМАК были помещены в экранированные боксы, имеющие достаточную защиту от импульсных электромагнитных наводок, в том числе по цепям питания, управления и синхронизации. Связь управляющей э.в.м. с контроллерами крейтов К0607 [8] осуществлялась по последовательным линиям связи на основе коаксиального кабеля типа РК-75, а для систем сбора данных нового поколения, которые будут обсуждаться позже, - на основе оптоволокна. Длина коммуникационных трасс, сопрягающих измерительную аппаратуру с управляющей э.в.м., зависела от места расположения экран-боксов и доходила до 100 м.
Функциональный состав аппаратуры измерительного комплекса определялся задачами и потребностями эксперимента. Наиболее массовыми приборами были регистраторы формы импульсных сигналов на основе быстродействующих аналого-цифровых преобразователей (а.ц.п.). Для обеспечения большей части диагностик использовались а.ц.п. с частотой дискретизации 20-50 МГц. Для фиксации сигналов, требующих более высокого временного разрешения (системы томсоновского рассеяния, измерение нейтронного и у-излучений), применялись 8-разрядные а.ц.п. с частотой дискретизации 100500 МГц. Часть систем использовала более медленные каналы регистрации. Помимо а.ц.п. диагностический комплекс включал в себя и ряд вспомогательных блоков (управляемые стабилизированные источники питания, таймеры, формирователи и т.п.).
По мере развития диагностических методик, особенно многоканальных, постоянно повышались и требования к характеристикам аппарату-
ры регистрации экспериментальных данных как по количеству измерительных каналов, динамическому диапазону (разрядности) а.ц.п. и по длине развертки (количеству измеряемых точек по времени), так и по синхронности многоканальных измерений. Частично эти проблемы решались заменой используемых модулей КАМАК на вновь разработанные модули с улучшенными метрологическими характеристиками.
Однако со временем стало очевидно, что система сбора данных комплекса ГОЛ-3 нуждается в качественных изменениях, связанных с потребностью использования во многих диагностических трактах синхронных измерительных подсистем с числом каналов не менее нескольких десятков, имеющих стандартные, достаточно быстрые каналы сопряжения с вычислительной техникой. Построение таких подсистем на основе модулей КАМАК сталкивалось с негибкостью системной магистрали крейта, приводящей к использованию большого числа внешних кабельных линий межмодульной связи, с низкой надежностью разъемных соединений крейта, а также с относительно малой скоростью межмодульной передачи данных. Применительно к ГОЛ-3, с ее сложившейся инфраструктурой, фактором, сдерживающим резкое увеличение числа трактов регистрации данных, были также габариты и энергопотребление крейтов КАМАК.
С учетом того, что модернизация измерительного комплекса установки ГОЛ-3 должна была проводиться параллельно с его эксплуатацией, было принято решение о поэтапном переводе имеющегося оборудования на стандартные оптоволоконные каналы связи Fast Ethernet и новые интеллектуальные крейт-контроллеры, а также о разработке функционально законченных многоканальных синхронных подсистем сбора данных универсального назначения, использующих конструктив "Евромеханика", в качестве управляющего ядра - встраиваемый процессорный модуль, а в качестве среды сопряжения с вычислительной техникой - Ethernet-FX и протоколы TCP/IP.
3. РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА НА НОВОЙ АППАРАТНОЙ БАЗЕ
При модернизации измерительного комплекса ГОЛ-3 в основу были положены принципы:
- простоты построения сложных распределенных измерительных комплексов на основе функционально выделенных многоканальных измерительных подсистем;
- гальванической развязки подсистем друг от друга и от вычислительной техники;
Рис. 1. Структура аппаратных и программных средств системы сбора данных.
- синхронной многоканальной регистрации сигналов в рамках отдельных подсистем и всего измерительного комплекса;
- построения на основе современной элементной базы широкодиапазонных а.ц.п. для всех измерительных трактов (минимум 12 двоичных разрядов);
- модульности построения подсистем регистрации;
- высокоскоростного обмена данными подсистем с вычислительной техникой, основанного на применении стандартных связных интерфейсов и протоколов;
- дистанционного управления оборудованием подсистем в рамках клиент-серверной технологии построения прикладного программного обеспечения;
- оптимизации технико-экономических характеристик новой аппаратуры.
В качестве базового конструктива для подсистем регистрации нового поколения был выбран конструктив "Евромеханика" с формфактором базового модуля 3U*4HP. Модульный принцип построения подсистем на основе архитектуры master-slave и специализированной системной магистрали (с одним ведущим - контроллером крейта) позволил устранить практически все указанные выше недостатки KAMAK и перейти к применению стандартных сетевых технологий для сопряжения с вычислительной техникой.
Обобщенная структурная схема построения подсистем регистрации нового поколения показана на рис. 1. Функц
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.