автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Системное и прикладное программное обеспечение для обработки экспериментальных данных с нейтринного детектора ИМВЭ-ОИЯИ

1 о Ъ 9 ^

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

90-181

На правах рукописи

Мухин Сергей Адольфович

СИСТЕМНОЕ И ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ С НЕЙТРИННОГО ДЕТЕКТОРА ИФВЭ-ОИЯИ

05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

Автореферат

диссертации на соискание учбной степени кандидата физико-математических наук

Протвино 1990

М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких енергий (г.Протвино).

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук

A.A.Спиридонов.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

B.П.Кубаровский (ИФВЭ, г.Протвино), кандидат физико-математических наук Г.А.Емельяненко (ОИЯИ, г.Дубна).

Ведущая организация - Институт теоретической и экспериментальной физики (г. Москва).

Защита диссертации состоится "_"_1991 г.

в_ часов на заседании специализированного совета К 034.02.01

при Институте физики высоких енергий (142284, Протвино Московской обл.).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ. Автореферат разослан "_"_1990 г.

Учёный секретарь специализированного совета

ИФВЭ С.А.Гуменюк

(с) Институт физики высоких энергий, 199

./t :->ртг

Актуадьность проблемы. В ИФВЭ силами сотрудничества институтов ИФВЭ (Протвино), ОИЯИ (Дубна), ИФВЭ (Цойтэн), ЦИФИ (Будапешт) создана установка "Нейтринный детектор ИФВЭ-ОИЯИ" (НД). Современные установки в физике высоких энергий являются сложными приборами, ориентированными на решение определенного круга задач. В создании таких установок, программ обработки полученных с них данных, а также в самом анализе этих данных обычно участвуют большие коллективы физиков из нескольких физических центров. Физические установки в силу исследовательского характера проводящихся с их помощью работ значительно отличаются друг от друга, что делает актуальной задачу создания программ off-line обработки данных для каждой новой установки. В большинстве таких программ имеются сходные этапы обработки: поиск образов треков частиц на проекциях, определение соответствующих друг другу образов треков с разных проекций, вычисление координат вершины взаимодействия и т.д. Однако из-за различия аппаратуры установок, условий проведения экспериментов, изучаемых физических процессов процедуры, с успехом используемые при обработке данных с одной установки, для другой установки либо не могут быть использованы вообще, либо имеют низкую эффективность. Поэтому, несмотря на наличие значительного количества разработанных алгоритмов, проблема создания эффективного алгоритма обработки данных с конкретной физической установки всегда остаЗтся актуальной задачей.

Программы обработки данных с современных физических установок обычно велики по размеру (десятки тысяч строк). Для удобства работы они строятся по модульному принципу. Разработкой и реализацией различных компонент программы параллельно занимаются коллективы разработчиков в каждом физическом центре, входящем в сотрудничество. Как правило, на протяжении всей жизни программы

проводится разработка новых модулей программы и модернизация старых, причем одновременно несколькими пользователями. Кроме того, при помощи одной и той же off-line программы решается не одна фиксированная задача, а целый ряд связанных между собой задач (проведение калибровки, распознавание событий и восстановление их параметров для различных классов событий, исследование эффективности обработки). Следовательно, должна быть обеспечена возможность компоновки из существующих обрабатывающих модулей различных рабочих версий программы. Веб это делает актуальной задачу построения гибкой управляющей части off-line программы.

При проведении экспериментальных исследований условия работы на установке могут изменяться. Важным фактором в повышении гибкости программы является использование в ней средств для автоматизации настройки на обработку данных в условиях конкретных экспериментов. Обычно в физике высоких энергий для этих целей создаются так называемые "HEP базы данных", конкретная реализация которых выбирается из соображений эффективности, адекватности решаемой задаче (достаточной, но не чрезмерной общности), а также возможности адаптации на всех используемых в сотрудничестве ЭВМ. К настоящему времени ещб не разработана такая универсальная "HEP база данных", которая для кавдой установки в полной мере удовлетворяла бы всем предъявленным к ней требованиям. Поэтому актуальной остабтся задача разработки "HEP базы данных" для конкретной физической установки.

Физикам-экспериментаторам в процессе создания и использования off-line программы приходится регулярно применять разнообразные вспомогательные программные средства (трансляторы, различные пре-и постпроцессоры и т.п.). Работа с ними требует указания часто многочисленных и не всегда легко запоминающихся параметров. В настоящее время уже не вызывает сомнений актуальность не только создания все новых инструментальных программных средств, но и объединение разрозненных средств в одну интегрированную систему с общим интерфейсом пользователя.

Перечисленные актуальные задачи были решены при создании системы off-line обработки данных с установки НД. Подобные проблемы возникали и при проведении расчетов пучков меченых нейтрино.

