EuCARD-PUB European Coordination for Accelerator Research and Development PUBLICATION

Transkrypt

1 EuCARD-PUB European Coordination for Accelerator Research and Development PUBLICATION Advanced Electronic Systems for HEP Experiments, Astroparticle Physics, Accelerator Technology, FELs and Fusion; 2013 WILGA January Symposium (in Polish) Romaniuk, R S (Warsaw University of Technology) 04 June 2013 The research leading to these results has received funding from the European Commission under the FP7 Research Infrastructures project EuCARD, grant agreement no This work is part of EuCARD Work Package 2: DCO: Dissemination, Communication & Outreach. The electronic version of this EuCARD Publication is available via the EuCARD web site < or on the CERN Document Server at the following URL : < EuCARD-PUB

2 WILGA 2013 XXXII nd IEEE-SPIE Joint Symposium on Photonics and Web Engineering Advanced Applications of Photonic/Electronic Systems Astronomy and High Energy Physics Experiments Warsaw University of Technology Resort, WILGA, 27 May 02 June 2013 Organizers: WUT Faculty of Electronics and Information Technologies Institute of Electronic Systems (ISE) PERG/ELHEP Laboratories; SPIE Student Branches, IEEE Student Branches, In cooperation with: Photonics Society of Poland, SPIE Europe, CERN, IEEE Poland Section, Committee of Electronics and Telecommunications Polish Academy of Sciences, Polish Committee of Optoelectronics Association of Polish Electrical Engineers, EuCARD European Coordination of Accelerator Research and Development (FP7) Patronage Committee: Andrzej W. Domański, Jerzy Klamka, Ryszard S. Romaniuk - Symposium Chair, Jan Dorosz, Jerzy Szabatin, Tomasz R. Woliński, Grzegorz Wrochna, Grzegorz Pankanin, Krzysztof Poźniak Scientific Committee: Consists of professors attending the WILGA Symposium during particular year Aim and Publications: Research and experience exchange forum for young scientists, Ph.D., M.Sc. and B.Sc. students in international environment provided by IEEE and SPIE organizations. Peer reviewed papers published in the Proc. of SPIE series, International Journal of Electronics and Telecommunications by PAS and Elektronika by SEP Topical Scope: Research areas covered by IEEE and SPIE: Optics; Optoelectronics; Photonics; Electronics; Information Technologies; Automation and Robotics; Communications; Global Computation GRIDS; Mechatronics; System Integration: Electronics Mechatronics Photonics; Hardware Software Integration; Nanotechnologies; Microsystems and Large Systems; Applications in Astronomy, Biomedicine, Environmental and Municipal Systems, Industry and Research photonics@ise.pw.edu.pl 98 ELEKTRONIKA 3/2013

3 Zaawansowane Systemy Elektroniczne i Inżynieria Internetu WILGA luty 2013 prof. dr hab. inż. Ryszard S. Romaniuk Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych Cykl Konferencji dla młodych uczonych WILGA Konferencja WILGA zbudowała w ciągu ostatnich kilkunastu lat dobrą tradycję naukowych spotkań młodych uczonych. Cykl konferencji WILGA [wilga.ise.pw.edu.pl] Fotonika i Inżynieria Internetu, Zaawansowane Systemy Elektroniczne, pod patronatem IEEE, SPIE, KEiT PAN oraz WEiTI PW został zapoczątkowany w roku 1998 przez Zespół Naukowy PERG/ELHEP ISE PW. Konferencje odbywają się dwukrotnie w roku, a uczestnikami są młodzi uczeni z kraju i zagranicy. Prace konferencji publikowane są w czasopismach Elektronika, IJET-PAN oraz w serii Proc.SPIE. Do tej pory, z materiałów konferencji WILGA opublikowano kilka dedykowanych wydań czasopism naukowo-technicznych oraz kilkanaście tomów Proc. SPIE notowanych w bazach danych Elsevier-Scopus, Thomson-Reuters Web of Knowledge a także innych, jak Baz- Tech i Scholar Google. Materiały konferencji WILGA stanowią doskonały przegląd stanu młodej nauki w dziedzinie elektroniki i fotoniki w kraju, prezentowanej także na tle osiągnięć zagranicznych, a w szczególności osiągnięć doktorantów. W czasie konferencji zorganizowano kilka sesji tematycznych w zakresie Uczestnicy sesji Applications of Advanced Electronic Systems, 31 konferencji WILGA, WEiTI PW, 9 lutego Przed popiersiem prof. Janusza Groszkowskiego, patrona Wydziału Artykuł omawia wybrane nurty tematyczne i prace przedstawione na 31 konferencji WILGA [ która odbyła się w dniach 8-10 lutego 2013 na terenie WEiTI PW. W konferencji udział wzięło łącznie ponad 80 osób. Szczególnym zainteresowaniem na Sympozjum WILGA cieszą się zwykle referaty doktorantów pracujących na co dzień w wielkich laboratoriach badawczych, takich jak: CERN w Genewie, DESY w Hamburgu, PSI w Willingen, FermiLab pod Chicago, JeffersonLab w Newport News, JET w Culham, RAL pod Oxfordem i innych, jak ośrodki synchrotronowe w Europie, np. MaxLab w Lund. Omówiono szerzej tematykę inżynierii Internetu, osiągnięcia akceleratora LHC, elektroniki i informatyki biomedycznej oraz wybrane aspekty aplikacji zaawansowanych układów i systemów elektronicznych. Następna 32 konferencja WILGA odbędzie się w dniach 27 maja 02 czerwca 2013 r. w Ośrodku Pracy Twórczej PW Wilga pod Warszawą. Zgłoszenia prac: photonics@ise.pw.edu.pl. badawczym, w którym udział brali uczestnicy Sympozjum, między innymi: rozwój Internetowego systemu precyzyjnej dystrybucji czasu, o dokładności sub-nanosekundowej, dla celów budowy rozproszonych systemów kontrolno-pomiarowych, wyniki badawcze Kompaktowego Solenoidu Mionowego (CMS) oraz zagadnienia niezawodności i eksploatacji systemów elektronicznych dla CMS, postępy wielkich projektów akceleratorów przyszłości, takich jak ILC, CLIC oraz inicjatywa LCC Globalne Konsorcjum Akceleratora Liniowego, postępy terapii hadronowej, terapii wiązkami lekkich jonów, budowa maszyn w kraju, konsorcja Europejskie, zastosowania zaawansowanych systemów elektronicznych, postępy w wybranych obszarach inżynierii i informatyki biomedycznej. Elektronika 3/

4 Protokół czasu NTP, Precyzyjny Protokół Czasu PTP oraz jego rozszerzenie White Rabbit WRPTP Międzynarodowe standardy w dziedzinie elektroniki i telekomunikacji oraz technologii komputerowych podlegają okresowym przeglądom technicznym. Jest to oczywiście związane z szybkim postępem tych dziedzin i zmian zapotrzebowania nauki i rynku. Takiemu przeglądowi poddano ostatnio standard PTP (Precision Time Protocol) precyzyjnej transmisji czasu. Standard jest opisany między innymi w normie międzynarodowej IEEE W pierwszej wersji norma była opublikowana w roku 2002, a następnie rewidowana w roku W roku bieżącym (2013) podlega kolejnej rewizji. Wydaje się obecnie, że rewizje normy będą odbywać się co 5 lat. Protokół transmisyjny PTP jest stosowany oryginalnie do synchronizacji zegarów w sieciach komputerowych. Obecnie zastosowania te ulegają znacznemu poszerzeniu w kierunku rozszerzenia pierwotnej formuły Ethernetu poprzez zapewnienie, w pewnych przypadkach, transmisji nie typu Best Effort (jak w klasycznym Ethernecie gdzie miarą jakości jest wskaźnik QoS), ale deterministycznej. Klasyczny świat telekomunikacji nazywa ten kierunek rozwoju nie rozszerzeniem reguły Ethernetu, ale dodaniem usługi transmisji deterministycznej, lub usługi o bardzo dużej wartości QoS. A także usługi serwera czasu. W sieciach LAN otrzymywana jest dokładność synchronizacji w zakresie ns. Taka dokładność rozłożonego zegara sieciowego pozwala na budowę precyzyjnych systemów kontrolno-pomiarowych oraz sieci badawczych. Czy jest to jedynie usługa, jeśli mamy do czynienia z zupełnie nową jakością całej sieci? PTP jest kandydatem mogącym zastąpić klasyczny Internetowy protokół czasu. GPS nie jest zbyt praktyczny do wszystkich zastosowań sieciowych (koszt odbiornika we wszystkich węzłach oraz dostępność sygnału GPS w każdym węźle). To może się wkrótce zmienić, co oznacza, że GPS może być dominantą. Najstarszym jest NTP (Network Time Protocol) zapewniający koordynaty UTC (Coordinated Universal Time). NTP stosuje zmodyfikowany algorytm Marzullo (IA Intersection Algorithm), selekcji źródeł dla określenia dokładnego czasu z wielu zaszumianych źródeł czasu. Algorytm określa najmniejszy przedział czasu zgodny z największą liczbą źródeł. Następnie obliczany jest punkt centralny oraz offset wszystkich źródeł w przecięciu. Redukowany jest jitter wielokrotnych wykonań algorytmu. Zapewniana dokładność jest najwyżej na poziomie ms. Obecnie obowiązuje wersja NTPv4 z 2010 r. NTP używa protokołu UDP na porcie 123. Stosowane jest także uproszczona wersja SNTP. NTP jest inaczej używany w różnych SO. W Unix, protokół NTP jest implementowany jako demon. W MsWin, gwarancja dokładności czasu jest niewielka, rzędu 1s. Win XP i wcześniejsze posiada zaimplentowany SNTP i zawiera usługę czasu win32time synchronizująca zegar komputera do NTP. WinS2003 i nowsze posiadają implementacje pełnego protokołu NTP. NTP zawiera hierarchiczny warstwowy system zegarowy. Wiadomości PTPv1 są rozsyłane jako multicast. PTPv2 wprowadził możliwość rozsyłania unicast. PTP jest transportowany za pomocą IPv4 i został rozszerzony do IPv6. Jako system asynchroniczny Ethernet może pracować właściwie bez precyzyjnego zegara. Ethernet może oczywiście transmitować sygnał zegara, ale ta cecha nie jest standardowo wykorzystywana. Ethernet transmituje zegar w warstwie fizycznej i odbiornik musi potrafić odtworzyć ten sygnał. Synchroniczny Ethernet odtwarza sygnał zegara z transmitowanego kodu w łączu. W warstwie fizycznej Ethernetu jest stosowany kod 4B/5B (FE) lub 8B/10B (GE), co umożliwia efektywne odtworzenie zegara. Ethernet Synchroniczny SyncE jest standardem ITU-T oraz IEEE umożliwiającym transfer sygnału zegara w warstwie fizycznej Ethernetu. Taki sygnał odtworzony w zdalnej lokalizacji może być śledzony w sieci i synchronizowany do zegara zewnętrznego głównego i unikalnego zegara dla całej sieci. SyncE posiada pętlę synchronizacji fazy zamiast klasycznego zegara Ethernet. SyncE może być kompatybilny z SDH. Aplikacje 100 SyncE są powszechne: sieć komórkowa, IPTV, VoIP, PON itp. W sieci hybrydowej, wielosegmentowej, synchronizacja może być utracona, jeśli sygnał SyncE przechodzi przez wyspę Ethernetu klasycznego. IEEE 1588 jest rozwijany dla celów lokalnych systemów wymagających dokładności znacznie większych niż te zapewniane przez NTP i do tych zastosowań, gdzie sygnał GPS nie jest bezpośrednio dostępny. GPS zapewnia dokładność synchronizacji w zakresie kilkunastu ns. Standard IEEE 1588 opisuje architekturę dystrybucji sygnału zegara w hierarchicznym układzie master-slave. System dystrybucji czasu składa się ogólnie z kilku segmentów sieci oraz kilku zegarów (może być także jeden). Zwykły zegar jest połączony z siecią pojedynczym łączem i może pracować jako master (źródło synchronizacji) lub slave (obiekt synchronizacji). Zegar brzegowy łączy kilka sieci i działa jako mostek synchronizacyjny. Zegar typu master jest wybierany dla każdego segmentu sieci. Centralny zegar odniesienia w segmencie sieci jest nazywany super-master (grandmaster). W uproszczonym protokole SPTP nie stosuje się zegarów brzegowych. Wszystkie zegary w sieci są synchronizowane bezpośrednio do zegara super-master. Wybór zegara dokonywany jest z użyciem algorytmu BMCA (Best Master Lock Algorithm). Algorytm posiada strukturę hierarchiczną i bazuje na właściwościach: P1, C, A, V, P2, UI. Zegar główny okresowo rozsyła wiadomości czasu do wszystkich zegarów (do 10 razy na sekundę dla IEEE1688v2-2008). Synchronizacja wymaga od zegarów określenia indywidualnego czasu przejścia sygnału w sieci. Czas ten jest określany przez wymianę sygnałów pomiędzy zegarem zdalnym i głównym. Znając wartość offsetu, zegar lokalny koryguje czas do zegara głównego. Założeniem jest, że offset nie zmienia się zbyt szybko i że jest symetryczny względem kierunku transmisji sygnału, oraz że czas mierzony jest przez wszystkie zegary prawidłowo. Wymienione czynniki ograniczają dokładność synchronizacji w segmencie sieci taktowanym przez główny zegar. IEEE 1588v2 posiada cechy opcjonalne stanowiące podstawę rozwoju: zmiana skali czasu, tworzenie klastrów zegarów głównych, zmiana zegara głównego, transmisja unicast z zegarem głównym, śledzenie ścieżki sygnałowej itp. White Rabbit (WR) jest projektem angażującym szereg firm, organizacji i instytucji naukowych. Został zainicjowany przez CERN/Genewa i GSI/Darmstadt oraz kilku partnerów ze świata akademickiego i przemysłu, w tym Politechnikę Warszawską (Instytut Systemów Elektronicznych). Celem jest otrzymanie synchronizacji sub-nanosekundowej w sieci Internet z wykorzystaniem technologii Synchronicznego Ethernetu (SyncE) oraz protokołu PTP IEEE 1588 i dodatkowo techniki śledzenia fazy DMTD (Dual Mixing Time Difference). WR jest kandydatem na rozszerzenie/zmodyfikowanie standardu IEEE Być może będzie to 1588v3. lub raczej WRPTP. WR rozszerza PTP poprzez wprowadzenie zwrotnego kanału sprzężenia dla synchronizacyjnych sygnałów PTP w celu dokładnego pomiaru czasu transmisji sygnału pomiędzy zegarami w obu kierunkach, ustalenia offsetu zegarów oraz ich wyrównania fazy. Aplikacje WR obecnie są planowane i realizowane dla kompleksów akceleratorowych LHC w CERN oraz FAIR w GSI, a także w DESY dla E-XFEL, w Cadarache dla tokamaka ITER, dla fotonowych, neutrinowych i cząsteczkowych sieci teleskopów kosmicznych. Istniejąca aplikacja to system timingu dla eksperymentu neutronowego CERN Gran Sasso, a najbliższa planowana do oddania w końcu 2013 r. to CERN APD Anti-Proton Decelerator. WR jest projektem o charakterze Otwartego Sprzętu [ Ostatnio WR jest przedmiotem intensywnej komercjalizacji. W sieci Ethernet WR czas jest określany przez zegar główny synchronizowany do zegara atomowego przy pomocy odbiornika GPS. Komponentami sieci są przełączniki i węzły WR. WR jest w pełni kompatybilny z GbE. System DMTD służy do pomiarów zegarów syntonicznych. Mierzona jest faza sygnału z precyzyjnych źródeł częstotliwości. Mierzony jest niski poziom szumów koherentnych systemu, poniżej dla 1s bez uśredniania lub kros-korelacji fazy, dla kilku zegarów o tej samej częstotliwości nominalnej. Kros-korelacja ob- Elektronika 3/2013

