[論文レビュー] Hardware Aspects, Modularity and Integration of an Event Mode Data Acquisition and Instrument Control for the European Spallation Source (ESS)

Thomas Gahl, M. Hagen+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2015

Nuclear Physics and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、欧州スパルセーションソース（ESS）向けのモジュラーでイベントモードのデータ取得および装置制御システムを提示する。このシステムは、EPICSおよび施設の絶対時刻同期システムと統合された標準化されたハードウェアインターフェースを備えている。すべての装置の測定値（メタデータを含む）にタイムスタンプを付与することで、実験固有の制御と診断が可能となり、パulsed中性子源環境下での、部品寄付型の貢献と完全装置統合の両方を支援する。

ABSTRACT

The European Spallation Source (ESS) in Lund, Sweden is just entering the construction phase with 3 neutron instruments having started in its design concept phase in 2014. As a collaboration of 17 European countries the majority of hardware devices for neutron instrumentation will be provided in-kind. This presents numerous technical and organisational challenges for the construction and the integration of the instruments into the facility wide infrastructure; notably the EPICS control network with standardised hardware interfaces and the facilities absolute timing system. Additionally the new generation of pulsed source requires a new complexity and flexibility of instrumentation to fully exploit its opportunities. In this contribution we present a strategy for the modularity of the instrument hardware with well-defined standardized functionality and control & data interfaces integrating into EPICS and the facilities timing system. It allows for in-kind contribution of dedicated modules for each instrument (horizontal approach) as well as of whole instruments (vertical approach). Key point of the strategy is the time stamping of all readings from the instruments control electronics extending the event mode data acquisition from neutron events to all metadata. This gives the control software the flexibility necessary to adapt the functionality of the instruments to the demands of each single experiment. We present the advantages of that approach for operation and diagnostics and discuss additional hardware requirements necessary.

研究の動機と目的

• 17カ国の欧州諸国による寄付型部品の統合における技術的および組織的課題に対処すること。
• 個々の装置部品の貢献（水平的アプローチ）と完全装置の統合（垂直的アプローチ）の両方を支援する、スケーラブルでモジュラーなハードウェアおよび制御アーキテクチャを設計すること。
• すべての制御エレクトロニクスからのタイムスタンプ付きメタデータを含むイベントモードデータ取得を拡張することで、パulsed中性子源環境下での正確な同期と柔軟な制御を実現すること。
• 信頼性の高い、装置間での同期動作を確保するため、ESS全体のEPICS制御ネットワークおよび絶対時刻同期システムとの互換性を保証すること。

提案手法

• 装置部品用に明確に定義された標準化された機能的および制御インターフェースを備えたモジュラーなハードウェアフレームワークの設計。
• すべてのデータおよびメタデータにマイクロ秒レベルの精度でタイムスタンプを付与できるように、すべての装置制御エレクトロニクスをESSの絶対時刻同期システムと統合。
• 中性子イベント検出を越えて、タイムスタンプ付きの制御信号、センサ値、設定データを含むイベントモードデータ取得の拡張。
• すべての装置部品の統合層としてEPICS制御システムを中央に位置づけ、相互運用性と集中監視を確保。
• 二重貢献戦略の定義：(1) 異なる機関からの個別モジュール（水平的）、(2) コンsortiumによる完全装置（垂直的）。
• すべての信号がタイムスタンプ付きである统一データモデルの実装により、動的再構成と適応的実験制御を可能に。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 17カ国の欧州諸国からの寄付型部品を、ESSの一つの同期化された中性子装置システムに効果的に統合するにはどうすればよいか？
• RQ2 パulsedスパルセーション源環境下で、柔軟でリアルタイムの制御とデータ取得を実現するためのアーキテクチャ的原則は何か？
• RQ3 すべての装置信号（非中性子のメタデータを含む）にタイムスタンプを付与することで、実験の適応性とシステム診断がどのように向上するか？
• RQ4 ハードウェアおよび制御インターフェースの標準化が、多様な装置部品間での相互運用性をどのように可能にするか？
• RQ5 EPICS制御システムおよびESSの時刻同期システムをどのように活用し、複数の装置にまたがるデータ取得と制御を統一的かつ同期的に統合できるか？

主な発見

• 提示されたモジュラーなアーキテクチャは、水平的（部品レベル）および垂直的（完全装置）な寄付型貢献の両方を効果的にサポートし、国際共同研究におけるスケーラブルな統合を可能にした。
• すべての装置信号、メタデータを含めてタイムスタンプを付与することで、制御ソフトウェアが実験固有の要件に応じて装置の動作を動的に適応可能にした。
• ESSの絶対時刻同期システムとの統合により、すべてのデータおよび制御信号がマイクロ秒レベルの精度で同期され、イベントモードデータ取得にとって不可欠な要因となった。
• EPICSフレームワーク内での標準化インターフェースの使用により、多様な装置部品間でのシームレスな相互運用性と集中監視が実現した。
• すべての装置状態と信号の完全で時間的に相関した記録が得られるため、システム診断が著しく向上した。
• モジュラー設計と標準化されたデータモデルのおかげで、将来的な装置のアップグレードや再構成が、大規模な再設計なしに可能となった。