При проведении физических исследований на ускорителях важное значение имеет точность, с которой известны параметры пучка изучаемых частиц. Существенным недостатком обычных нейтринных

пучков является то, что параметры нейтрино в таких пучках известны с плохой точностью. Новым шагом в методике нейтринных исследований является создание пучков меченых нейтрино. Идея метода мечения нейтрино от распадов заряженных К-мезонов заключается в том, что вместе с регистрацией в детекторе нейтринного взаимодействия с помощью специальной станции мечения измеряются параметры остальных частиц от распада (K—^iv или К—evjt°), в котором образовывалось данное нейтрино. Поскольку существует вероятность установления ложного соответствия между событиями в системе мечения и в нейтринном детекторе, окончательный отбор правильных событий можно осуществить только на этапе off-line анализа. Поэтому для того, чтобы учесть все основные факторы, влияющие на точность восстановления параметров нейтрино, на эффективность мечения и уровень фона, необходимо создать комплекс программ, моделирующих всю цепочку получения и обработки информации. Поскольку расчбты пучков меченых нейтрино носили исследовательский характер, и готовых программ или аналогов не существовало, то актуальным было создание программной системы TAG для расчёта пучков меченых нейтрино.

Целью диссертационной работы явилось создание программного обеспечения для off-line обработки данных с Нейтринного детектора ИФВЗ-ОИЯИ и расчёта пучков меченых нейтрино для ускорителей У-70 и УНК.

Научная новизна работы состоит в разработке общей структуры программы для off-line анализа данных с Нейтринного детектора ИФВЗ-ОИЯИ; в создании для этой программы управляющей части, не зависящей от обрабатывающих модулей; в создании информационно-поисковой системы для работы с базой данных для эксперимента "Нейтринный детектор"; в разработке алгоритмов и создании программного обеспечения для распознавания нейтринных событий в мишенной частиц НД; в создании программной системы для проведения расчётов пучков меченых нейтрино.

Практическая ценность. Создано программное обеспечение для off-line обработки данных с Нейтринного детектора ИФВЭ-ОШИ. Это обеспечение внедрено в физических центрах, входящих в сотрудничество "Нейтринный детектор", и будет использоваться в течение

всего периода работы этого детектора на У-70. Созданная управляющая часть off-line программы GRAND после небольшой модернизации может использоваться и при создании программ обработки данных с других детекторов. В настоящее время она используется в программе для off-line анализа данных с комплекса меченых нейтрино (КМН).

Изложенные в диссертации принципы и разработки нашли применение и при создании комплекса программ для расчбта нейтринных пучков нового типа - пучков меченых нейтрино. Программы использовались для расчетов при планировании экспериментов на У-70 и УПК. На основе выполненных с помощью этого комплекса программ расчбтов в ИФВЭ завершается создание установки КМН.

Общий объбм созданного автором и представленного в диссертации программного обеспечения составляет около 43К строк на Фортране и языках управления заданиями (вместе с набором тестовых программ БЗК строк). Имеется подробная документация (полный объбм более 300 страниц).

Структура диссертации и апробация работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения и заключения, содержит 21 рисунок и список цитируемой литературы, включающий 47 наименований. Основные результаты диссертации представлены в работах, опубликованных в материалах V Международного совещания по проблемам математического моделирования, программированию и математическим методам решения физических задач, в материалах Всесоюзного семинара по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях, в материалах рабочего совещания "Физические исследования на УНК", в материалах рабочих совещаний по Нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ и в виде препринтов ИФВЭ/1-14/

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе приводятся общие сведения об установке НД и делается обзор её црограммного off-line обеспечения. ЦЦ - это детектор с электронным събмом информации калориметрического типа с трековой системой, включающий в себя мишенную часть, детектор электронов и мюонный спектрометр. Мишенная часть представляет собой калориметр, состоящий из жидкосцинтилляционных счбтчиков (ЖСС) и дрейфовых камер, окруженный магнитной оболочкой. Мюонный спектрометр состоит из стальных намагниченных дисков и дрейфовых

камер. Он предназначен для измерения импульсов и определения знака мюонов.

Система координат выбрана так, что ось Z направлена по пучку, ось X - горизонтально, ось Y - вверх.

Дрейфовые камеры имеют по 4 сигнальные проволоки, что позволяет восстанавливать координату и угол пролетевшей через камеру заряженной частицы (стринг).

Събм информации с НД бестриггерный, т.е. в течение всего сброса протонного пучка на мишень нейтринного канала в детекторе регистрируются сигналы с дрейфовых камер и счбтчиков. Информация о сбросе записывается на магнитные ленты. Разбиение еб на отдельные события производится на этапе off-line анализа данных. Для off-line анализа данных с НД создана программа геометрической и кинематической реконструкции событий GRAND. При помощи программы GRAND решается не одна фиксированная задача, а целый ряд связанных мевду собой задач: проведение калибровок камер и счбтчиков, распознавание событий и восстановление их параметров для различных классов нейтринных реакций, исследование эффективности обработки и т.д. С целью обеспечения большей гибкости программы было решено во всех версиях программы GRAND использовать одну и ту же управляющую часть, а прикладное программное обеспечение создавать в виде "модулей", которые имеют заранее оговоренный интерфейс с управляющей частью.