5 niża ten poziom o ponad rząd wielkości. Rozdzielczość pomiarów może być na poziomie fs, dla kilkuhercowej częstotliwości dudnienia w obszarze RF. System DMTD posiada dwa moduły mieszaczy, każdy z podwójnym mieszaczem. Wejścia mieszaczy są RF i offset LO, a wyjścia z filtrem dolnoprzepustowym. Sygnały wyjściowe są wzmacniane i podawane na detektory przejścia przez zero. Wytwarzane są sygnały startu i stopu dla modułów liczników określających dwa przedziały czasu. Sygnały offsetu LO są generowane przez bezpośredni syntezator cyfrowy DDS (Direct Digital Synthesizer), korzystający z częstotliwości odniesienia (10 MHz). System DMTD pomiaru zegarów wykorzystuje technikę heterodynową do poprawy rozdzielczości pomiaru, połączoną licznikiem odcinka czasu w celu pomiaru względnej fazy zdudnianych sygnałów z dwóch mieszaczy zasilanych ze wspólnego odniesienia offsetu. Porównywane są bardzo dokładnie zegary o takich samych nominalnych częstotliwościach. Wielokanałowy system DMTD posiada dodatkowe wzmacniacze buforowe i mieszacze oraz znaczniki czasu przejścia przez zero sygnałów dudnienia dla każdego kanału. Taki układ pozwala na wzajemne porównanie dwóch dowolnych zegarów (np. w sieci) spośród ich większej liczby. Sprzęt WR jest obecnie testowany pod względem niezawodności, możliwości rozwoju, skalowalności, automatyzacji testowania itp. (M. Lipiński, M. Rybiński, CERN i PW). Niezawodność systemu WR jest zapewniana przez redundancję topologiczną (sprzętową, z szybkim przełączaniem ścieżek), oraz odporność danych na błędy połączoną z samonaprawialnością poprzez korekcję błędów w przód FEC (Forward Terror Correction). Testowanie sprzętu WR powinno automatyczne, wysoce powtarzalne, elastyczne, adaptowalne i skalowalne. Podczas testów weryfikowana jest funkcjonalność standardowa i rozszerzona, zakres konfigurowalności, standardowa zgodność z normą, odporność na nominalne i ponad nominalne obciążenie sygnałowe i fizykochemiczne, termiczne, elektrofizyczne i środowiskowe, podatność nominalna na modernizacje oprogramowania i rodzaju sygnałów we/wy. Testy wykonywane są w modach czarnej i białej skrzynki. Odpowiednio, dla metody ślepej: funkcjonalność bez wiedzy o strukturze, zapewnienie wejść testowych właściwych i niewłaściwych i weryfikacja wyjść oczekiwanych. Dla metody otwartej: funkcjonalność z wiedzą o strukturze, wybór wejść dla otrzymania określonych wyjść, randomizowany test wejściowy. Testowane są warstwy OSI: 1-fizyczna (połączenia elektryczne, prawidłowość topologii logicznej), 2-łącza danych (przełączanie ramek, tworzenie topologii wirtualnych VLAN, funkcje STP), 3-sieciowa (routowanie wewnętrzne VLAN, routowanie statyczne, przełączanie VRRP). Do testów stosowana jest biblioteka Pyton Unitest. Biblioteka wspiera: automatyzację procedur testowych, inicjację i zamykanie kodów testujących, agregację testów indywidualnych w kolekcje, oraz niezależność testów od warstwy raportów. Narzędzia testujące obejmują Scapy do manipulacji transmitowanych ramek i pakietów o różnych protokołach, przechwytywania i wstrzykiwania pakietów do sieci, dekodowania standardowych protokołów, oraz Web GUI do zarządzania systemem. Sieci z precyzyjną dystrybucją zegara są wykonywane w technologii bezprzewodowej i światłowodowej [1 19]. W kraju prowadzono szereg eksperymentów w tym zakresie, np. we współpracy z CERN. Prowadzono także oryginalne prace, np. dotyczące dostarczenia sygnału zegara atomowego pomiędzy certyfikowanymi laboratoriami. Prace takie są prowadzone m.in. w AGH (prof. M. Lipiński) we współpracy z CBK i IŁ. Dokumentacja WRPTP jest dostępna w sieci Internet w zakresie oprogramowania i otwartego repozytorium sprzętu [20 21]. Trzy lata aktywności LHC wielkiego zderzacza hadronów, elektronika dla systemów HEP Młodzi uczeni z ISE PW biorą udział w rozwoju i eksploatacji akceleratora LHC oraz jego detektorów. W połowie lutego 2013 r. akcelerator LHC został wyłączony po trzyletnim okresie działalności (przerwanym wypadkiem z niesprawnym elektrycznym połączeniem nadprzewodzącym dużej mocy).akcelerator podejmie pracę ponownie w roku 2015 ze zdwojoną energią zderzenia protonów, wynoszącą 7 TeV na wiązkę. Najważniejszym wynikiem było ogłoszenie w dniu 4 lipca 2012 r. odkrycia nowej cząstki, która jest najprawdopodobniej przewidzianym teoretycznie i poszukiwanym bozonem Higgsa. Bozon ten jest ekspresją wszechobecnego pola Higgsa nadającego materii barionowej (i niebarionowej) masę. W czasie pierwszego okresu działania akceleratora i jego detektorów zgromadzono setki petabajtów surowych, trygerowanych danych pomiarowych. Eksperymenty CMS i ATLAS zgromadziły po ok. 30 odwrotnych femtobarnów danych. W tym 5 fb -1 w 2011 r. i rekordowe 23 fb -1 w roku Odkrycie bozonu Higgsa zostało ogłoszone po analizie ok. 12 fb -1 danych. Pełna analiza tych i dodatkowych danych nie jest możliwa w całości on-line. Analizy danych będą wykonywane w sposób ciągły. Odwrotny femtobarn (1 barn=10-28 m 2 = 100 fm 2 barn nie jest jednostką SI) jest miarą efektywności zderzeń wiązek cząsteczkowych na jeden fem-, tobarn powierzchni przekroju poprzecznego celu. Jest wygodną jednostką zintegrowanej w czasie jasności. W czasie długiej przerwy technicznej cały kompleks akceleratorowy w CERN będzie podlegał modernizacji. W pracach nad konstrukcją i eksploatacją detektora CMS bierze udział zespół warszawski z IFD UW, NCBJ oraz ISE PW. W eksperymencie ALICE bierze udział grupa z WF PW. W konstrukcji i eksploatacji detektora ATLAS bierze udział zespół z Krakowa, UJ, AGH i IFJ PAN. Zespół z ISE Politechniki Warszawskiej uczestniczy od roku 1995 w pracach Eksperymentu CMS Kompaktowy Solenoid Mionowy przy akceleratorze LHC w CERN. Z inicjatywy Zespołu, Politechnika Warszawska posiada status Associeted Member of the CMS Collaboration. W tym okresie czasu Zespół zrealizował, we współpracy z Wydz. Fizyki UW, kilka generacji systemu pomiarowego trygera mionowego TRIDAQ obejmującego sprzęt i oprogramowanie. Na ten temat napisano ponad 100 artykułów opublikowanych przez Zespół w czasopismach i na konferencjach międzynarodowych. Ponadto powstało w tym okresie ponad 40 prac magisterskich i inżynierskich, 3 prace doktorskie, 1 praca habilitacyjna a także 3 książki. Rozłożony system pomiarowy opracowany na potrzeby trygera mionowego adaptowano do innych eksperymentów, np. FLASH w DESY w Hamburgu, JET w Culham, oraz do zastosowań przemysłowych (oczyszczalnia ścieków Czajka w Warszawie). Ukoronowaniem działań jest współautorstwo członków Zespołu (R. Romaniuk, K. Poźniak, W. Zabołotny, G. Kasprowicz) w dwóch fundamentalnych publikacjach, nazywanych w literaturze światowej Higgs Discovery Papers [22 23]. Perspektywy badawcze i odkrywcze akceleratora LHC i jego detektorów są znaczne. Obecnie jest to jedyne takie narzędzie na świecie o tej skali. I pozostanie takim przez najbliższą dekadę, jeśli nie dłużej. Te perspektywy odkrywcze obejmują potencjalnie, od roku 2015: odkrycie ciężkich cząstek elementarnych supersymetrycznych, odkrycie istoty czarnej materii i czarnej energii itp. Dwa wielkie projekty akceleratorowe o skali przewyższającej LHC, planowane w ciągu najbliższych dwudziestu lat, to ILC Międzynarodowy Zderzacz Liniowy do którego budowy przymierza się kilka państw. Lokalizacja nie jest jeszcze zdecydowana, ale największe szanse ma Japonia. Drugim projektem jest CLIC Compact Linear Collider rozwijany i planowany w CERN, jako następca LHC. Pomiędzy projektami CLIC i ILC (oba liniaki) istnieje silna synergia i nie wiadomo obecnie, czy nie wybrany zostanie tylko jeden z nich. ILC bazuje na technologii SRF typu TESLA, gdzie częstotliwość fali nośnej (akceleracyjnej) wynosi 1,3 GHz, a zasilanie jest z klistronów megawatowych. Zderzacz kompaktowy CLIC pracuje w układzie dwuwiązkowym, z wiązkami zasilającą oraz akceleracyjną o częstotliwości obecnie 12 GHz (poprzednio 30 GHz). CLIC jest testowany w technologii ciepłej (tzn. nie nadprzewodzącej). W jeszcze dalszej perspektywie badawczej mówi się o zderzaczu mionowym oraz fabryce neutrin. Projekty ILC oraz CLIC mają wspólne cele, ale stosują zupełnie odmienne technologie. W lutym 2013 r. w czasie spotkania w narodowym laboratorium TRIUMF w Vancouver zespoły badawcze Elektronika 3/

6 zgrupowane wokół projektów ILC oraz CLIC postanowiły połączyć wysiłki we wspólnej organizacji o charakterze globalnym. LCC (Linear Collider Collaboration) Konsorcjum Zderzacza Liniowego ma podjąć intensywną inicjatywę budowy zderzacza następnej generacji o charakterze globalnym. Taki zderzacz powinien powstać, zgodnie z opinią Konsorcjum w najbliższym dwudziestoleciu jako jedyne takie urządzenie w skali globu. Inicjatywa jest prowadzona w ramach działania ICFA (International Committee for Future Accelerators) Międzynarodowego Komitetu Akceleratorów Przyszłości. Konsorcjum LCC posiada trzy sekcje: ILC, CLIC oraz P&D Fizyki i Detektorów. ILC przygotowuje dokument TDR (Raport Techniczny Projektu) do publikacji w połowie 2013 r. ILC jest obecnie najbardziej zaawansowanym projektem Wielkiego Zderzacza Liniowego. CLIC przewiduje opublikowanie dokumentu TDR w ciągu najbliższych kilku lat. Celem TDR-ILC jest przygotowywanie możliwej budowy maszyny, kreowanie postępu w technologiach akceleracji cząstek oraz optymalizacja projektu. Celem projektu CLIC jest badanie konfiguracji akceleratora dwuwiązkowego, z wiązką zasilającą i wiązką akceleracyjną. Celem projektu P&D jest połączenie wysiłków projektów ILC i CLIC w kierunku budowy nowych detektorów wykorzystujących synergię tych dwóch do tej pory odrębnych kierunków działań. Odkrycie nowej cząstki o masie 126 GeV przez Wielki Zderzacz Hadronowy jeszcze bardziej wzmocniło potrzebę budowy Wielkiego Zderzacza Liniowego. Po pierwsze, konieczne są znacznie dokładniejsze pomiary właściwości nowej cząstki i potwierdzenie jej natury bozonowej jako brakującego elementu Modelu Standardowego. Wielki Zderzacz Liniowy operujący na elektronach i pozytonach daje możliwość znacznie dokładniejszych pomiarów w mniej zaszumianym środowisku cząstek elementarnych (w odróżnieniu od złożonych z kwarków zderzeń hadronów). W chwili obecnej nie ma jeszcze wyraźnej inicjatywy rozpoczęcia budowy Wielkiego Zderzacza Liniowego. Taka silna inicjatywa może jednak narodzić się w ciągu najbliższych 10, a może nawet 5 lat. Zależeć to może od dalszych wyników eksperymentu LHC, który ma wznowić działania w roku Rozwój terapii hadronowej Ubocznym, lub lepiej równoległym, poważnym osiągnięciem tych wielkich badań, technologii i technik akceleracyjnych jest znaczny postęp w dziedzinie hadronowej terapii medycznej. W przypadku naświetlania wiązką protonową czy jonami węgla możliwe jest znacznie dokładniejsze zlokalizowanie i ograniczenie miejsca wydzielenia energii promieniowania jonizującego, w porównaniu z tzw. nożem gamma. W przypadku radioterapii rentgenowskiej i gamma znaczna część energii wydziela się na powierzchni obiektu. W przypadku terapii lekkimi jonami, cząstki o różnych energiach o maksimum Bragga na różnych głębokościach są stosowane w celu działania na cały obszar nowotworu. Tkanka zlokalizowana głębiej od piku Bragga nie otrzymuje żadnej dawki promieniowania. Tkanka zlokalizowana przed maksimum piku Bragga otrzymuje dawkę minimalną nazywaną SOBP (Spread-Out Bragg Peak). Protony czy jony węgla niszczą DNA w komórkach nowotworowych, w sposób bardziej skuteczny (zrywają podwójną helisą zamiast pojedynczej) niż promieniowanie rentgenowskie. Powoduje to zniszczenie komórek lub dezaktywację ich możliwości namnażania się. Komórki nowotworowe, ze względu na zwiększoną szybkość podziału i zmniejszoną zdolność regeneracji, są bardziej podatne na zniszczenie DNA. Wiązka protonowa jest słabo rozpraszana poprzecznie podczas pasażu przez tkankę. Tkanki z boku pozostają nieuszkodzone. Protony o ustalonej energii posiadają ściśle określony zasięg w tkance. Tylko residualne penetrują nieco głębiej. Maksymalna dawka wydzielona w tkance następuje na drodze kilku mm przed ich zatrzymaniem. To maksimum jest nazywane pikiem Bragga. Akceleratory do terapii generują wiązki protonowe o energiach w zakresie MeV, co daje penetracje we wszystkich obszarach ciała człowieka. Obecnie na świecie prowadzone są badania nad porównaniem skuteczności terapii protonowej i lekkimi jonami w z innymi 102 terapiami. Terapia protonowa aby być skuteczną, wymaga bardzo dokładnej kompensacji ruchów pacjenta, włączając ruchy przypadkowe, mimowolne i życiowe, fizjologiczne. Dawkowanie wiązki musi być zsynchronizowane z ruchami fizjologicznymi oddychaniem, biciem serca itp. Terapia protonowa jest znacznie droższa niż każda inna metoda. Wymaga wielkich inwestycji, obecnie rzędu 0,5 mld zł. W Europie utworzono Sieć Terapii Hydronowej ENLIGHT (European Network for Light ion hadron therapy). Skupionych jest 300 partnerów z dwudziestu krajów europejskich [enlight.web.cern. ch]. ENLIGHT jest multidyscyplinarną platformą ukierunkowaną na koordynację badań europejskich w dziedzinie lekkich wiązek jonowych. Powstało także konsorcjum o nazwie Unia ULICE (Union of Light Ion Center in Europe). ULICE gromadzi centra terapii jonami węgla. Szereg europejskich krajów już posiada lub buduje duże centra terapeutyczne: Włochy, Niemcy, Francja, Szwajcaria, Francja, Szwecja, Anglia. W Polsce Narodowe Centrum Radioterapii Hydronowej jest budowane w krakowskich Bronowiczach. Termin uruchomienia wyznaczono na 2014 r. Źródłem wiązkowego promieniowania protonowego będzie cyklotron. ULICE jest projektem zbudowanym wokół trzech filarów: JRA skupionych na rozwoju instrumentów, infrastruktury i protokołów; NA sieci doskonałości w celu wzrostu współpracy pomiędzy ośrodkami dysponującymi adekwatnym sprzętem oraz społecznością badawczą zainteresowaną wykorzystaniem infrastruktury, oraz TA dostęp ponadnarodowy, którego celem jest ułatwienie badaczom użycia zasobów sprzętowych do badań radiobiologicznych i eksperymentów fizycznych oraz w zakresie inżynierii materiałowej [cern.ch/ulice]. Osobną kategorią terapii z wiązkami cząsteczkowymi jest terapia wiązką elektronową. Wiązka elektronowa jest produkowana w medycznym akceleratorze liniowym. Dokładnie taka sama konstrukcja maszyny jest używana do produkcji wiązki fotonowej. Wiązka elektronowa jest wówczas używana do generacji wiązki fotonowej na tarczy, podobnie jak w lampie rentgenowskiej. Wiązka elektronowa jest skupiana przy pomocy soczewek elektrycznych w aplikaturze a rentgenowska wiązka fotonowa przy pomocy soczewek optycznych lub przesłon. Również odrębną kategorią terapii wiązkami cząsteczkowymi jest terapia z wychwytywaniem neutronów NCT (Neutron Capture Therapy). Terapia jest procedurą dwuetapową. Pacjentowi podawany jest dożylnie środek silnie selektywnie gromadzony przez nowotwór z jonami podatnymi na wychwytywanie neutronów. Zdolność gromadzenia jest kilka rzędów wielkości większa niż wodoru, tlenu i azotu, czyli głównych składników tkanek. Następnie pacjent jest naświetlany neutronami epitermalnymi (o energii w zakresie ok. 1 ev 10 kev ze względu na głębokość penetracji), wychwytywanymi skutecznie np. przez nie radioaktywny Bor- 10. Terapia ta jest nazywana powszechnie w medycynie nuklearnej jako BNCT. Bor-10 po wychwyceniu neutronu, o odpowiedniej energii, podlega chwilowej transformacji w Bor-11, który rozpada się na wysokoenergetyczną cząsteczkę alfa oraz Li-7, a wydzielona energia wynosi 2,31 MeV. Cząsteczki alfa oraz jony litu silnie jonizują materię w okolicy miejsca reakcji. Wymiar geometryczny tego obszaru silnej jonizacji wynosi do ok. 10 mikrometrów, a więc jest współmierny z wymiarem komórki. Osiągane dawki są rzędu kilkudziesięciu Gy dla obszarów zmienionych nowotworowo i zależą od równomierności rozkładu stężenia boru w zmienionej tkance. Skuteczność terapii BNCT zależy od zdolności selektywnego dostarczania i selektywnego gromadzenia oraz równomierności rozkłady odpowiedniej ilości jonów boru przez nowotwór. Jeśli otaczające tkanki nie gromadzą Boru-10, to są oszczędzane. Część neutronów jest przechwytywana przez wodór i azot zdrowych tkanek. Używane środki do transportu boru, poprzez iniekcje dożylne, do miejsca lokalizacji nowotworu są BSH oraz BPA. Aplikacje systemów elektronicznych Główną specjalnością Sympozjum WILGA są aplikacje zaawansowanych systemów elektronicznych. Zaawansowanie polega tutaj na obecności złożonego, wielowarstwowego obszaru programistyczne- Elektronika 3/2013

