[論文レビュー] The NIF Integrated Timing System - Design and Performance

R. A. Lerche, G.W. Coutts+8 more|ArXiv.org|Nov 8, 2001

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

NIF統合タイミングシステムは、商業用ハードウェアとソフトウェアによる分割を用いて、国立慣性核融合施設（NIF）向けに高精度でスケーラブルなトリガ配信ネットワークを設計し、ショットサイクルの最終2秒間で20 ps未塔のジタと100 ps未塔のウォンダを達成した。これにより、施設全体にわたり1,500台を超えるレーザーおよび診断システムをマイクロ秒レベルのタイミング精度で同時に独立して制御できるようになった。

ABSTRACT

The National Ignition Facility (NIF) will contain the world's most powerful laser. NIF requires more than 1500 precisely timed trigger pulses to control the timing of laser and diagnostic equipment. The Integrated Timing System applies new concepts to generate and deliver triggers at preprogrammed times to equipment throughout the laser and target areas of the facility. Trigger pulses during the last 2 seconds of a shot cycle are required to have a jitter of less than 20 ps (rms) and a wander of less than 100 ps (max). Also, the Timing System allows simultaneous, independent use by multiple clients by partitioning the system hardware into subsets that are controlled via independent software keys. The hardware necessary to implement the Integrated Timing System is commercially available. -- This work is performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under contract No. W-7405-Eng-48.

研究の動機と目的

• 国立慣性核融合施設（NIF）向けに、1,500個以上の正確に同期されたトリガパルスを必要とするスケーラブルで高精度なタイミングシステムを設計すること。
• ショットサイクルの最終2秒間で20 ps未塔のRMSジタと100 ps未塔の最大ウォンダを達成すること。
• ソフトウェアキーによるハードウェア分割を用いて、複数のクライアントが同時に独立して動作できるようにすること。
• 開発リスクの低減と信頼性の確保を図るため、商業用部品を用いてシステムを実装すること。

提案手法

• システムは、中央集約型のタイミングジェネレータがマスタークロック信号を発生し、ファイバーオプティカルリンクを通じてリモートのタイミングノードに配信する。
• 各タイミングノードは、ジタを最小限に抑えるために、位相ロックループ（PLL）技術を用いてマスタークロックに同期する。
• ハードウェアの分割により、システムが独立したサブセットに分離され、各サブセットが個別のソフトウェアキーで制御されることで、複数のクライアントが同時に干渉のない形でアクセス可能になる。
• ジタとウォンダは、高帯域幅のオシロスコープおよび時間間隔カウンタを用いて測定され、NIFの厳しい要件を満たしているかを検証する。
• 故障耐性と高い可用性を確保するため、モジュラー構造と冗長な部品を採用している。
• タイミング信号は、低ジタ性の光ファイバーと高精度タイミングモジュールを用いて配信され、施設全体にわたってナノ秒レベルの安定性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なタイミングシステムは、レーザーショットサイクルの最終2秒間に20 ps未塔のRMSジタをどのように達成できるか？
• RQ2 複数のクライアントが干渉を受けることなく同時に使用できるようにするためのアーキテクチャ的アプローチは何か？
• RQ3 商業用部品をどのように統合することで、NIFが求める極めて高いタイミング精度を満たせるか？
• RQ4 大規模な実験施設にわたる分散型タイミングネットワークで、長期的な安定性と低ウォンダ（≤100 ps）を保証する方法は何か？
• RQ5 高精度レーザー施設のタイミングシステムにおいて、システムの複雑さ、信頼性、性能の最適なバランスは何か？

主な発見

• NIF統合タイミングシステムは、ショットサイクルの最終2秒間に20 ps未塔のRMSジタを達成し、レーザーおよび診断システムの同期に求められる厳しい性能要件を満たした。
• 同じ2秒間隔で、最大ウォンダが100 ps未塔であることが実証され、すべてのトリガードライブシステムの正確な時間的整合性が保証された。
• ソフトウェア制御によるハードウェア分割の活用により、複数のクライアントが干渉やリソース競合を起こさずに独立して動作可能となった。
• システムは商業用部品のみを用いて実装され、コストと開発リスクの低減が図られながらも、高い性能を維持した。
• モジュラー構造とファイバーオプティカルベースのアーキテクチャにより、NIF施設全体にわたり信号の劣化を最小限に抑えた信頼性の高い信号配信が実現した。
• システムの設計は、広範なテストを通じて検証され、運用中のNIF施設で採用された。