Zaawansowane Systemy Elektroniczne i Inżynieria Internetu. WILGA luty Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych

Transkrypt

1 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/

2 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

3 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/

4 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

5 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/