7 go obejmującego komunikację, procesory operacyjne i sygnałowe, logikę, system operacyjny i panele operatorsko-użytkowe (software, firmware, C++, VHDL, html itp.). Na ogół sprzęt jest standaryzowany i po prostu zapewnia jedynie niezbędne zasoby do realizacji skomplikowanych funkcji systemowych. Oprócz tego, mimo ograniczonych zasobów, sprzęt dokonuje zazwyczaj bardzo złożonych operacji funkcjonalnych DSP. Poniżej omówiono kilka wybranych przykładów takich aplikacji przedstawionych w czasie sympozjum. W firmach telekomunikacyjnych, obsługujących znaczną liczbę abonentów, np. takich jak UPC, Orange i innych, znaczna ilość sprzętu wraca od użytkownika do serwisu firmowego w celu regeneracji. Automatyzacja procesu jest niezbędna dla znacznego obniżenia kosztów sprzętu (M. Batok). Po regeneracji, która jednostkowo powinna być tania i zabierać mało czasu, a więc wysoce standaryzowana, sprzęt wraca ponownie do innego użytkownika. Sprzęt użytkownika, określany terminem CPE (Customer Premise Equipment), obejmuje najczęściej różnego rodzaju standaryzowane modemy i routery. Rodzajów różnego sprzętu jest znaczna ilość. Proces regeneracji (odnowienia) sprzętu obejmuje: testowanie urządzenia powracającego od użytkownika, identyfikacja problemów, określenie opłacalności reperacji, reperacja głównie na poziomie oprogramowania, certyfikacja sprzętu jako zdatnego do dalszego użytku jako nowy. Parametrami tych procesów są: jakość, ilość, elastyczność, automatyzacja oraz czas i koszt. Na ogół sprzętowi nie towarzyszy dokumentacja producenta. Ponadto sprzęt stosuje różne interfejsy komunikacyjne jak snmp, telnet, http oraz usługi Web. Taki sam sprzęt może posiadać różne wersje i generacje oprogramowania. Te warunki narzucają znaczne wymagania na aplikację testującą sprzęt i oprogramowanie. Pomiędzy testowanym sprzętem komunikacyjnym występują także znaczne podobieństwa, takie, jak: połączenie z PC przez Ethernet, Wi-Fi, USB, połączenie internetowe jest wg standardu xdsl, FTTx, HSPDS, wszędzie występują funkcjonalności USB, sprzęt posiada możliwość upgrade firmware oraz powrót do ustawień fabrycznych. Proces badania CPE, w rozumieniu sprzęt i oprogramowanie, składa się z trzech części: definicja CPE, implementacja CPE oraz testowanie. Definicja zawiera np. określenie rodzaju interfejsów, wybór procedur testowych, generacja szkieletu instancji kodu. Implementacja zawiera: generację kodu testującego i wybór wspierających bibliotek. Testowanie przebiega według scenariuszy: np. czarnej lub białej skrzynki oraz wyboru funkcji przez operatora. Standaryzacja procedur testowania CPE ułatwia cały proces renowacji sprzętu abonenckiego. Edytor testów CPE tworzy aplikację urządzenia, projektuje i zmienia procedurę testową, generuje wzorzec kodu ułatwiający fazę programowania, stosuje konfigurację bazująca na XML, używa języka Java do programowania. Można określić najczęściej używane architektury: router o ustalonym zestawie funkcji, modem USB o funkcjach zależnych od sterowników urządzenia, dowolna o wszystkich funkcjach definiowanych indywidualnie. Testy są wykonywane np. w kolejności: on/off, LED i przyciski, reset fabryczny, ADSL, dostęp internetowy ping i http, porty Ethernet, USB, VIP, WiFi. Testy są umieszczone w panelu testera. Zaletą jest separacja testowania od platformy sprzętowej. Dane masowe z licznych testów są przydatne do opracowywania statystyk zachowania urządzeń. Przykładem przenośnego testera diagnostycznego systemów elektronicznych jest budowany w ISE miniaturowy terminal wykorzystujący procesor ARM (L. Kinasiewicz, G. Kasprowicz). Jest to terminal zorientowany diagnostycznie. Posiada prosty interfejs użytkownika, programowalną pięcioprzyciskową klawiaturę z podstawowymi komendami linuxa, porty USB, UART, I 2 C oraz RS232, niewielki tekstowy display kolorowy o wymiarze poniżej 3 cali. Jego cechą jest niski koszt i niewielkie wymiary. Zastosowania obejmują systemy bez wyjścia wideo, systemy gdzie nie ma miejsca na duży wyświetlacz LCD, oraz systemy wbudowane. Jako MCU wybrano STM32F103, display TFT 262K Maritex 2,5 z wbudowanym sterownikiem z pamięcią RAM. Taki kieszonkowy tester oddaje nieocenione usługi w czasie pracy z dużymi rozproszonymi systemami elektronicznymi. Pozwala wpiąć się w system i ze zdalnej lokalizacji testować wiele lokalnych funkcjonalności. W czasie sympozjum przedstawiono kilkadziesiąt różnych praktycznych rozwiązań systemów elektronicznych dla rzeczywistych zastosowań. Rozwiązanie te są na ogół wykonywane w ramach prac dyplomowych inżynierskich i magisterskich. Większość cechuje silne powiązanie warstwy sprzętowej i zaawansowanej warstwy programistycznej, oto kilka z takich urządzeń: Interaktywna tablica ze wskaźnikiem laserowym i kamerą CMOS, Moduł FMC z procesorami DSP, Testowanie funkcjonalności i obciążeń urządzeń standardu WR, Optymalizacja implementacji algorytmów VHDL (HLPL) w FPGA, Kamera omni-kierunkowa czasu rzeczywistego, Uniwersalna baza masowych ilości danych dla telemetrii, Wydajne systemy do celów gromadzenia energii ze środowiska oraz systemy minimalno-energetyczne, Ultra-wydajne akceleratory obliczeniowe dla PC na FPGA, Praktyczne układy elektroniki motoryzacyjnej: detekcja zamkniętych oczu kierowcy, detekcja braku ruchu kierowcy, akcelerometr wielopunktowy. Sympozjum Młodych Uczonych WILGA prowadzone jest w języku angielskim. Prace są publikowane także po angielsku i dostępne w globalnych bazach danych bibliograficznych jak Scopus oraz Web of Knowledge. Sympozjum jest forum wymiany doświadczeń badawczych i organizacyjno-logistycznych dla uczestniczących w nim młodych uczonych. Od kilkunastu lat cieszy się niezmienną popularnością, także ze względu na udział gości zagranicznych, na ogół członków dużych konsorcjów badawczych w obszarze fizyki wysokich energii, astronomii, medycyny nuklearnej itp. Organizatorzy Sympozjum WILGA 2013 zapraszają młodych uczonych do aktywnego udziału w tym znakomitym spotkaniu młodej nauki. Literatura [1] Romaniuk R.: Ewolucja telekomunikacji światłowodowej w kierunku pasma L. Elektronika, vol. 42, nr. 5, str (2001). [2] Romaniuk R.: Rozwój telekomunikacji światłowodowej w kraju. Elektronika, vol. 43, nr. 5, str (2002). [3] Romaniuk R.: Inteligentne sieci optyczne. Elektronika, vol. 43, nr. 10, str (2002). [4] Romaniuk R.: Ścieżki światła w sieciach optycznych, Elektronika, vol. 44, nr. 10, str (2003). [5] Romaniuk R.: Transmisja światłowodowa ze zwielokrotnieniem falowym gęściej czy szybciej? Elektronika, vol. 45, nr. 5, str (2004). [6] Romaniuk R., Poźniak K.: Optyczny Internet terabitowy. Przegląd Telekomunikacyjny, Nr 4/2005, str (2005). [7] Wójcik W., Romaniuk R.: Rozwój techniki światłowodowej w kraju, Elektronika, vol.51, nr.4, str (2010). [8] Romaniuk R.: Zaawansowane systemy fotoniczne i elektroniczne WILGA 2010, Elektronika, vol. 52, nr. 1, str (2011). [9] Romaniuk R.: Fotonika i inżynieria Internetu, Elektronika konstrukcje, technologie, zastosowania, vol. 52, nr. 3, str (2011). [10] Dorosz J., Romaniuk R.: Rozwój techniki światłowodowej w kraju , Elektronika, vol. 52, nr. 4, str (2011). [11] Romaniuk R.: Rola optoelektroniki w Internecie przyszłości, cz. 1. Elektronika, zastosowania, vol. 52, nr. 4, str (2011). [12] Romaniuk R.: Rola optoelektroniki w Internecie przyszłości, cz. 2. Elektronika, cz. 2, vol. 52, nr. 5, str (2011). [13] Romaniuk R.: Rola optoelektroniki w Internecie przyszłości, cz. 3. Elektronika, cz. 3, vol. 52, nr. 6, str (2011). [14] Romaniuk R.: Fotonika i inżynieria sieci Internet Elektronika, vol. 52, nr. 7, str (2011). [15] Romaniuk R.: Fotonika i technologie terahercowe. Elektronika, vol. 52, nr. 11, str (2011). [16] Romaniuk R.: Search for ultimate throughput in ultra-broadband photonic Internet. International Journal of Electronics and Telecommunications, vol. 57, nr. 4, str (2011). [17] Romaniuk R., W.Wójcik: Światłowody i ich zastosowania 2012, Elektronika, vol. 53, nr. 12, str (2012). [18] Romaniuk R.: Space and high energy experiments; Advanced electronic systems International Journal of Electronics and Telecommunications, vol. 58, nr. 4, str (2012). [19] Romaniuk R.S.: Communications, multimedia, ontology; Photonics and Internet engineering International Journal of Electronics and Telecommunications, vol. 58, nr. 4, str (2012). [20] White Rabbit, SyncE and PTP Internet resources [21] Open Hardware Repository [ohwr.org] [22] CMS Collaboration, Kasprowicz G. et al.: Observation of a new boson at a mass of 125GeV with the CMS experiment at the LHC, Physics Letters B, 716 (2012) 30 61; [23] CMS Collaboration, A new boson with a mass of 125 GeV observed with the CMS experiment At the Large Hadron Collider, Science 338, 1569 (2012); DOI: /science Elektronika 3/

8 Kompaktowy Solenoid Mionowy perspektywa dekady prof. dr hab. Ryszard S. Romaniuk Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych Poza Modelem Standardowym? Akcelerator LHC i jego główne detektory, pełne elektroniki, Atlas i CMS są jednymi z głównych laboratoriów poszukujących nowej fizyki. Po dwuletnim okresie eksploatacji, zakończonym między innymi odkryciem nowej cząstki, kandydata na bozon H, nastąpi dwuletni okres modernizacji tej wielkiej maszyny. Zmodernizowany LHC będzie kontynuował poszukiwania, ze zdwojoną jasnością o poziomie cm -2 s -1 w centrum masy (a następnie cm -2 s -1 ) i energią zderzenia wiązki protonowej 14 TeV, nowych cząstek elementarnych, cząstek supersymetrycznych, nowych wymiarów, składników czarnej materii, istoty czarnej energii itp. 104 Co mają poszukiwania nowej fizyki poza modelem standardowym SM dla rozwoju elektroniki, telekomunikacji, technologii komputerowych, a ogólnie nauk i technik informacyjnych (które są przedmiotem zainteresowania niniejszego czasopisma Elektroniki)? A jeśli uda nam się zbudować efektywny system telekomunikacyjny wykorzystujący nie fotony (najliczniejsze cząstki elementarne znanego nam wszechświata), a neutrina (zajmujące drugie miejsce pod względem liczności). Bardzo nieporadny jeszcze pierwowzór takiego systemu cyfrowego został zademonstrowany w marcu 2012 r. w laboratorium Fermilab w Batavia Illinois pod Chicago. Do testów wykorzystano eksperyment NuMi (wiązka neutrin w Głównym Iniektorze) w celu generacji impulsowej wiązki neutrinowej o znacznym natężeniu. Transmitowano po kilkadziesiąt impulsów, każdy zawierający ok neutrin, odseparowanych od siebie po ok. kilka sekund. Wiązka była skierowana na ok. 200-tonowy detektor Minerva oddalony od generatora o ok. 1 km w odrębnej grocie podziemnej. Wiązka neutrin pokonała ok. 250 m litej skały. Czułość detektora wynosiła ok a więc z każdego impulsu detekowano średnio ok. 0,8 neutrina. Uzyskano szybkość transmisji ok. 0,1 bit/s ze stopą błędów mniejszą niż 1% [1]. Niezbyt zachęcające początki? Poszukiwanie metod telekomunikacji neutrinowej związane jest z zastosowaniami niedostępnymi, lub trudno dostępnymi, dla telekomunikacji EM: komunikacja z łodziami podwodnymi szczególnie głęboko zanurzonymi, łączność kosmiczna, bezpośrednia łączność ze statkami kosmicznymi czy bazami, np. na odwrotnej stronie Księżyca, czy odległymi zasłoniętymi przez inne obiekty kosmiczne. Budowane są wielkie linie transmisyjne, o długości od kilkuset do kilku tysięcy km, i detektory neutrin zwane fabrykami neutrin. Celem jest pomiar i poznanie parametrów tych słabo uchwytnych (bardzo słabo oddziaływujących z materią podlegają jedynie sub-jądrowym oddziaływaniom słabym i grawitacyjnym) cząstek, fermionów, leptonów, o połówkowym spinie, o znikomej masie, podobnych do bez-ładunkowego (obojętnego elektrycznie) elektronu, występujących w kilku zapachach (odmianach kwantowych). Budowane są wielkie detektory neutrin, nazywane teleskopami, jak np. Sześcian Lodowy (IceCube) na Biegunie Południowym. Celem jest pomiar neutrinowego promieniowania kosmicznego o energii TeV oraz lokalizacja źródeł tego promieniowania, a także pośrednie pomiary czarnej materii i dodatkowych wymiarów oraz mikroskopijnych czarnych dziur. A może także odczytanie zakodowanych w strumieniu neutrin kosmicznych wiadomości. Istnienie czarnej materii (DM) i ocena jej ilości wynika z szacunku globalnych oddziaływań grawitacyjnych w skali kosmologicznej, także na materię widzialną (barionową). Obecny konsensus badawczy zakłada, że czarna materia jest złożona z nieznanej cząstki sub-atomowej, niebarionowej. Poszukiwanie tej cząstki, przy pomocy różnych metod, jest jednym z kierunków badań fizyki cząstek. Szeroko akceptowanym teoretycznie kandydatem na składnik DM jest cząstka o nazwie WIMP (słabo oddziałująca cząstka masywna), będąca częścią teorii Zimnej Materii Ciemnej (CDM). WIMPSy oddziaływają jedynie przez siłę słabą oraz przez grawitację. W teorii Gorącej Materii Ciemnej cząstką DM jest masywne neutrino. Ilość czarnej materii jest oceniana z rozbieżności pomiędzy obserwowalnymi efektami grawitacyjnymi a ilością widzialnej materii świecącej, obecnie na 84% całej materii wszechświata oraz 23% całej gęstości energii wszechświata. Czarna energia (DE) stanowi ok. 73% wszechświata, a atomy jedynie około 4%. Czarna energia jest hipotetyczną formą energii o gęstości ok g/cm 3 przenikającą jednorodnie całą przestrzeń, której efekt oddziaływania jest obserwowany w postaci przyspieszonej ekspansji wszechświata. Dwa modele DE są: stała kosmologiczna oraz kwintesencja. Spośród 4% materii barionowej 3,6% stanowi gaz międzygalaktyczny a 0,4% gwiazdy itp. Przypuszcza się, że LHC poprzez poszukiwania nowych cząstek elementarnych oraz przejść fazowych w plazmie kwarkowo-gluonowej może wyjaśnić niektóre z tych problemów nie od strony kosmologicznej a akceleratorowej. Takie problemy obejmują np. asymetrię we wszechświecie pomiędzy materią i antymaterią, istnienie ciężkich cząstek super-symetrycznych, istnienie dodatkowych wymiarów, istnienie cząstek WIMPs, naturę neutrina itp. Badania prowadzone przez kompleks akceleratorowy LHC są zaskakująco powiązane także z kosmologią i teoriami losu wszechświata. Odkryta cząstka Higgsa jest ekspresją pola Higgsa, co do którego nie wiemy czy jest stałe czy zmienne, oczywiście w odpowiednio długiej perspektywie czasowej. Jeśli jest zmienne, to wszechświat może doznać przejścia fazowego. W każdym razie masa tej cząstki jest powiązana z masami kwarków. Od wartości tych mas zależy stabilność naszego wszechświata. Obecne obliczenia w układzie współrzędnych masa bozonu Higgsa masa kwarku wysokiego, najcięższego, pokazują, że nasz wszechświat znajduje się w obszarze metastabilnym i w przyszłości może doznać wielkiego rozerwania, zaniku atomów. Modernizacja LHC Akcelerator LHC jest największym instrumentem badawczym kiedykolwiek zbudowanym przez człowieka. W ciągu dziesięciolecia planowana jest modernizacja maszyny LHC tak, aby zintegrowana jasność w ciągu roku wzrosła dziesięciokrotnie w porównaniu z obecnym poziomem, czyli do ponad IL>250 fb -1 /y. Projekt o nazwie Studium Projektowe HL-LHC LHC o wysokiej jasności jest współfinansowany przez program EU FP7. Modernizacja będzie wymagała wymiany obecnych magnesów dipolowych o polu 8 T na ok. 13 T. Oznacza to zmianę technologii stosowanych nadprzewodników z NbTi na Nb 3 Sn. Wymagana jest zmiana linii doprowadzeń wielkiej mocy z powierzchni do tunelu, z miedzianych na nadprzewodzące, o długości rzędu 300 metrów i zerowej dyssypacji energii. Kable te przenoszą prąd 150 ka DC na linię. Wykonywane są z nadprzewodnika MgB 2 o temperaturze krytycznej 25 K. Materiał ten jest znacznie tańszy niż nadprzewodniki wysokotemperaturowe HTS o temperaturach krytycznych K. Wymagana jest zmiana wnęk rezonansowych w okolicach interakcji wiązki na ultraprecyzyjne dokonujące rotacji wiązek, aby powiększyć ich świetlność w miejscu kolizji (tzw. crab cavities). Zwiększeniu ulegają wymagania na jakość próżni, dynamikę systemu kriogenicznego oraz bezpieczeństwo i niezawodność maszyny. Konieczne jest zastosowanie nowych rozwiązań i materiałów na kolimatory wiązki cząsteczkowej. Zwiększona jasność wiązki wymaga znacznie większej dokładności jej prowadzenia, Elektronika 3/2013

9 w miejscu kolizji do poziomu ułamka nm. Zanim nowe elementy będą wykonywane, muszą być w pełni modelowane i symulowane dla różnych warunków pracy, parametrów i materiałów. W zasadzie, bez techniki nadprzewodzącej obejmującej wnęki przyspieszające, kable zasilające, magnesy, nie można dzisiaj mówić o nowoczesnych technologiach akceleracyjnych. Elementy te wymagają precyzyjnego sterowania i diagnostyki przy pomocy systemów elektronicznych pomiarowych, automatyki, dystrybucji, trygerowania i akwizycji danych. Każda zmiana projektu takiego elementu nadprzewodzącego, wydawałoby się tak trywialnego jak kabel transmisyjny dużej mocy, kabel sygnałowy czy uzwojenie transformatora, wymaga, oprócz projektów i obliczeń, budowy specjalizowanego warsztatu i przeprowadzenia wielu kosztownych, na ogół niszczących prób i testów. Wokół modernizacji LHC tworzone są kierunkowo finansowane projekty i kolaboracje badawcze dotyczące poszczególnych fragmentów tej maszyny w aspekcie badań i wdrożeń, jak HiLumi LHC LARP (Amerykański program badawczy akceleratora LHC), TIARA (Test Infrastructure and Accelerator Research Area) program przygotowawczy budowy i integracji dużej europejskiej infrastruktury akceleratorowej projekt szczególnie ukierunkowany na przemysł, zastosowania praktyczne, medycynę i inne. Skala każdego z tych projektów jest rzędu kilkudziesięciu M, a wokół LHC jest takich projektów ciągle jednorazowo co najmniej kilka. Kompleks akceleratora LHC będzie eksploatowany przez ok. 20 lat, poczynając od roku 2010, praktycznego początku jego efektywnego działania. Okres ten podzielono zgrubnie na dwie prawie równe fazy, do roku 2020 i poza. W końcu fazy pierwszej przewidziane jest osiągnięcie jasności dwukrotnie większej od projektowej, czyli do poziomu cm -2 s -1. W czasie pierwszej fazy planowane są dwie długie przerwy LS1 i LS2 (long shutdown). LS1 właśnie się rozpoczęła. Akcelerator pracował przed LS1 z energią 8 GeV. Po zakończeniu LS1 powinien osiągnąć stopniowo energię 14 GeV. W czasie LS1 wymienione zostaną niektóre dipole, a przede wszystkim złącza między kablami nadprzewodzącymi i miedzianymi. W CMS zostaną wymienione niektóre subdetektory. W czasie LS2 wymienione zostaną detektor pikselowy oraz trygery. Traker mikropaskowy będzie używany przez cały okres fazy pierwszej. Terminy okresów LSx są określane jedynie z pewną dokładnością. Odkrycie nowej fizyki może spowodować niezbędne przedłużenie eksploatacji kompleksu z powodu zbierania niezbędnej ilości danych do analiz. Z drugiej strony, nadmierne zniszczenie radiacyjne podzespołów może spowodować wcześniejsze wymuszenie przerwy technologicznej. Tego rodzaju niepewność czasowa musi być wkalkulowana w procesy eksploatacji i modernizacji maszyny. Po roku 2020 cała maszyna LHC będzie zasadniczo przebudowana w czasie długiej przerwy technologicznej LS3, prawdopodobnie nawet trzyletniej. Być może uda się ponownie zwiększyć zintegrowaną jasność roczną 10-krotnie w porównaniu z fazą pierwszą. CMS wymieni detektor trakera oraz tryger i system akwizycji danych. Wydaje się, że po roku 2030(35) LHC trzeba będzie zastąpić całkiem nową maszyną. Jeśli pozostanie ona w tym samym tunelu, to znaczny promień jego krzywizny, przy długości 26 km, dla tak wysokich energii wiązki, wymagać będzie zastosowania magnesów o stałym polu powyżej 20 T. Tak silne magnesy o wielkich rozmiarach na razie nie istnieją, choć oczywiście prowadzone są nad nimi wstępne badania. Stosuje się np. kilkuteslowe inserty w duże magnesy kilkunastoteslowe o powiększonych aperturach. Inserty zmniejszają jednak aperturę magnesu. W każdym razie, konieczne jest zastosowanie zupełnie odmiennej technologii magnesów, uwzględniając chłodzenie kriostatyczne, od stosowanej rutynowo obecnie. Modernizacja CMS Detektor CMS musi być modernizowany tak, aby w pełni wykorzystywać możliwości dostępne przez akcelerator LHC. Okresy LSx muszą być sprawnie wykorzystane do przebudowy tych elementów, całkowicie niedostępnego detektora w czasie prowadzenia eksperymentu, które stanowią wąskie gardło w pomiarach, akwizycji danych, detekcji cząstek itp., lub uległy uszkodzeniu w okresie eksploatacji. Detektor musi być dostosowywany ciągle do wzrastającej jasności zapewnianej przez akcelerator. Modernizacji podlegają wszystkie części detektora: detektory mionów, kalorymetry hadronowe, detektor pikselowy, trygerowanie i akwizycja danych, monitoring wiązki, pomiar jasności. Koordynaty przestrzenne w detektorze są wyrażane pośpiesznością i pseudopospiesznością. Kręgosłupem detektora CMS jest nadprzewodzący solenoid długości 13 m, średnicy 6 m i polu 4 T. Duża moc wyginająca tory cząstek wynosząca 12 T*m zapewnia dobrą rozdzielczość przestrzenną pomiaru ich trajektorii. Pole powrotne, na zewnątrz solenoidu, jest dostatecznie duże, aby nasycić płyty żelazne o grubości 1,5 m stanowiące jarzmo magnetyczne przeplecione czujnikami i używane do rekonstrukcji torów mionów. Sekcje śledzące tory mionów składają się z aluminiowych rur dryftowych (DT) w rejonie beczki, katodowych komór paskowych (CSC) w rejonie pokrywek. Systemy pomiarowe uzupełniają płytowe komory rezystancyjne (RPC). Wnętrze solenoidu wypełnia traker wewnętrzny i systemy kalorymetryczne. Traker ma długość ok. 6 m, średnicę ok. 2,5 m i składa się z 10 warstw mikropaskowych detektorów krzemowych. Traker zapewnia dostateczną granularność i dokładność pomiaru przestrzennego i czasowego, dla znacznej liczby cząstek i ich śladów (wielokrotność) generowanych przez zderzenie zgęstek wiązek protonowych. Silne pole magnetyczne solenoidu i długa zakrzywiona droga cząstek naładowanych zapewniają dobrą rozdzielczość momentu pędu. W rejonie beczki znajdują się dodatkowo trzy warstwy detektorów pikselowych. Beczkę zamykają z obu stron pokrywy, także wyposażone w detektory pokrywające całą powierzchnię. Najbliżej zderzenia znajduje się detektor wierzchołka. Detektory w pokrywach ułatwiają identyfikację wierzchołków wtórnych. Kalorymetr elektromagnetyczny EM (ECAL) jest zbudowany z kryształów scyntylacyjnych PbWO 4 współpracujących z krzemowymi fotodiodami lawinowymi w beczce i foto-triodami próżniowymi w pokrywach. System wetujący (neutralne mezony pi) jest zainstalowany przed pokrywami ECAL. Kalorymetr elektromagnetyczny jest otoczony przez kalorymetr hadronowy HCAL. HCAL wykorzystuje polimerowe scyntylatory ze światłowodami zbierającymi światło i dokonującymi przesunięcia częstotliwości z UV na zakres widzialny i IR. Światłowody są sprzężone z fotodiodami hybrydowymi zdolnymi do pracy w silnym polu magnetycznym. Dalszymi kalorymetrami uzupełniającymi są HO, HF, CASTOR i ZDC. HF jest światłowodowo-fotopowielaczowym detektorem promieniowania Czerenkowa. HF mierzy energię poprzeczną zderzenia. Modularna budowa detektora CMS ułatwia jego eksploatację, reperacje i modernizacje. Całość stanowi jedynie nadprzewodzący solenoid i jarzmo centralne, reszta jest ruchoma, przesuwana i otwierana. Detektor pikselowy jest nałożony na rurę berylową z wiązką w dwóch połówkach. Większość kalorymetrów jest demontowana po odsunięciu pokrywek i otwarciu pojemnika próżniowego. Dokładny opis detektora CMS znajduje się w podręczniku eksperymentu [2]. Trygerowanie CMS jest wykonywane przez wielopoziomowy system zlokalizowany w podziemnym pokoju kontrolnym poza grotą eksperymentu. Sygnały pomiarowe są transmitowane światłowodami z elektroniki współpracującej z detektorami kalorymetrów i mionów do Trygera Globalnego pierwszego Poziomu (GLT). GLT otrzymuje dane dotyczące wszystkich zderzeń zachodzących z częstością 40 HHz i redukuje je do poziomu100 khz z latencją poniżej 4 mikrosekund. Tryger Wysokiego rzędu HLT pracuje na klastrze komputerowym rekonstruując kompletne zdarzenia. Wstępna rekonstrukcja wykonywana przez HLT jest dokonywana w celu wyboru interesujących zdarzeń w ilości ok. 300 na sekundę. Elektronika 3/

10 Schemat czasowy pracy i modernizacji CMS jest opisany w dokumencie Propozycji Technicznej Rozwoju CMS [3 4] i jest następujący: LS1 lata : wymiana złączy kablowych w LHC w celu umożliwienia pracy kompleksu na 14 TeV, poprawa kolimacji w celu umożliwienia pracy ze zwiększoną świetlnością; : wszechstronna badania maszyny dla energii 14 TeV przy umiarkowanych wartościach świetlności; 2017 LS2: poprawa kolimacji dla zwiększonej świetlności, przygotowanie LHC do wnęk skośnych typu crab-cavities, włączenie nowego Liniaka4 do kompleksu iniektora, zwiększenie energii Boostera PS w celu redukcji emitancji wiązki; : 14TeV z maksymalnie zwiększoną świetlnością i zmodernizowanymi detektorami. Po zakończeniu fazy pierwszej nastąpi długi okres rozwoju maszyny LS3. Celem pracy w fazie drugiej ( ) będzie uzyskanie znacznie większej świetlności, rzędu , oraz świetlności zintegrowanej na poziomie 300 fb -1 /y. Maszyna zmieni nazwę na SLHC lub HL-LHC LHC o dużej świetlności. Przewiduje się, że w ciągu okresu 2 zintegrowana świetlność za dekadę eksploatacji maszyny do roku 2030 osiągnie wartość ponad 3000 fb -1. Detektory dla tej fazy muszą być przebudowane, włączając w to system trakingu cząstek. Detektory muszą wytrzymać znacznie większy poziom promieniowania jonizującego oraz rejestrować znacznie większą ilość produktów cząsteczkowych i radiacyjnych interakcji (multiplicity). Wymienione plany czasowe i dane są elastyczne i mogą ulec zmianie wraz z rozwojem technologii i decyzjami managementu kompleksu akceleratorowego LHC. Oprócz planowanych długich przerw LS przewidziano kilkumiesięczne przerwy techniczne związane z utrzymaniem maszyny. W ciągu roku przewidywanych jest średnio 220 dni akwizycji danych fizycznych. W detektorze kolizji podlegają zgęstki wiązki protonowej. Nominalnie co 25 ns (do tej pory co 50 ns). Każda zgęstka zawiera ponad protonów. Dla świetlności cm -2 s -1, co wymaga cyrkulacji ok zgęstek w akceleratorze LHC o długości ok. 26 km, podczas skrzyżowania zgęstek dochodzi do ok. 20 kolizji protonowych. Pod koniec fazy 1, ilość kolizji (tzw. spiętrzenie) wzrośnie do ok. 40 przy zwiększonej liczbie protonów w zgęstce. Większość z tych interakcji protonowych jest peryferyjnych, miękkich, nie prowadzących do powstawania gęstych stanów energii i masy, poniżej wymiaru oddziaływań elektrosłabych. Jedynie bardzo rzadko zachodzą kolizje twarde z silnymi interakcjami pomiędzy kwarkami. Interakcje słabe zostawiają małe depozyty energii poprzecznej w kalorymetrach a silne duże. To jest podstawą dyskryminacji. Celem działania trygera CMS jest identyfikacja, wychwytywanie, i zapisywanie takich przypadków dla dalszej analizy off-line. Detektor musi mieć wbudowane silne i trafne mechanizmy dyskryminacji pomiędzy zderzeniami miękkimi i twardymi, co jest skomplikowane w warunkach spiętrzenia, czyli zachodzenia wielu wydarzeń na raz. W warunkach zwiększonej świetlności, ponad wartość nominalną, zjawisko spiętrzenia nasila się znacznie. Ten problem jest silnym motywatorem modernizacji detektora CMS [3]. Spiętrzenie może pochodzić z tego samego skrzyżowania wiązek, lub ze skrzyżowania poprzedzającego lub następującego. W tych ostatnich przypadkach dane z właśnie trygerowanego skrzyżowania są zanieczyszczone danymi z sąsiednich skrzyżowań. Wynika to z małego odstępu czasu między skrzyżowaniami wynoszącego 25 ns. Zanieczyszczenia danych można uniknąć poprzez zwiększenie segmentacji detektora, zmniejszenie czasu jego reakcji, lub prowadzenie bardziej skomplikowanej analizy sygnałowej rozplatającej nałożone w czasie sygnały. Modernizacja CMS uwzględnia wszystkie z tych metod poprawy jakości danych. Innymi źródłami spiętrzenia mogą być cząstki bardzo wolne lub bardzo masywne słabo oddziałujące, wielokrotnie rozproszone w detektorze i pozostawiające depozyt energii w elemencie aktywnym w czasie okna odczytu. Znaczne zwiększenie jasności wiązki ponad wartość nominalną, a jest to warunek konieczny rozwoju całego eksperymentu, prowadzi do pogorszenia warunków pracy trygera CMS, a przez 106 to do degradacji jakości informacji o zderzeniach. Tryger pierwszego poziomu pracuje z niepełną informacją o wydarzeniu, a przy zwiększonej jasności zaczynają nakładać się dane z kilkunastu kilkudziesięciu interakcji. Modernizacja systemu mionowego i kalorymetrycznego hadronowego prowadzi do utrzymania zdolności przetwarzania danych przez tryger pierwszego poziomu, poprzez dostarczenie do niego większej ilości danych o znacznie wyższej jakości. HLT nie napotyka na taki problem, bo jest realizowany na farmie komputerowej. Spiętrzenie może także wprowadzać błędy do analizy off-line. Interakcje są rozłożone na długości kilku cm wzdłuż rejonu kolizji, równolegle do obu wiązek. Rozdzielczość trakera wzdłuż osi z wynosi mniej niż 1 mm. Zazwyczaj traker bezbłędnie łączy ślady cząstek naładowanych z indywidualnymi odseparowanymi wierzchołkami interakcji. W ekstremalnych warunkach wydajność trakera maleje. Kalorymetry nie posiadają dokładnej rozdzielczości kierunkowej i nie mogą powiązać cząstek neutralnych, które wyglądają jako depozyty energii, z prawidłowymi wierzchołkami interakcji. Może to prowadzić do nakładania się danych z różnych interakcji w czasie pojedynczego skrzyżowania wiązek. Promieniowanie jonizujące powoduje stopniowe niszczenie detektora. Objawia się to wzrostem poziomu szumów, zmniejszeniem odpowiedzi sygnałowej, degradacją rozdzielczości i efektywności. Obciążony radiacyjne detektor może wręcz generować fałszywe sygnały jako prawdziwe degradując jakość danych pomiarowych. Wynika stąd konieczność głębokiego rozumienia wszystkich zjawisk związanych z powolnym uszkadzaniem detektora pod wpływem promieniowania jonizującego. Detektor powinien pracować poprawnie do wartości maksymalnej parametru TID (Total Ionizing Dose) całkowita dawka jonizująca. Modernizacja uwzględnia prace nad nowymi rozwiązaniami sensorów albo utwardzanych na promieniowanie jonizujące albo tolerancyjnych dla niego. Ten sam problem dotyczy także stopni wejściowych kanałów odczytowych elektroniki współpracujących bezpośrednio z czujnikami i na ogół pozycjonowanych łącznie, a więc bardzo blisko lub blisko wiązki. Obecny projekt CMS uwzględniał narażenia radiacyjne elementów bliskich wiązki i zakładał ich minimalne uszkodzenia podczas pierwszego okresu eksploatacji detektora spektrometru. Sytuacja ulega zmianie, gdy zwiększamy znacznie świetlność wiązki, początkowo dwukrotnie a następnie nawet pięciokrotnie. To zmienia narażenie jonizacyjne bliskich wiązce elementów ponad dziesięciokrotnie. Projekt modernizacji CMS dla elementów bliskich wiązki musi być zupełnie odmienny od dotychczasowego. Przed początkiem fazy 2 wymienione będą najbardziej narażone na promieniowanie elementy: wewnętrzna warstwa przedniego kalorymetru hadronowego HF oraz wewnętrzna warstwa detektora pikselowego beczki. Ta ostatnia znajduje się tylko 4 cm od kolidujących wiązek. Istnieje szereg źródeł tła promieniowania wpływających na pomiary procesów w punkcie oddziaływania. Większość z tych źródeł może być usunięta metodami topologicznymi lub czasowymi, jednak konieczne jest ich dokładne zrozumienie. Halo wiązki tworzone jest przez cząstki migrujące z niej i kolidujące z rurą, kolimatorem, i w efekcie generujące miony rozproszenia. Miony te mogą być defekowane jako szum w detektorach mionowych. Kolejnym źródłem jest interakcja wiązki z molekułami gazu rezydualnego wewnątrz rury próżniowej z wiązką. Produkty takiej kolizji docierają do detektora bezpośrednio lub pośrednio po wyprodukowaniu wtórnych kaskad cząstek lub fotonów. Następnym czynnikiem jest promieniowanie kosmiczne, które ciągle przechodzi przez detektor. Może także przechodzić w czasie trygera i nakładać się na wydarzenie i być zapisane jako część skrzyżowania wiązek, szczególnie jeśli trasa jest bliska wierzchołkowi kolizji. Nazywamy to mimikrą kosmiczną. Kolejnym czynnikiem jest promieniowanie rezydualne, które powstaje od radionuklidów pobudzonych w elementach akceleratora przez promieniowanie jonizujące. Produkty rozpadu wzbudzają sygnały w niektórych detektorach. Elektronika 3/2013

11 Istotnym czynnikiem modernizacji jest redukcja czasu martwego detektora CMS. Jest to czas braku aktywności detektora mimo dostępności wiązki protonowej LHC. Na ogół w takim okresie niesprawny jest tryger, system akwizycji danych lub jeden z sub-detektorów. Miarą sprawnego wykorzystania detektora jest świetlność zintegrowana. Na utrzymanie detektora w sprawności powinny być maksymalnie wykorzystywane okresy braku wiązki. W innych przypadkach reperacje powinny być wykonywane bardzo sprawnie i szybko, gdyż czas wiązki jest bardzo kosztowny. Oznacza to konieczność utrzymywania odpowiedniego zapasu części i podzespołów oraz dynamicznych grup technicznych zdolnych do bardzo szybkiej wymiany tych części, lub resetu czy reinstalacji software. Częścią takiego systemu redukcji czasu martwego jest rozproszony system diagnostyczny z odczytami pośrednich danych z systemu, tak aby zapobiegać awariom, lokalizować je, podejmować działania wyprzedzające redukujące potencjalne przestoje. Także relokacja części elektroniki z miejsc narażonych na niekorzystne oddziaływania na miejsca bezpieczne redukuje ilość potencjalnych awarii sprzętu. Celem działań redukcji przestojów jest ich zmniejszenie poniżej poziomu 5% [3 4]. Specyfiką projektu tak wielkiej maszyny jak kompleks akceleratorowy LHC z wielkimi detektorami CMS i Atlas jest to, że trwa on ponad dekadę. Większość technologii używanej w obecnie eksploatowanym detektorze CMS jest, w wielu przypadkach, starsza niż lat. Utrzymanie detektora i jego sprawna eksploatacja zależy od dostępności tych przestarzałych części zamiennych. Modernizacja polega na takim projekcie wymiany części na technologie nowoczesne, aby były w jakiś sposób kompatybilne z pozostałymi komponentami systemu. W krótszych okresach czasu w grę wchodzi modernizacja oprogramowania, ale przy sprzęcie 15-letnim i starszym nie zawsze jest to już możliwe. Reperacje i wymiany sprzętu w detektorze CMS są bardzo ułatwione przez jego modularną budowę. Doświadczenie gromadzone podczas wieloletniej konstrukcji, eksploatacji i modernizacji detektora procentuje w postaci lepszego jego zrozumienia i identyfikacji problemów nie przewidzianych podczas oryginalnego projektu. Czasami prowadzi to do konieczności znacznych zmian detektora, tak aby utrzymać lub zwiększyć jego potencjał odkrywczy. Zmiany parametrów eksploatacyjnych akceleratora i detektora na bardziej wymagające pociągają za sobą zmiany w sprzęcie i oprogramowaniu sterującym. Warszawska Grupa CMS aktywnie uczestniczyła od połowy lat dziewięćdziesiątych w projektowaniu sub-detektorów spektrometru CMS [5 34]. Obecnie uczestniczy w jego eksploatacji i modernizacji. Po modernizacji w latach projektanci systemu przewidują, że potencjał odkrywczy kompleksu akceleratorowego znacznie wzrośnie. Literatura [1] NuMi Collaboration, Fermilab, Demonstration of communication using neutrinos, arxiv: [hep-ex] [2] CMS Collaboration, The CMS experiment at the CERN LHC. Journal of Instrumentation, vol. 3, no. 8 (2008). [3] CMS Collaboration, Upgrade of CMS detector through 2020, Technical Proposal, CERN-LHCC , CMS UG-TP-1, CERN Geneve, 2 June 2011, 311 pages. [4] Rossi L., Sutton CH., Szeberenyi A.: LHC upgrade: Superconductivity leads the way to high luminosity, CERN Courier, vol. 53, no.1, pp (2013). [5] Zagozdzinska A. i in.: TRIDAQ systems in HEP experiments at LHC accelerator. Proc. SPIE 8698, art.no.86980o, 10 pages (2012). [6] Romaniuk R.S.: Review of EuCARD project on accelerator infrastructure in Europe. Proc.SPIE 8698, art.no.86980q, 10 pages (2012). [7] Romaniuk R.S.: Free electron laser infrastructure in Europe. Proc. SPIE 8702, art. no M (2013). [8] Romaniuk R., Pozniak K.: Metrological aspects of accelerator technology and high energy physics experiments. Measurement Science and Technology, 18 (8), art. no.e01 (2008). [9] Fąfara P. et al.: FPGA-based implementation of a cavity field controller for FLASH and X-FEL. Measurement Science and Technology, 18 (8), pp (2008). [10] Ackerman W. et al.: Operation of a free-electron laser from the extreme ultraviolet to the water window. Nature Photonics, 1 (6), pp (2007). [11] Czarski T. et al.: Superconducting cavity driving with fpga controller. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 568 (2), pp (2006). [12] Czarski T. et al.: TESLA cavity modeling and digital implementation in fpga technology for control system development. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 556 (2), pp (2006). [13] Czarski T. et al.: Cavity parameters identification for TESLA control system development. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 548 (3), pp (2005). [14] Romaniuk R. S.: Accelerator infrastructure in Europe EuCARD International Journal of Electronics and Telecommunications 57 (3), pp (2011). [15] Romaniuk R. S.: EuCARD 2010 accelerator technology in Europe. International Journal of Electronics and Telecommunications 56 (4), pp (2010) [16] Koprek W. i in: Oprogramowanie dla systemu kontrolno-pomiarowego akceleratora TESLA. Elektronika, nr 1, 2005, str [17] Poźniak K.T. i in.: Gigabitowy moduł optoelektroniczny dla systemu LLRF TESLA. Elektronika, nr 7, 2005, str [18] Giergusiewicz W. i in.: Ośmiokanałowy system sterowania modułem akceleratora TESLA. Elektronika, nr 7, 2005, str [19] Zabołotny W. i in.: Wbudowany system komputerowy jako sterownik płyt kontrolno-pomiarowych do sterowania LLRF w akceleratorze. Elektronika, nr 7, 2005, str [20] Koprek W. i in.: Konfiguracja i pomiary systemu SIMCON ver.2.1. Elektronika, nr 7, 2005, str [21] Poźniak K., Romaniuk R., Kierkowski K.: Modularna platforma do systemu sterowania akceleratorem TESLA. Elektronika, z. 7. ss [22] Koprek W. i in.: Sterowanie oraz akwizycja danych w systemie SIM- CON 2.1. Elektronika, z. 7. ss [23] Poźniak K.T., Czarski T.W., Romaniuk R.S.: System pomiarowo-kontrolny dla nadprzewodzącej, mikrofalowej wnęki rezonansowej akceleratora TESLA i europejskiego lasera XFEL. Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji PAN, vol. 51, z. 1, str , [24] Romaniuk R.S. i in.: Optical network and FPGA/DSP based control system for free electron laser. Biuletyn PAN, Nauki Techniczne, vol. 53, no. 2, pp , [25] Strzałkowski P. i in.: Uniwersalny moduł sterowania LLRF do akceleratora liniowego FLASH. Elektronika, vol. 48, nr 7, str , [26] Bujnowski K. i in.: Konwerter skryptu MatLab na kod C do procesorów osadzonych w systemie LLRF akceleratora liniowego FLASH. Elektronika, vol. 48, no. 6, str , [27] Romaniuk R.S.: Development of accelerator technology in Poland. Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikcaji PAN, vol. 54, no. 3, pp , [28] Romaniuk R.S.: EuCARD Technika akceleratorowa w Europie. Elektronika, nr 07, 2010, str [29] Lipiński M. i i n.: Uniwersalna Platforma Pomiarowa dla rozproszonego wirtualnego systemu pomiarowego. Elektronika, Vol. 52, no. 1, 2011, pp (2011). [30] Romaniuk R.S.: EuCARD 2010 Technika akceleratorowa w Europie EuCARD Accelerator technology in Europe). Elektronika vol. 51, no. 8, pp (2010). [31] Romaniuk R.S.: Infrastruktura akceleratorowa w Europie EuCARD 2011 (Accelerator infrastructuree in Europe EuCARD 2011). Elektronika, vol. 52, no.12, pp (2011). [32] Romaniuk R.S.: Rozwój techniki akceleratorowej w Europie Eu- CARD 2012, (Development of accelerator technology in Europe EuCARD 2012). Elektronika, vol. 53, nr 9, 2012, str [33] Romaniuk R.S.: Technika akceleratorowa i eksperymenty fizyki wysokich energii,.wilga 2012, (Accelerator technology and high energy physics experiments, Wilga 2012), Elektronika, vol. 53, nr 9, 2012, str [34] Romaniuk R.S.: Fizyka fotonu i badania plazmy. Wilga 2012, (Photon physics and plasma research) Elektronika, vol. 53, nr 9, 2012, str Elektronika 3/

12 Akceleratory dla społeczeństwa TIARA 2012 prof. dr hab. Ryszard S. Romaniuk Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych Konsorcjum TIARA i Projekt EU FP7 TIARA-PP TIARA jest Europejskim Konsorcjum Techniki Akceleratorowej, prowadzącym projekty badawcze, techniczne, sieciowe i infrastrukturalne. Celem działania konsorcjum TIARA i prowadzonego przez nie ramowego projektu Europejskiego EU FP7 (Test Infrastructure and Akcelerator Research Area) jest integracja krajowych i międzynarodowych akceleratorowych infrastruktur badawczych i rozwojowych w rodzaj pojedynczego, dobrze skoordynowanego, europejskiego obszaru badawczego. Konsorcjum gromadzi wszystkie ośrodki europejskie posiadające dużą infrastrukturę akceleratorową. Pozostałe ośrodki, jak np. uniwersytety, są afiliowane jako członkowie stowarzyszeni. W Polsce koordynatorem projektu TIARA jest Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, a uczestnikami są laboratoria krajowe zajmujące się różnymi aspektami techniki akceleratorowej np.: IFJ-PAN, AGH, NCBJ w Świerku, Politechnika Warszawska, Politechnika Wrocławska, Politechnika Łódzka. IFJ-PAN jest oficjalnym członkiem konsorcjum TIARA i reprezentuje wszystkie laboratoria zgromadzone w Polskim Konsorcjum TIARA-PL. Członkami TIARA są: CEA-Francja, CERN-Szwajcaria, CIEMAT-Hiszpania, CNRS- Francja, DESY-Niemcy, GSI-Niemcy, IFJ-PAN Kraków (reprezentujący polskie konsorcjum), INFN-Włochy, PSI-Szwajcaria, STFC-Anglia, Uniwersytet Uppsala (reprezentujący konsorcjum nordyckie Dania, Finlandia, Norwegia, Szwecja). TIARA reprezentuje bardzo ciekawe rozwiązanie projektu Europejskiego, określanego mianem Faza Przygotowawcza PP (Preparatory Phase). Głównym celem TIARA jest po prostu, i prawie jedynie INTEGRACJA krajowych i międzynarodowych laboratoriów akceleratorowych reprezentujących znaczne infrastruktury badawcze. Oczekiwanym rezultatem jest stworzenie jednego mocnego, Europejskiego, rozproszonego, ale silnie skoordynowanego ośrodka badawczo-rozwojowego, dysponującego nieporównywalnym potencjałem odkrywczym i rozwojowym (innowacje, kompetencje, konkurencyjność, sprawność, transfer technologii, trwałość postępu) w skali globalnej. Oprócz maksymalizacji korzyści dla beneficjentów projektu, właścicieli infrastruktur akceleratorowych i bezpośrednich użytkowników tych infrastruktur, TIARA ustanawia rodzaj ram dla ustanawiania i wspierania silnych połączonych programów i projektów Europejskich dla badań i rozwoju w obszarze techniki akceleratorowej, edukacji i szkolenia, wzmocnienia innowacji we współpracy z przemysłem. Projekt TIARA-PP realizujący te założenia został ustanowiony w 2011 roku na 3 lata. Obejmuje wymienionych powyżej 11 partnerów z 8 krajów. Podsumowując, cele TIARY to: koordynacja trwałego programu rozwojowego o szerokim zakresie tematycznym, ustanawianie kolaboracyjnych projektów badawczo-rozwojowych. Zapewnienie i rozwój dostępu do szerokiej różnorodności wielkich infrastruktur badawczych, wzmocnienie partnerstwa i transferu technologii do przemysłu w celu rozwoju innowacji, organizowanie trwałych struktur edukacyjnych i szkoleniowych w zakresie nauki i techniki akceleratorowej. TIARA, typowo dla wszystkich projektów EU-FP składa się z kilku Grup Zadaniowych (Work Packages WP). WP Zarządzanie ma stworzyć, pod względem prawnym formalne podstawy działania Ogólnoeuropejskiej Infrastruktury Badawczej Techniki Akceleratorowej. Taki Obszar Badawczy ma rozwijać i wspierać innowacyjność, konkurencyjność i trwałość działań w obszarze techniki akceleratorowej. WP Infrastruktury Akceleratorowe dokonuje przeglądu istniejących infrastruktur, identyfikuje rozbieżności i przyszłe potrzeby rozwojowe, analizuje opcje udostępniania infrastruktur, definiuje 108 ogólną politykę dostępu, wskazuje możliwość budowy infrastruktur wspólnych, definiuje mapę drogową rozwoju, proponuje odpowiednie struktury zapewniające trwałość współpracy i rozwoju, proponuje wspólne metody zarządzania i kosztorysowania, oraz ustanawia kryteria techniczne i procedury ewaluacji dotyczące włączania się na poziomie badawczym w dostępne infrastruktury. WP Badania Akceleratorowe identyfikuje nowe obszary badawcze i ich potencjalną wagę, próbuje ocenić równowagę między obszarami, rozwija wspólną metodologię i procedury inicjowania, oceny i implementowania projektów kolaboracyjnych w trwały sposób, definiuje wspólne projekty badawcze obejmujące komponenty, technologie i koncepcje akceleratorowe. Komponenty obejmują: źródła i iniektory, struktury RF, systemy RF, Magnesy SC, magnesy NC konwencjonalne, diagnostykę i instrumentację, targety, zagadnienia promieniowania. Technologie obejmują: elektronikę i oprogramowanie, UHV, Źródła RF, kriogenikę, adjustację i stabilizację wiązki. Koncepcje obejmują: projekty maszyn, dynamikę wiązki, procesy FEL, chłodzenie wiązki, nowe techniki dla akceleracji wysoko gradientowej, jak laser-pazma i inne, oraz akceleratory medyczne i przemysłowe. WP Edukacja i Kształcenie Ustawiczne związane jest z rozwojem kadry naukowej i technicznej dla nauki i techniki akceleratorowej, rozwija struktury i mechanizmy pozwalające na sprawną edukację i kształcenie adekwatnych zasobów ludzkich, ułatwia wymianę kadry ekspertów pomiędzy infrastrukturami. W dniach września w Krakowie na terenie Instytutu Fizyki Jądrowej PAN odbyła się krajowa konferencja TIARA-PL 2012, której celem było podsumowanie krajowego wkładu w działania Europejskiego Konsorcjum i projektu FP7 TIARA. Konferencja miała oficjalny charakter spotkania sprawozdawczego w połowie realizacji projektu Mid-term meeting of the TIARA-PL Group. Koordynatorami prac TIARA-PL są prof. Piotr Malecki i dr M.Bocian z IFJ PAN. Spotkanie TIARA Mid-term Meeting odbyło się w Instytucie CIEMAT w Madrycie w dniach czerwca Akceleratory dla społeczeństwa? Czy na pewno? Akceleratory cząstek są wykorzystywane w różnych dziedzinach życia społecznego [1 4]. Początkowo były rozwijane w celu prowadzenia badań podstawowych. Obecnie są używane także w szeregu aplikacjach, rozciągających się od ochrony zdrowia, poprzez wytwarzanie krzemowych układów scalonych, po redukcję zanieczyszczenia środowiska. Maszyny do badań podstawowych pracują w układzie zderzacza. Przyspieszane są cząstki naładowane do bardzo wielkich energii i przeciwsobnie propagowane pakiety (zgęstki) są doprowadzane do kolizji. Wynikowe cząstki produkowane w takich kolizjach podlegają detekcji i analizie, w celu odkrycia struktury materii. W dzisiejszych czasach akceleratory odgrywają ważną rolę w społeczeństwie i przemyśle. Ten wpływ nowych technologii akceleratorowych na społeczeństwo i jego życie codzienne jest bardzo ważny, choć często jest niewidoczny. Obecnie większość działających akceleratorów nie jest używana w badaniach podstawowych ale w zastosowaniach przemysłowych i w innych nowoczesnych dziedzinach społecznych. Najbardziej znane i korzystne aplikacje obejmują: elektronikę, cięcie i spawanie przy pomocy wiązki elektronowej, utwardzanie materiałów, diagnostyka medyczna, terapia nowotworowa, monitorowanie zanieczyszczenia powietrza oraz zmian klimatu, badanie i datowanie dzieł sztuki oraz obiektów starożytnych, sterylizowanie żywności i przedmiotów medycznych, skanowanie towarów masowych. Inne przyszłościowe zastosowania są rozwijane, np. związane z alternatywnymi źródłami energii, a także Elektronika 3/2013

13 z energetyką jądrową. Możliwość dalszego rozwoju szerokich zastosowań techniki akceleratorowej jest związana z prowadzonymi badaniami nad rozwojem tych, na ogół dużych, maszyn. Są to istotne koszty, gdyż akceleratory wymagają często znacznej infrastruktury towarzyszącej. Koszty te muszą być ponoszone w nowoczesnym społeczeństwie. Wydatki na akceleratory i inne wysokie technologie zwracają się po jakimś czasie z nadmiarem, poprawiając jakość życia jednostek i społeczeństw. W ciągu roku, akceleratory przemysłowe, w skali globalnej całego świata, biorą udział w wytwarzaniu produktów przemysłowych, medycznych, sterylizują obiekty, prześwietlają, badają jakość produktów, diagnozują technicznie, itp., całość o wartości bliskiej 2 biliony zł. W czasie ostatnich 60 lat, kiedy technika akceleratorowa osiągnęła dojrzałość techniczną, wyprodukowano w skali globalnej ok. 25 tysięcy akceleratorów. Akceleratory te, wytwarzające wiązki cząstek naładowanych, znalazły liczne zastosowania przemysłowe. Dodatkowo, oprócz tych 25 tysięcy akceleratorów przemysłowych, wyprodukowano w tym czasie ponad 11 tysięcy akceleratorów elektronowych, jonowych, protonowych i neutronowych, oraz rentgenowskich, wyłącznie do zastosowań medycznych. Do chwili obecnej (koniec 2012), ok. 25 tysięcy pacjentów poddano terapii hadronowej w Europie. W skali świata ta liczba terapii hydronowych wynosi ponad 75 tysięcy. Wyłącznie do badań naukowych używanych jest obecnie około 200 akceleratorów, o szacunkowej zagregowanej wartości ich działań wynoszącej ponad 4 miliardy złotych. Największym akceleratorem świata jest obecnie LHC Wielki Zderzacz Hadronów, podziemny. nadprzewdzący akcelerator kołowy o długości 27 km i docelowej energii wiązki protonowej 7TeV (14 TeV w zderzeniu), oraz wiązki jonów ołowiu o energii ok 600 TeV (w zderzeniu 1,2 PeV). Akcelerator ten odkrył w 2012 r. nową cząstkę o masie ok.126 GeV/c 2, kandydata na bozon Higgsa. Czy można w ogóle myśleć o jakichkolwiek potencjalnych zastosowaniach praktycznych tego odkrycia? Skalarne pole Higgsa przenika cały wszechświat i posiada wszędzie jednakową wartość. Jeśli byłoby kiedykolwiek możliwe ekranowanie tego pola lub kontrola jego lokalnej wielkości to możliwa byłaby kontrola bezwładności, np. przyspieszanie/hamowanie obiektów materialnych do wielkich prędkości w bardzo krótkim czasie bez ich uszkadzania spowodowanego przeciążeniem. Rozpędzanie i hamowanie musiałoby się odbywać w obszarach o minimalnym polu Higgsa. Ruch idealnie jednostajny mógłby się prawdopodobnie odbywać w polu Higgsa, choć chyba nie do końca wiadomo jak by wpłynęło na duży obiekt materialny (np. statek kosmiczny) przejście granicy obszarów zerowego i niezerowego pola Higgsa. Prawdopodobnie byłoby to przejście destrukcyjne. Takie rozpędzane obiekty musiałyby chyba jednak podróżować cały czas w kanale o zerowym/zmniejszonym polu Higgsa. Gdyby znalazły się poza kanałem, natychmiast dopadłaby je bezwładność. Zastosowania akceleratorów o których na ogół mało wiemy W badaniach materiałowych wiązki fotonowe (światło synchrotronowe), neutronowe, elektronowe i mionowe, a także protonowe i jonowe są podstawowymi narzędziami do odkrywania struktury opracowywanych nowych materiałów na poziomie atomowym. Nowe materiały są potrzebne do rozwoju wielu dziedzin przemysłu i techniki. Przy pomocy wiązek nie tylko badana jest struktura materiału, ale także można tworzyć nowe materiały, modyfikować warstwy powierzchniowe i głębsze. Tworzone są warstwy i struktury nanometrowe, w ilościach setek a nawet tysięcy, układane naprzemiennie. Jeśli np. układamy kolejno z użyciem wiązki jonowej warstwy materiału miękkiej osnowy oraz ultra-twarde materiałów które w inny sposób nie mogą być połączone, to tworzony jest zupełnie nowy materiał a w zasadzie meta-materiał o niespotykanych właściwościach łączących elastyczność oraz twardość, ze znaczną redukcją kruchości. W innych przypadkach tworzone są materiały wyjątkowo odporne na oddziaływania termiczne, np. w postaci szoków termo-mechanicznych. Badanie struktury i modelowanie materiałów biologicznych w tym białek jest niemożliwe bez udziału światła synchrotronowego. Synchrotrony i lasery na swobodnych elektronach umożliwiają tworzenie trójwymiarowych modeli złożonych cząstek i struktur biologicznych, takich jak np. DNA wirusów. Niewiele jest alternatywnych metod które tak dokładnie oddawałyby bardzo skomplikowaną strukturę przestrzenną cząstek biologicznych oraz ewolucję tej struktury podczas reakcji biochemicznych. Poznanie mechanizmów takich reakcji pozwala na opracowywanie nowych leków przeciwnowotworowych, immunologicznych oraz genetycznych. Akceleratory są używane w obszarze energii i środowiska np. do czyszczenia gazów spalinowych węglowych elektrowni termicznych. Pilotowe instalacje kominowe używają wiązki elektronowej do kontroli bardzo szkodliwej emisji siarki (odsiarczanie gazów spalinowych) i tenków azotu NO x. Obecnie SO 2 jest usuwany z gazów spalinowych obligatoryjnie różnymi metodami: odpadowymi, półodpadowymi i bezodpadowymi, dodatkowo w odmianach mokrych i suchych. Metoda akceleratorowa, jedna z najnowocześniejszych, jest bezodpadowa, w której sorbenty są regenerowane i zwracane do procesu, a odzyskany dwutlenek siarki jest poddawany konwersji na produkty użyteczne, np. siarkę. Kilka fundamentalnych aplikacji akceleratorów związanych jest ze zdrowiem i medycyną- terapia nowotworów oraz obrazowanie medyczne. Metody terapii hadronowej stosują wiązki protonowe lub jonowe do niszczenia nowotworów usytuowanych głęboko w organizmie człowieka, tam gdzie stosowanie noża gamma jest znacznie mniej skuteczne. Pozytronowa tomografia emisyjna PET-CT jest na ogół połączeniem technik radioizotopowych PET oraz skaningowej tomografii komputerowej rentgenowskiej CT X. Technika PET jest też łączona z techniką MRI (NMRI, MRT) obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Radioizotopy o krótkim czasie życia stosowane w technice PET są wykonywane metodami akceleratorowymi. Grupa zastosowań przemysłowych obejmuje np.: implantację jonów dl elektroniki, utwardzanie powierzchni, utwardzanie materiałów, spawanie i cięcie, przetwarzanie odpadów, przetwarzanie materiałów medycznych, sterylizację, wytwarzanie materiałów z pamięcią kształtu, i wiele innych. Ultraszybkie giga i terahercowe tranzystory, układy scalone i inne elementy elektroniczne i optoelektroniczne są wykonywane technikami implantacji jonów. Implantowane jony zmieniają skład pierwiastkowy bombardowanego materiału. Oprócz tego wprowadzają znaczne zmiany chemiczne, fizyczne i strukturalne poprzez transfer momentu pędu elektronom i jądrom atomowym materiału osnowy. Struktura krystaliczna materiału ulega zmianie, modyfikacji, uszkodzeniu lub zniszczeniu przez generowane kaskady kolizyjne. Jeśli jony implantowane są podobnej masy co jony osnowy, przy energiach jonów padających rzędu dziesiątek MeV, to jony osnowy mogą podlegać translacji we własnej sieci krystalicznej w inne położenia stabilne lub meta-stabilne. Jeśli energia jonów padających jest dostatecznie duża aby pokonać barierę Coulomba, to może dochodzić do transmutacji jądrowej. Akceleratory do implantacji dzielimy na słabo (µa-ma) i silno prądowe (dziesiątki maa), oraz wysokoenergetyczne (energia jonów w zakresie 200 kev 10 MeV) i wysoko dawkowe (powyżej jonów/cm 2 ). Dla energii jonów w zakresie pojedynczych kev dochodzi do ich osadzania na powierzchni materiału modyfikowanego podłoża. Najbardziej popularną aplikacją implantacji jonów jest domieszkowanie półprzewodników borem, fosforem,arsenem. Poziomem domieszkowania regulowany jest próg w tranzystorach MOSFET. Implantacja jonów jest używana do produkcji złączy p-n w elementach fotowoltaicznych. Technologia mezotaksji (w odróżnieniu od powierzchniowej epitaksji) wykorzystuje implantacje jonów do budowy struktur zagrzebanych. Inne zastosowania implantacji jonów to: utwardzanie stalowych narzędzi skrawających, wykańczanie powierzchni, mieszanie wiązek jonowych, niszczenie krystalograficzne, morfizacja materiału, napylanie wiązką akceleratorową, kanałowanie jonowe, trawienie jonowe, itp. Elektronika 3/

14 Utwardzanie i modyfikacja materiałów wiązką jonową lub promieniowaniem rentgenowskim posiada wiele aspektów technologicznych. Blachy stalowe mogą być obecnie zastępowane w wielu zastosowaniach przez wzmacniane/wygrzewane promieniowaniem rentgenowskim kompozyty węglowe. Takie materiały, przy wytrzymałości podobnej lub lepszej od stali, są znacznie lżejsze i zawierają mniejszą objętość. Związane jest to np. z mniejszym zużyciem paliwa przy zastosowani takich materiałów w pojazdach spalinowych. Ocenia się oszczędność na paliwie ponad 50%. Kraty tworzone z takich materiałów wykazują się znaczną sztywnością mogą z nich być budowane z powodzeniem bardzo lekkie i wytrzymałe karoserie nowoczesnych samochodów. Testowanie nieniszczące materiałów z użyciem akceleratorów znajduje zastosowanie w diagnostyce technicznej, kryminalistyce, obszarach kultury i sztuki oraz dziedzictwa kulturowego do autentykacji a także do skanowania towarów wewnątrz kontenerów na statkach, samolotach, samochodach ciężarowych, np. na granicach. Wiązki cząsteczkowe są używane do nieniszczących analiz dzieł sztuki i obiektów kultury starożytnej. Określane są materiału farb, klejów, podłoża, kolejnych warstw, itp. Całkiem bezpieczna energia jądrowa jest pożądana w energetyce przyszłości. W tym obszarze technika akceleratorowa, także w połączeniu z techniką laserową i technologiami plazmowymi (tokamaki i stellaratory) ma wielką przyszłość. Reakcje termojądrowe, podobne do zachodzących w słońcu, inicjowane w hybrydowych urządzeniach akceleratorowych mogą stanowić w przyszłości wydajne i bezpieczne źródła energii. Obecnie prowadzone są prace nad rozwiązaniami prototypowymi takich urządzeń JET w Culham, ITER w Cardarache. Akceleratory są wykorzystywane do bezpiecznego przetwarzania niebezpiecznych i długo żyjących odpadów jądrowych. Akceleratory są stosowane do poprawy bezpieczeństwa reaktorów jądrowych tym bardziej, ze większość tych reaktorów pracujących w Europie posiada wiek zbliżony do 50 lat. Rozwój akceleratorów i diagnostyka wiązek cząsteczkowych Obserwowane trendy rozwojowe akceleratorów są następujące. Maszyny o wielkich energiach są coraz większe. Zderzacz SSC był projektowany na ok. 90 km długości, ale zdaje się wyprzedzał swoją epokę. LHC został zbudowany w poprzednim tunelu LEP o długości 28 km. Będzie modernizowany do postaci początkowo HL-LHC a następnie HE-LHC. Maszyny ILC i/lub CLICK będą miały ok. 50 km długości. Maszyny wysoko-prądowe dysponują coraz większą mocą. Budowane są źródła neutronowe, gdzie źródłem energii jest wiązka protonowa o dużym natężeniu: SNS (US), ESS (Szwecja), CSNS (Chiny), IFMIF (Japonia). Podobne maszyny zmierzają w kierunku fabryki neutrin: T2K (JPARC, Japonia), NuMI/Nova (FNAL, US), CNGS (CERN), Project-X (FNAL, US). Kompleksy akceleratorowe dążą do uzyskania jak największej jasności zarówno wiązki cząsteczkowej jak i fotonowej w laserze na swobodnych elektronach: FLASH/European- XFEL (DESY, Hamburg), LCLS (SLAC, US), a także planowany w Polsce w NCBJ POLFEL, bazujący na technologii TESLA o częstotliwości pola przyspieszającego 1,3 GHz. Maszyny kompaktowe dążą do zmniejszenia rozmiarów do postaci table-top, czyli mieszczącej się na stole laboratoryjnym. Maszyny kompaktowe są używane jako źródła promieniowania gamma a także do produkcji radioizotopów medycznych i przemysłowych. Wyraźną tendencją jest budowa maszyn specjalnych, określanych w literaturze często terminem egzotyczne. Maszyny egzotyczne produkują rzadkie izotopy radioaktywne: FAIR (GSI, Darmstadt), HIE-ISOLDE (CERN). Maszyny egzotyczne są także używane do produkcji anty-materii, a w szczególności anty-protonów i antywodoru ELENA (CERN), FAIR (GSI, Darmstadt). Wiązki cząsteczek naładowanych propagowane w akceleratorach są otoczone aparaturą pomiarową i diagnostyczną. Obserwowane jest ciągle zachowanie wiązki. Wiązka przenosi znaczną energię więc musi być odpowiednio zabezpieczona. Wiązka jest 110 obiektem dynamicznym, więc dla celów badawczych powinna być wysoce stabilna. Badanych i dokumentowanych jest szereg parametrów wiązki akceleratorowej. Pozycja wiązki jest mierzona w celu dokładnego określenia jej pozycji w rurze próżniowej akceleratora. Natężenie wiązki jest mierzone w celu określenia sprawności operacyjnej akceleratora. Straty wiązki podlegają monitoringowi w celu zapewnienia bezpiecznego działania. Mierzone i obserwowane są profile wiązki poprzeczne i podłużne, w celu optymalizacji działania akceleratora. Systemy diagnostyczne akceleratorów i ich wiązek podlegają ciągłemu rozwojowi aby nadążyć za wzrastającą mocą akceleratorów i zwiększonymi wymaganiami dotyczącymi dokładności ich pracy. Jedną z odstawowych metod diagnostyki wiązki cząsteczkowej jest Monitor Prądu Ścianowego WCM (Wall Current Monitor). Prądowi naładowanej wiązki cząsteczkowej rozprzestrzeniającej się w próżniowej rurze akceleratora towarzyszy jego obraz prądowy prąd zwierciadlany, przepływający w przeciwnym kierunku w ściance próżniowej rury metalowej. W celu pomiaru tego prądu obrazu wiązki, w rurze tworzona jest szczelina połączona rezystorami, na których odkłada się napięcie proporcjonalne do prądu wiązki. Szczelina w rurze jest zamknięta pudełkiem metalowym w celu uniknięcia istnienia sekcji rury akceleratora o pływającym potencjale. Pudełko jest wypełnione ferrytem, i pełni rolę filtru. Wypełnienie ferrytowe zmusza prąd zwierciadlany wiązki wysokiej częstotliwości do przepływu przez rezystory. Niskie komponenty częstotliwościowe przepływają przez metalową ściankę pudełka zamykającego szczelinę w rurze akceleratora. Inne czujniki prądu wiązki obejmują: szybki transformator prądu wiązki FBCT, oraz transformator składowej stałej prądu wiązki DCBCT. Oba czujniki pracują w układzie transformatora Faradaya. Ważnym czujnikiem jest monitor pozycji wiązki BPM. BPM posiada w rurze akceleratora cztery elektrody o znacznych powierzchniach odizolowane od ścianek rury. Zmiana pozycji wiązki zmienia rozkład potencjałów pomiędzy elektrodami. Profil poprzeczny wiązki może być mierzony metodami optycznymi. W to wiązki wprowadzane są cienkie przesłony pełniące rolę konwerterów w światło i ekranów. Ekrany te są obserwowane przez kamery CCD. Skośne ustawienie ekranu wobec wiązki powoduje wzmocnienie ewentualnych rozbieżności wiązki od kształtu kołowego. Wiązka cząsteczkowa jest rozbieżna w kierunku poprzecznym do propagacji. Cząstki rozbieżne wiązki powoduję emisję wtórną. Emisja wtórna jest mierzona przy pomocy siatek pomiarowych (siatek emisji wtórnej SEG) obejmujących cały przekrój poprzeczny rury akceleratora. Profil wzdłużny zgęstki cząstek (czasowy) jest mierzony przy pomocy czujnika skanera drutowego WS. Straty wiązki są mierzone przy pomocy komory jonizacyjnej IC. Przyrządy, czujniki i systemy pomiarowe wiązki, tzw. instrumentacja wiązki, wymagają bardzo wysokiej precyzji wykonania i pomiarów. Pozycjonowanie elementów konstrukcyjnych akceleratora i elementów prowadzenia wiązki, przy ich wymiarach od centymetrów do dziesiątków metrów wymaga precyzji poniżej mikrometra. Akceleratory wytwarzają coraz więcej danych. Precyzja wiązki decyduje o jakości tych danych. O precyzji wiązki decyduje możliwość pomiaru i sterowania z rozdzielczością do pojedynczej zgęstki. Mierzone są obecnie wszystkie parametry wiązki dla każdej zgęstki osobno. Wiązka przenosi dużą moc. Z tym związane jest stosowanie odpowiednich metod pomiarowych nie narażających sprzętu na oddziaływanie niszczące. Stosowane techniki pomiarowe powinny mieć charakter nieinwazyjny. Oprócz tego niektóre elementy aparatury pomiarowej powinny być odporne na warunki środowiskowe istniejące w bezpośrednim otoczeniu wiązki. W takich warunkach pracy elementy te powinny wykazywać znaczny i ściśle określony, poziom niezawodności. Dodatkowo, maszyna jest otoczona systemem zabezpieczeń. Aparatura pomiarowa wiązki musi być zdolna do pomiaru zjawisk femtosekundowych w skali czasu, mikro i nanometrowych w skali przestrzeni, nanoamperowych w skali natężenie prądu i od kilowoltowych do mikrowoltowych w skali napięcia. Elektronika 3/2013

15 Akcelerator LHC posiada ponad 1000 urządzeń BPM mierzących pozycję wiązki. Planowany akcelerator liniowy CLIC, do pełnej kontroli wiązki o jednokrotnym przejściu (a nie wielokrotnym jak w akceleratorze kołówym LHC) będzie musiał mieć 40 tysięcy unitów BPM. Wymaga to takiego projektu, który przy bardzo precyzyjnym wykonaniu posiada niski koszt. Cechy wymaganej elektroniki odczytowo-kontrolno-diagnostycznej unitów BPM to prostota, odporność, niezawodność, i bardzo dobre parametry sygnałowe. Sygnały pomiarowe z BPM muszą podlegać cyfryzacji jak najbliżej unitu. Czujniki i stopnie wejściowe elektroniki muszą być odporne na promieniowanie jonizujące. Takie podejście, w porównaniu z rozwiązaniami poprzedniej generacji, minimalizuje okablowanie, ale wymaga stosowania redundancji sprzętowej i programistycznej oraz metod mitygacyjnych. Nowo budowane akceleratory, jak np. maszyna akceleratorowo laserowa, elektronowo-fotonowa E-XFEL wymagają znacznie zwiększonej rozdzielczości pomiaru przestrzennego wiązki i zgęstki, znacznie poniżej 1 mikrometra. Akceleratory następnej generacji wymagają jeszcze dokładniejszych pomiarów i określenia pozycji wiązki. Standardowe rozwiązania czujników BPM dają na wyjściu sygnały natężeniowe. Odejmowanie tych sygnałów parami daje sygnały różnicowe proporcjonalne do położenia wiązki. Gdy wartość różnicowa sygnału jest mała, to dokładność pomiaru jest niewielka. Rozwiązaniem na polepszenie dokładności pomiaru jest zastosowanie zamiast kwadrupolowych elektrod, osobnych wnęk rezonansowych dedykowanych pomiarowi BPM. W ten sposób z rozkładu pola EM można uzyskać rozdzielczość pomiaru submikrometrową, zamiast submilimetrowej. Mierzony jest bezpośrednio sygnał różnicowy, bez mierzenia sygnałów natężeniowych. Mod dipolowy TM 11 w pomiarowej wnęce rezonansowej jest proporcjonalny do pozycji. Jest on przesunięty w dziedzinie częstotliwości względem modu monopolowego, jednobiegunowego. Wymagania na BPM dla maszyny ILC w dziedzinie rozdzielczości pozycjonowania wiązki wynoszą ok. 2 nanometry, przy wymiarach rury akceleratorowej 6 12 mm. W chwili obecnej (koniec 2012) największa uzyskana rozdzielczość pomiaru pozycji wiązki akceleratorowej wynosi ok. 8nm w eksperymencie ATF2 w laboratorium KEK w Japonii. Działania i operacje w warunkach bardzo dużej mocy wiązki wymagają nieinwazyjnych technik pomiarowych. Mierzony jest wymiar wiązki cząsteczkowej o dużej mocy, w takcih maszynach jak akceleratory elektronowe, protonowe i jonowe dużej mocy, jak np. LHC. Pomiar odbywa się poprzez diagnostykę światła synchrotronowego. Światło synchrotronowe jest zbierane na zakrzywieniu wiązki cząsteczkowej, kolimowane i przez optyczną linię opóźniającą podawane jest na szereg detektorów jak AGM (Abort Gap Monitor), LDM (Long Density Monitor) oraz kamery wolną i szybką. Układ pomiarowy jest synchronizowany zegarem akceleratora, synchronicznie ze zgęstkami akcelerowanych cząsteczek. Inną metodą nieinwazyjną jest zastosowanie skanera drutowego. Wiązka elektronowa lub H - jest skanowana ortogonalnie V-H, przechodzi przez deflektor, skaner drutowy i następny deflektor. Deflektory oddzielają e, H -, H o, p. Jeszcze inną metodą nieinwazyjną jest wykorzystanie fluorescencji indukowanej wiązką. W optycznej, odizolowanej od reszty toru, czarnej komorze pomiarowej ułożonej wzdłuż toru wiązki stosuje się N 2 gaz fluorescencyjny, równomiernie rozłożony. Fluorescencyjnie rozświetlony tor wiązki jest obserwowany przez obiektyw, wzmacniacz obrazu i kamerę CCD. Znaczna moc wiązki wymaga stosowania różnych metod monitoringu utraty wiązki. W nowych rozwiązaniach systemów pomiarowych utraty wiązki stosuje się detektory diamentowe. Charakteryzują się one dużą szybkością działania i czułością. W maszynie LHC są stosowane do monitoringu strat dla pojedynczych następujących po sobie zgęstek. Takie detektory powinny mieć zdolność pracy warunkach kriogenicznych. Femtosekundowa skala czasowa zjawisk w wiązce akceleratora wymaga stosowania szybkich układów pomiarowych. Maszyny FEL i LC (lasery na swobodnych elektronach i zderzacze liniowe) stosują bardzo krótkie impulsy (femtosekundowej, i nawet attosekundowe) w celu zwiększenia jasności i poprawienia mocy promieniowania. Obecnie mierzy się impulsy ultrakrótkie stosując wnęki rezonansowe, które pracują jako deflektory poprzeczne. Jest to metoda destrukcyjna dla wiązki. Długość zgęstek (czas trwania) w niektórych akceleratorach wynosi w fs: LCLS-75, E-XFEl-80, CLIC-130, ILC-500, SNS-100ps, LHC-250ps. Metoda niedestrukcyjna wykorzystuje próbkowanie elektro-optyczne z dekodowaniem informacji pomiarowej w dziedzinie czasu lub w dziedzinie częstotliwości (spektralnej). Impuls z lasera femtosenkundowego jest rozciągany optycznie w czasie. W komórce elektrooptycznej ZnTe oddziaływuje z wiązką cząsteczkową, i następnie podawany jest na spektroskop siatkowy (dziedzina częstotliwości). W metodzie czasowej, wiązka lasera femtosekundowego jest rozdzielana na dwie. Jedna podlega stałemu opóźnieniu. Druga jest optycznie czasowo rozciągana i oddziaływuje z wiązką cząsteczkową, jak w metodzie spektralnej. Obie wiązki są podawane na kryształ BBO gdzie podlegają mieszaniu. Obraz jest obserwowany przez kamerę CCD. Instrumentacja wiązki akceleratorowej wymaga pomiarów bardzo małych prądów. Wykorzystywane są techniki pomiarowe z czujnikiem SQUID i konfiguracją zero-przepływową. Jest to metoda podobna do techniki DCCT, gdzie SQUID jest używany do detekcji bardzo małych wartości pola magnetycznego. System pozwala na pomiar prądów wiązki rzędu na. Cewka pomiarowa przez którą przechodzi wiązka jest połączona z cewką wejściową sprzężoną e elementem SQUID. SQUID jest sprzężony z trzema cewkami: pomiarową, sprzężenia zwrotnego oraz modulacyjną. Sygnał wyjściowy ze SQUID jest podawany na detektor synchroniczny, do którego doprowadzony jest także sygnał z generatora modulacyjnego. Europejskie Konsorcjum i projekt TIARA odgrywają bardzo ważną rolę w strukturyzacji i rozwoju obszaru badawczego nauki i techniki akceleratorowej. W szczególności stymulują krajowe wysiłki w pozyskaniu środków na budowę własnej dużej infrastruktury akceleratorowej o skali Europejskiej. Posiadanie takiej infrastruktury może przyczynić się do rozwoju szeregu gałęzi przemysłu o wysoce innowacyjnym charakterze. Akceleratory i maszyny FEL przyczyniają się do rozwoju badań materiałowych, przemysłowych, medycznych, oraz umożliwiają kształcenie własnej kadry dla różnych nowoczesnych dziedzin gospodarki narodowej. W kraju prowadzonych jest szereg prac badawczych nad rozwojem elementów akceleratorów, we współpracy z wieloma ośrodkami zagranicznymi dysponującymi dużą infrastrukturą eksperymentalną [5 56]. Literatura [1] TIARA [ Konferencja krajowa TIARA, Kraków 2012; ESGARD [ EuCARD [cern.ch/eucard] [2] TIARA-PP Accelerating Knowledge and Innovation, EU 7FP Accelerators for Society; Bulletin, CERN Communication Group [3] R.W. Hamm, M.E. Hamm, Introduction to the beam business: Industrial accelerators and their applications, World Scientific, Singapore 2012, ISBN [4] PTCOG: Particle Therapy Co-Operative Group [ptcog.web.psi.ch] [5] D. Wiącek, I. Kudła, K. Poźniak, K. Buńkowski, R. Romaniuk, Bazodanowy i interaktywny system monitoringu elektronicznego trygera mionowego RPC w CMS, Elektronika nr 1, 2005, str [6] W. Koprek, P. Kaleta, J. Szewiński, K.T. Poźniak, T. Czarski, R. Romaniuk, Oprogramowanie dla systemu kontrolno-pomiarowego akceleratora TESLA, Elektronika, nr 1, 2005, str [7] K.T. Poźniak, R.S. Romaniuk, W. Jałmużna, K. Ołowski, K. Perkuszewski, J. Zieliński, K. Kierzkowski, Gigabitowy moduł optoelektroniczny dla systemu LLRF TESLA, Elektronika, nr 7, 2005, str Elektronika 3/

16 [8] W. Giergusiewicz, W. Jałmużna, K.T. Poźniak, R.S. Romaniuk, Ośmiokanałowy system sterowania modułem akcelerator ESLA, Elektronika, nr 7, 2005, str [9] W. Zabołotny, P. Roszkowski, A. Kwiatkowski, K. Poźniak, R. Romaniuk, Wbudowany system komputerowy jako sterownik płyt pomiarowych do sterowania LLRF w akceleratorze, Elektronika, nr 7, 2005, str [10] W. Koprek, P. Pucyk, T. Czarski, K.T. Poźniak, R.S. Romaniuk, Konfiguracja i pomiary systemu SIMCON ver.2.1.,elektronika, nr 7, 2005, str [11] K. Poźniak, R. Romaniuk, K. Kierzkowski: Modularna platforma do systemu sterowania akceleratorem TESLA, Elektronika, z. 7. ss [12] W. Koprek, T. Czarski, P. Kaleta, P. Pucyk, J. Szewiński, K. Poźniak, R. Romaniuk: Sterowanie oraz akwizycja danych w systemie SIMCON 2.1, Elektronika, z. 7. ss [11] K.T. Poźniak, T.W. Czarski, R.S. Romaniuk, System pomiarowokontrolny dla nadprzewodzącej, mikrofalowej wnęki rezonansowej akceleratora TESLA i europejskiego laseraxfel, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji PAN, vol. 51, z. 1, str , [14] P. Strzałkowski, W. Koprek, K.T. Poźniak, R.S. Romaniuk, Uniwersalny moduł sterowania LLRF do akceleratora liniowego FLASH, Elektronika, vol.48, nr 7, str , [15] K. Bujnowski, A. Siemionczyk, P. Pucyk, I. Szewiński, K.T. Poźniak, R.S. Romaniuk, Konwerter skryptu MatLab na kod C do procesorów osadzonych w systemie LLRF akceleratora liniowego FLASH, Elektronika, vol. 48, nr 6, str , [16] R. Romaniuk, POLFEL laser na swobodnych elektronach w Polsce, Elektronika nr 4, 2010, str [17] R. Romaniuk, EuCARD Technika akceleratorowa w Europie, Elektronika, nr 07, 2010, str [18] R.S. Romaniuk, Rozwój techniki akceleratorowej w Europie EuCARD 2012, Elektronika, vol.53, Nr 9, 2012, str [19] R.S. Romaniuk, Technika akceleratorowa i eksperymenty fizyki wysokich energii, Wilga 2012, Elektronika, vol. 53, Nr 9, 2012, str [20] R.S. Romaniuk, Fizyka fotonu i badania plazmy, Wilga 2012, Elektronika, vol. 53, nr 9, 2012, str [21] A. Zagozdzinska, R.S. Romaniuk, K. Pozniak, P. Zalewski, TRI- DAQ systems in HEP experiments at LHC accelerator, Proc. SPIE 8698, art.no.86980o (2012). [22] R.S. Romaniuk, Review of EuCARD project on accelerator infrastructure in Europe, Proc.SPIE 8698, art.no.86980q (2012) [23] R.S. Romaniuk, Free electron infrastructure in Europe 2012, Proc.SPIE 8702, art.no M (2013). [24] R. Romaniuk, EuCARD 2010 accelerator technology in Europe, International Journal of Electronics and Telecommunications 56 (4), pp (2010). [25] R.Romaniuk, Accelerator infrastructure in Europe EuCARD 2011, International Journal of Electronics and Telecommunications 57 (3), pp (2011). [26] R. Romaniuk, et al., Optical network and fpga/dsp based control system for free electon laser, Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences 53 (2), pp (2005). [27] R. Romaniuk, et al., Metrological aspects of accelerator technology and high energy physics experiments, Measurement Science and Technology, 18 (8), art. no. E01 (2008). [28] P. Fąfara, et al., FPGA-based implementation of a cavity field controller for FLASH and X-FEL, Measurement Science and Technology, 18 (8), pp (2008). [29] T. Czarski, et al., Superconducting cavity driving with fpga controller, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 568 (2), pp (2006). [30] T. Czarski, et al., TESLA cavity modeling and digital implementation in fpga technology for control system development, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 556 (2), pp (2006). [31] T. Czarski, et al., Cavity parameters identification for TESLA control system development, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 548 (3), pp (2005). [32] R. Romaniuk, POLFEL A free electron laser in Poland, Photonics Letters of Poland, 1 (3), pp (2009). [33] CMS Collaboration, K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Commissioning of the CMS experiment and the cosmic run at four tesla, Journal of Instrumentation, vol. 5, no. 3, 2010, T [34] K. Poźniak, R. Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Performance of the CMS Level-1 trigger during commissioning with cosmic ray muons and LHC beams, JINST, vol. 5, no. 3, T [35] K. Poźniak, R. Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Performance of the CMS drift-tube chamber local trigger with cosmic rays, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [36] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Fine synchronization of the CMS muon drift-tube local trigger using cosmic rays, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [37] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Commissioning of the CMS High-Level Trigger with cosmic rays, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03005 [38] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., CMS data processing workflows during an extended cosmic ray run, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [39] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Commissioning and performance of the CMS pixel tracker with cosmic ray muons, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [40] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Commissioning and performance of the CMS silicon strip tracker with cosmic ray muons, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03008 [41] K. Poźniak, R. Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Alignment of the CMS silicon tracker during commissioning with cosmic rays, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [42] K. Poźniak, R. Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Performance and operation of the CMS electromagnetic calorimeter, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [43] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Measurement of the muon stopping power in lead tungstate, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, P03007 [44] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Time reconstruction and performance of the CMS electromagnetic calorimeter, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [45] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Performance of the CMS hadron calorimeter with cosmic ray muons and LHC beam data CMS Collaboration, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [46] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Performance of CMS hadron calorimeter timing and synchronization using test beam, cosmic ray, and LHC beam data, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [47] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Identification and filtering of uncharacteristic noise in the CMS hadron calorimeter, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T [48] K.Poźniak, R.Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Identification and filtering of uncharacteristic noise in the CMS hadron calorimeter, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T [49] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Performance of the CMS drift tube chambers with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol. 5, no. 3, 2010, T [50] K.Poźniak, R.Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Calibration of the CMS drift tube chambers and measurement of the drift velocity with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T [51] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Performance study of the CMS barrel resistive plate chambers with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol. 5, no. 3, 2010, T [52] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Performance of the CMS cathode strip chambers with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol. 5, no. 3, 2010, T [53] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Aligning the CMS muon chambers with the muon alignment system during an extended cosmic ray run, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T [54] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Alignment of the CMS muon system with cosmic-ray and beam-halo muons, Journal of Instrumentation, vol. 5, no. 3, 2010, T [55] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Precise mapping of the magnetic field in the CMS barrel yoke using cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol. 5, no. 3, 2010, T [56] CMS Collaboration, K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Performance of CMS muon reconstruction in cosmic-ray events, Journal of Instrumentation, vol. 5, no. 3, March 2010, paper T03022, 49 pages, doi: / /5/03/t03022, arxiv: Elektronika 3/2013

17 Electronics and Photonics for Accelerator Technology Coordinated Accelerator Research and Development in Europe From CARE ( ) to EuCARD ( ) From EuCARD to EuCARD-2 ( ) Enhanced European Coordination for Accelerator Research and Development EuCARD-2 Grant agreement no: ; Infrastructure for Accelerator Sciences and Technology Combination of CP and CSA (Collaborative Project and Coordination and Support Action) Work Packages: Management and Communication; Catalysing Innovation; Energy Efficiency; Accelerator Applications; Extreme Beams; Low Emittance Rings; Novel Accelerators; Ionisation Cooling Test facility, Test Facilities for High Radiation Materials and Superconducting High Field Magnets, Future Magnets, Collimator Materials for Fast High Desity Energy Deposition, Innovative Radio Frequency Technologies, Novel Acceleration Techniques 114 ELEKTRONIKA 3/2013

18 Research accelerators are facing important challenges that must be addressed in the years to come: existing infrastructures are stretched to all performance frontiers, new world-class facilities on the ESFRI roadmap are starting or nearing completion, and strategic decisions are needed for future accelerators and major upgrades in Europe. While current projects concentrate on their specific objectives, EuCARD-2 brings a global view to accelerator research, coordinating a consortium of 40 accelerator laboratories, technology institutes, universities and industry to jointly address common challenges. By promoting complementary expertise, crossdisciplinary fertilisation and a wider sharing of knowledge and technologies throughout academia and with industry, EuCARD-2 significantly enhances multidisciplinary R&D for European accelerators. This new project will actively contribute to the development of a European Research Area in accelerator science by effectively implementing a distributed accelerator laboratory in Europe. Transnational access will be granted to state-of-the-art test facilities, and joint R&D effort will build upon and exceed that of the ongoing EuCARD project. Researchers will concentrate on a few well-focused themes with very ambitious deliverables: 20 T accelerator magnets, innovative materials for collimation of extreme beams, new high-gradient high-efficiency accelerating systems, and emerging acceleration technologies based on lasers and plasmas. EuCARD-2 will include six networks on strategic topics to reinforce synergies between communities active at all frontiers, extending the scope towards innovation and societal applications. The networks concentrate on extreme beam performance, novel accelerator concepts with outstanding potential, energy efficiency and accelerator applications in the fields of medicine, industry, environment and energy. One network will oversee the whole project to proactively catalyze links to industry and the innovation potential. EuCARD-2 Participants 1 EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH CERN Switzerland 2 UNIVERSITAT FUR MUSIK UND DARSTELLENDE KUNST GRAZ (KUG) KUG Austria 3 RHP-TECHNOLOGY GMBH & CO KG RHP Austria 4 TEKNOLOGISK INSTITUT DTI Denmark 5 TTY-SAATIO TUT Finland 6 COMMISSARIAT A L ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES CEA France 7 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CNRS France 8 INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE Grenoble INP France 9 Société Civile Synchrotron SOLEIL SOLEIL France 10 Bruker HTS GmbH BHTS Germany 11 STIFTUNG DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON DESY DESY Germany 12 GSI HELMHOLTZZENTRUM FUER SCHWERIONENFORSCHUNG GMBH GSI Germany 13 HEINRICH-HEINE-UNIVERSITAET DUESSELDORF UDUS Germany 14 HELMHOLTZ-ZENTRUM BERLIN FUR MATERIALIEN UND ENERGIE GMBH HZB Germany 15 HELMHOLTZ-ZENTRUM DRESDEN-ROSSENDORF EV HZDR Germany 16 JOHANNES GUTENBERG UNIVERSITAET MAINZ JGU Germany 17 Karlsruher Institut fuer Technologie KIT Germany 18 UNIVERSITAET ROSTOCK UROS Germany 19 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE INFN Italy 20 POLITECNICO DI TORINO POLITO Italy 21 UNIVERSITA TA MALTA 22 UNIVERSITEIT TWENTE UT Netherlands 23 NARODOWE CENTRUM BADAN JADROWYCH NCBJ Poland 24 POLITECHNIKA WARSZAWSKA WUT Poland 25 RUSSIAN RESEARCH CENTRE KURCHATOV INSTITUTE NRC KI Russian Federation 26 AGENCIA ESTATAL CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS CSIC Spain 27 EUROPEAN SPALLATION SOURCE ESS AB ESS Sweden 28 LUNDS UNIVERSITET LUND Sweden 29 UPPSALA UNIVERSITET UU Sweden 30 PAUL SCHERRER INSTITUT PSI Switzerland 31 UNIVERSITE DE GENEVE UNIGE Switzerland 32 THE UNIVERSITY OF HUDDERSFIELD HUD United Kingdom 33 ROYAL HOLLOWAY AND BEDFORD NEW COLLEGE RHUL United Kingdom 34 UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON SOTON United Kingdom 35 SCIENCE AND TECHNOLOGY FACILITIES COUNCIL STFC United Kingdom 36 UNIVERSITY OF STRATHCLYDE STRATH United Kingdom 37 UNIVERSITY COLLEGE LONDON UCL United Kingdom 38 LANCASTER UNIVERSITY ULANC United Kingdom 39 THE UNIVERSITY OF MANCHESTER UNIMAN United Kingdom 40 THE CHANCELLOR, MASTERS AND SCHOLARS OF THE UNIVERSITY OF OXFORD UOXF United Kingdom ELEKTRONIKA 3/

19 EuCARD 2 prof. dr hab. inż. Ryszard S. Romaniuk Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych, WEiTI EuCARD 2 jest projektem europejskim prowadzonym w latach w ramach programu FP7. Projekt dotyczy rozwoju Europejskiej infrastruktury akceleratorowej. Dla laboratoriów krajowych jest ważny ze względu na plany budowy takiej infrastruktury w Polsce. Infrastruktura akceleratorowa o charakterze badawczym podstawowym i stosowanym stymuluje wokół niej rozwój i zastosowania przemysłowe i biomedyczne akceleratorów, badania materiałowe, kriotechnikę, mechatronikę, robotykę, a szczególnie elektronikę jak sieciowe systemy kontrolno pomiarowe, czujniki, systemy komputerowe, automatykę i systemy sterowania. Artykuł prezentuje przegląd wybranych zagadnień naukowych i technicznych do rozwiązania w ramach europejskiego projektu rozwoju badawczej infrastruktury akceleratorowej EuCARD-2 Enhanced European Coordination for Accelerator Research & Development. Artykuł opracowano na podstawie dokumentów Internetowych i Intranetowych dotyczących projektu Eucard-2, dokumentu FP7 EuCARD-2 DoW , , a także dyskusji i materiałów przygotowawczych do złożenia wniosku o projekt do EC prowadzonych i opracowywanych w gronie inicjatorów projektu. Akceleratory badawcze Akceleratory badawcze stoją obecnie przed nowymi wyzwaniami, które powinny być rozwiązane w najbliższej przyszłości. Obecnie istniejące infrastruktury są wykorzystywane w pełni we wszystkich obszarach współczesnej fizyki akceleratorowej. Budowane są nowe kompleksy akceleratorowe, zgodne z mapą drogową ESFRI. Niektóre z nich wkrótce rozpoczynają aktywność badawczą. Międzynarodowa społeczność fizyki akceleratorowej wypracowuje decyzje strategiczne dotyczące przyszłych akceleratorów lub zasadniczych modernizacji istniejących infrastruktur w Europie. EuCARD-2 jest wspólnie wypracowanym integratorem i koordynatorem Europejskich wysiłków badawczych międzynarodowych i krajowych prowadzonych w ramach obecnie realizowanych projektów przez główne laboratoria posiadające wielką infrastrukturę akceleratorową. Partnerami w EuCARD-2 jest 40 instytucji: laboratoria akceleratorowe, instytuty technologiczne, uniwersytety i przemysł, a celem sprostanie współczesnym wyzwaniom badawczym, technicznym i organizacyjnym. EuCARD reprezentuje uzupełniającą się wiedzę ekspercką, doświadczenie wielodyscyplinarne, współdzielenie wiedzy i technologii, połączenie eksperymentu z uniwersytetem i przemysłem. EuCARD-2 wzmacnia znacznie wielodyscyplinarne badania i rozwój Europejskich akceleratorów. EuCARD-2 dąży w kierunku utworzenia Europejskiego Obszaru Badawczego ERA (European Research Area) w dziedzinie nauki akceleratorowej. Taki obszar będzie tworzony poprzez działanie silnie skoordynowanego, rozproszonego laboratorium akceleratorowego w Europie. Europejski Obszar Badawczy w zakresie techniki akceleratorowej 116 Jednym z podstawowych właściwości ERA (tutaj w zakresie techniki akceleratorowej) jest gwarantowanie swobodnego, jak najbardziej ułatwionego, ponad narodowego dostępu do wielkich infrastruktur badawczych dla wszystkich, odpowiednio przygotowanych, zespołów badawczych. Takie wielkie infrastruktury posiadają na ogół unikalny charakter w skali globalnej, są zazwyczaj dostępne tylko w jednej lokalizacji. Tworzenie Europejskiego obszaru badawczego w zakresie techniki akceleratorowej rozpoczął projekt CARE Coordinated Accelerator Research in Europe, realizowany w latach przez kilkadziesiąt laboratoriów. Działania były kontynuowane w ramach projektu EuCARD European Coordination of Accelerator Research and Development, realizowanego w latach Projekt EuCARD-2 buduje na tych dobrych doświadczeniach Europejskich i zamierzeniem jest ich znaczne rozszerzenie. Projekt koncentruje się na bardzo ambitnych zadaniach naukowo-technicznych, jak: budowa standaryzowanych magnesów o polu ponad 20T; opracowanie innowacyjnych materiałów dla kolimacji ekstremalnych wiązek cząsteczkowych i fotonowych; budowa nowych, wysoce efektywnych systemów akceleracyjnych; o bardzo dużym gradiencie pola przyspieszającego; opanowanie nowych technologii akceleracji bazujących na technikach laserowej dużej mocy i plazmowej, opracowanie nowej generacji systemów SRF. EuCARD-2 działania sieciowe EuCARD-2 zawiera aż sześć różnych, szeroko zakrojonych, ogólno-europejskich działań sieciowych, dotyczących strategicznych zagadnień, w celu wzmocnienia synergii pomiędzy społecznościami badawczymi działającymi na różnych frontach nauki i techniki akceleratorowej w Europie. Priorytetem działalności sieciowej jest rozszerzenie działań badawczych takich projektów jak CARE, EuCARD, a obecnie EuCARD-2 w kierunku innowacji i zastosowań o charakterze ogólno-społecznym. Sieci koncentrują się na zagadnieniach jakości wiązek ekstremalnych, nowych koncepcjach akceleratorowych o wyjątkowym potencjale produkcji wiązek cząsteczkowych, sprawności energetycznej modernizowanych i nowo budowanych maszyn, oraz na zastosowaniach akceleratorów w medycynie, przemyśle, monitoringu i ochronie środowiska naturalnego, a także nowych metodach produkcji energii. Całość projektu EuCARD-2 będzie obserwowana przez odrębne działanie sieciowe w celu proaktywnej katalizy połączeń z przemysłem i inicjacji, oraz efektywnego wykorzystania generowanego w projekcie potencjału innowacyjnego. Efektywność energetyczna akceleratorow Ocena efektywności energetycznej dużej maszyny akceleratorowej wymaga zebrania danych (początkowo w postaci kwestionariuszy, docelowo w postaci dynamicznej bazy danych zbierającej informacje z systemu pomiarowego i diagnostycznego) dotyczących: użycia energii elektrycznej, ilości generowanego ciepła, topologicznego rozkładu temperatur, wymagań systemów grzejących i chłodzących, wymaganych temperatur urządzeń, ciśnień, przepływów gazów i cieczy, itp. Na podstawie takich danych można tworzyć polityki użytkowania maszyny i optymalizować efektywność. Odzyskiwanie energii z akceleratora jest czynnikiem zwiększającym efektywność energetyczną Możliwe jest odzyskiwanie ciepła i funkcjonalne jego wykorzystywanie (obecnie chłodnice wyrzucają ciepło do atmosfery) przez lokalnych użytkowników. Opcją jest odzyskiwanie energii z wiązki cząsteczkowej. Sprawność konwersji energii elektrycznej dużego akceleratora jest iloczynem efektywności indywidualnych w kanale przetwarzania mocy AC na DC, DC na RF oraz RF na wiązkę cząsteczkową lub fotonową. Sprawność dużego klistronu o mocy 10 MW wynosi obecnie 65%. Prowadzone są prace rozwojowe nad znacznym podniesieniem tej sprawności. Opcją jest zastosowane innych źródeł: SSPA, IOT, magnetron, CFA, magnikon oraz optymalizacja systemów dystrybucji wielkiej mocy RF. Zachowanie znacznej ilości energii elektrycznej w ciągu czasu rzędu sekund dokłada się zasadniczo do bezpiecznej i efektywnej eksploatacji akceleratorów. Krótkie przerwy zasilania kompleksu akceleratorowego, zwykle poniżej jednej sekundy, mogą prowadzić do zatrzymania generacji wiązki. Ujemne sprzężeni zwrotne silnie fluktuującego obciążenia wielkiej mocy mają negatywny wpływ na sieć energetyczną. W wielkich Elektronika 3/2013

20 maszynach, takich jak LHC, odzyskanie wiązki trwa wiele godzin, podczas których akcelerator musi być w pełni zasilany, co prowadzi do znacznych strat energii. Rozwiązaniem jest stosowanie dynamicznych rezerwuarów energii, o zagregowanej mocy rzędu setek MW, podtrzymujących zasilanie w czasie kilku sekund. Magazyn taki pobiera zawsze stałą moc z sieci, zachowuje ją w sekundowej skali czasu i stanowi stabilne źródło zasilania impulsów dużej mocy dla magnesów impulsowych oraz dla klistronów. Kompleksy akceleratorowe są urządzeniami o wielkiej skali komplikacji i konsumują ogromne ilości energii, głównie elektrycznej. Istnieje w związku z tym wiele metod optymalizacji zużycia energii. Znaczną część kompleksów stanowią fabryki zimna, skraplające azot, wodór i hel i rozprowadzające zimno po maszynie, a także gromadzące zimno, w postaci długoterminowych rezerwuarów energii. Chwilowe nadmiary energii mogą być wykorzystywane do skraplania wodoru i przetrzymywania jej w tej postaci do użytkowania w późniejszym terminie. W skomplikowanym kompleksie akceleratorowym wiele urządzeń może być wyłączanych lub nie cały czas pracować z pełną mocą, jeśli nie wpływa to na bieżące zadania realizowane przez akcelerator. Jeśli zużycie mocy jest poniżej zamówionej i zapewnionej wartości nominalnej, a w wielkim kompleksie chodzi o dziesiątki MW, to z punktu widzenia operatora sieci tworzone jest wirtualne źródło energii, oddające tą energię z powrotem do sieci. Jednym z wyzwań dla tego typu regulacji zużycia mocy jest inteligentny system sterowania, integrujący wszystkich konsumentów z dużej infrastruktury badawczej w spójną sieć. Tworzenie wirtualnych elektrowni związanych z wielkimi konsumentami energii elektrycznej jest wyzwaniem niedalekiej przyszłości. Dotyczy to takich nowo budowanych infrastruktur akceleratorowych jak FAIR, ale także GSI, CERN, DESY i PSI. Długie linie transportowe wiązki w wielkich kompleksach akceleratorowych, bazujące na silnych magnesach kwadrupolowych i dipolowych o dużych aperturach, zużywają znaczne ilości energii elektrycznej. Z drugiej strony, transport wiązki jest wykonywany jedynie w krótkich okresach czasu. Rozwiązaniem jest zastosowanie magnesów nadprzewodzących impulsowych (zasilanych jedynie w czasie pasażu wiązki) lub silnych magnesów stałych. Podsumowując, optymalizacja gospodarki energią w kompleksie akceleratorowym obejmuje: odzyskiwanie ciepła, minimalizacja energii długodystansowego transportu wiązki, przechowywanie energii, wirtualna elektrownia, oraz sprawne systemy RF. Zastosowania akceleratorów Klasa akceleratorów niskoenergetycznych obejmuje nowe rozwiązania maszyn wysoko-prądowych o pracy ciągłej CW i energiach wiązki do 10 MeV oraz źródła jonowe dla nich, także układy elektrostatyczne i RFQ. Zastosowania obejmują: produkcję neutronów termicznych dla różnych celów, implantację jonów, techniki rozpraszania, datowanie, analizy izotopowe, przetwórstwo zanieczyszczonej wody i gazów, oczyszczanie i sterylizacja instrumentów medycznych. Akceleratory średniej energii obejmują maszyny, pracujące w zakresie od 10 MeV do 1GeV, takie jak krótko-impulsowe protonowe i jonowe. Są to głownie cyklotrony, akceleratory FFAG o stałym polu a zmiennym gradiencie, oraz kompaktowe akceleratory liniowe. Zastosowania obejmują: akcelerację protonów i jonów dla terapii nowotworowej i produkcji izotopów dla technik obrazowania PET i SPECT. Wysokoprądowe akceleratory protonowe i jonowe o dużych energiach wiązki są maszynami pracującymi w zakresie 500 MeV kilka GeV. Główne zastosowania to budowa systemów energetycznych zasilanych akceleratorami jak produkcja neutronów metodą rozszczepiania jąder atomowych oraz zasilanie torowych reaktorów jądrowych i transmutacja jądrowych odpadów promieniotwórczych. Z takimi akceleratorami związane są tarcze np. dla produkcji neutronów. Aplikacje obejmują produkcję Mo99, terapię borowo-neutronową BNCT. Prace nad akceleratorami obejmują także iniektory i transport wiązek. Akceleratory najwyższej energii mają prawie wyłącznie zastosowania badawcze. Jednak, badania nad tymi unikalnymi maszynami i ich konstrukcja jest kuźnią dla dalszych prac rozwojowych maszyn funkcjonalnych o szerszym zastosowaniu. Akceleratory i wiązki ekstremalne Wiązki ekstremalne są produkowane jedynie w kilku największych akceleratorach. Ciągłym przedmiotem starań akceleratorowej społeczności naukowej jest modernizacja tych największych akceleratorów, a w szczególności LHC do postaci SLHC poprzez okresy przejściowe HL-LHC i docelowo HE-LHC. Budowane są zupełnie nowe wielkie kompleksy akceleratorowe jak FAIR w GSI Darmstadt, ESS w Szwecji. W DESY budowany jest duży elektronowy akcelerator liniowy o długości 3 km będący zasilaczem dla lasera rentgenowskiego FEL. Projektowane są zaawansowane maszyny zderzaczy ekstremalnych: ILC i CLIC. W szczególności, projekty HE-LHC, ILC oraz CLIC wymagają znacznych postępów w wielu dziedzinach nauki i techniki, aby można było je zrealizować, jak na przykład: nowe efektywne fabryki zimna, długodystansowa i bezstratna transmisja wielkiej mocy elektrycznej elastycznym (półelastycznym) kanałem nadprzewodzącym, ultra odporne materiały kolimacyjne, nowa generacja czujników i elektroniki znacznie bardziej odporna na promieniowanie jonizujące, nowe generacje magnesów ultra silnych, ultra precyzyjne magnesy do super-ogniskowania wiązki w punkcie interakcji, stabilizacja wiązki w punkcie interakcji na poziomie sub-nanometrowym, instrumentacja wiązki i metody pomiarowe o rozdzielczości czasowej attosekundowej i przestrzennej pikometrowej, itp. Tematyka wiązek ekstremalnych obejmuje: zderzacze, liniaki nadprzewodzące, oraz pierścienie o ekstremalnych parametrach, nie tylko w sensie energii i mocy, czy jasności chwilowej i zintegrowanej. ale także precyzji i koherencji, czasowej, przestrzennej, energetycznej, momentu pędu. Obejmuje także ekstremalne zagadnienia polaryzacyjne, jak źródła spolaryzowane, zachowanie stanu polaryzacji wiązki podczas akceleracji, produkcja wiązek leptonowych i hadronowych o maksymalnej polaryzacji, manipulacja spinem, mechanizmy depolaryzacji, polarymetria o maksymalnej dokładności. Funkcjonalności polaryzacyjne są przedmiotem badań ze względu na takie przyszłe projekty akceleratorowe jak: fabryki neutrin, SuperB, LHeC, MESA oraz RHIC. Poszukiwane są ograniczenia fizyczne i techniczne polarymetrii akceleratorowej. Metody polarymetryczne pozwalają na dokładniejsze badania struktury hadronów. Pierścienie akceleratorowe ultra nisko emitancyjne We wszystkich akceleratorach, a szczególnie w akceleratorach pierścieniowych a także w wigglerach występuje szereg zjawisk prowadzących do rozbieżności i rozpraszania wiązki. Emitancja poprzeczna powinna być zmniejszana w celu poprawienia sprawności akceleratora, redukcji ładunku przestrzennego, redukcji zjawisk emisji wtórnej, niestabilności kolektywnych, niestabilności mikro-zgęstkowych podczas generacji promieniowania synchrotronowego, unikania multipaktingu, i inne. Optyka ultra nisko emitancyjna jest projektowana dla pierścieni chłodzących, pierścieni akumulacyjnych i zderzaczy pierścieniowych. Optyka jest projektowana dla magnesów wielo zgięciowych achromatycznych połączonych z wigglerami chłodzącymi, gdzie dochodzi do emitancji poziomej. Projektowane są magnesy dipolowe o wzdłużnie zmiennym polu zakrzywiającym. Redukcja wpływu ładunku przestrzennego na emitancję, rozpraszania wewnątrz-wiązkowego, i innych zjawisk kolektywnych prowadzi do redukcji narastania emitancji i przedłużenia czasu życia wiązki. Inne rozwiązania optyczne stosowane do skrócenia długości zgęstki w celu produkcji koherentnego promieniowania synchrotronowego. Badania nad źródłami światła o bardzo dużej świetlności oraz zderzaczami o wielkiej jasności wymagają zastosowania akceleratorów o ultra niskich emitancjach. Wymagania na pionową emi- Elektronika 3/