Управляющая часть программы GRAND реализована таким образом, чтобы обеспечить простоту компоновки версии программы из нужных модулей. Она также позволяет с помощью управляющих карт указывать, какие из модулей, включенных в версию, должны работать в данном запуске программы. Вызов требуемых модулей производит подсистема управления программой через пакет GUPSY.

Для работы с базой данных эксперимента и автоматизации настройки программы GRAND на обработку в условиях конкретных экспериментов на Нейтринном детекторе реализована информационно-поисковая система EXDA. Она включает в себя пакет подпрограмм GD и интерактивную программу модификации информационного фонда M0DEX.

Пользователь работает в рамках "операционной среды GRAND". Она ориентирована на параллельную разработку и использование различных вариантов программы и обеспечивает единый взгляд на применяемые пользователем программные средства.

В качестве базовой библиотеки для создания программы выбрана библиотека типа KERELIB, а также пакеты подпрограмм НВООК, ZBOOK, ЕРЮ, PPREAD, которые получили широкое распространение и имеются в большинстве физических центров. Для сопровождения текстовых библиотек используется система PATCHY. Язык программирования -подмножество Фортрана.

Во второй главе обсувдается общая структура off-line программы для анализа данных с Нейтринного детектора ИФВЭ-ОИЯИ. Рассматривается технология создания управляющей части oll-llпе программы, опиращаяся на понятия "фаза выполнения программы", "программное событие" и конкретизацию понятия "программный модуль". Представлены программные средства поддержки этой технологии. Описана созданная по предложенной технологии управляющая часть программы GRAND для oif-llne анализа данных с ВД.

Функционирование любой off-line программы можно представить как происходящую под контролем управлявшей части программы последовательную смену фаз обработки, таких как начальная установка значений параметров алгоритмов, начало очередного RUNa, обработка события, конец RUNa, завершение обработки и других. Программа составляется из некоторого множества "модулей", причЭм кроме модулей, которые считаются "стандартными", обычно предусматривается возможность подключения так называемого "пользовательского кода", т.е. отдельных подпрограмм или вставок в стандартные модули, которые расширяют возможности программы. На каждой фазе обработки, вообще говоря, выполняются действия, необходимые каждому из имеющихся в программе модулей (будем называть такие действия подмодулем этого модуля).

Таким образом, можно считать, что модули состоят из некоторого количества подмодулей, кавдый из которых вызывается на определенной фазе работы программы, т.е. что программа расслоена как по вертикали, так и по горизонтали. Модули могут инициировать "программные события" (ПС) (например, требование завершить обработку RUNa, отказ от дальнейшей обработки события и т.д.). Реагируя на программные события, управляющая часть программы выбирает для выполнения очередную фазу.

Реализация этих понятий и принципов в off-line программах бывает различной. Автором проанализированы off-line программы для детекторов СНАЕЫ-И и NA4 (CERN) - детекторов того же класса

к которому относится и НД, и показано, что недостаточная формализация понятия "модуль" как набора подмодулей, а также понятия "программное событие", порождает ряд недостатков:

- резкое различие между стандартными (созданными разработчиками программы) и пользовательскими модулями;

- несимметричное отношение к различным подмодулям модуля;

- неотделимость, в некоторых случаях, подмодуля от управляющей части.

В разработанной автором технологии построения программы GRAND явно используются понятия "модуль", "фаза обработки" и "программное событие". Модулем в программе GRAND называется набор подпрограмм, который делится на две части: подмодули модуля (обязательная часть) и вспомогательные подпрограммы, которые вызываются из подмодулей (необязательная часть). Каждый подмодуль в программе GRAND представлен отдельной подпрограммой. Обоснование такого решения с использованием техники вариантных сетей приводится в приложении.

Стандартные и пользовательские модули в программе GRAND совершенно равноправны. Одинаковым для них является и способ инициирования программных событий (ПС). ПС в GRAND является указанием диспетчеру GRAND к выполнению какой фазы (зависящей от типа ПС) перейти после завершения текущей фазы. Для большинства фаз программы GRAND возникновение ПС прерывает дальнейшее выполнение фазы. В результате удалось полностью избавиться от необходимости вводить обладающие особым статусом "триггерные" модули, поскольку любой модуль в такой схеме может стать триггерным, инициируя соответствующее ПС.

Разработана управляющая часть программы GRAND, которая состоит из диспетчера и трех системных модулей (см. рис.1). Настройка программы на обработку конкретного RUNa производится автоматически с использованием описанной в третьей главе системы EXDA. Задание типа обработки, т.е. списка требуемых обрабатывающих модулей, пользователь производит путём указания этих модулей в управляющих картах программы.

Программное обеспечение, поддерживающее предложенную технологию, включает организующий вызовы модулей пакет GUPSY, пакет для работы с таблицами GL, а также препроцессоры FIXDRV и GUTRAN. FIXDRV производит генерацию текста вспомогательных подпрограмм, через посредство которых пакет GUPSY осуществляет вызов модулей.

сиИШ! предназначен для того, чтобы переводить в Фортран текст диспетчера СОДГО, написанного на специальном языке.

[Стандартные пакеты подпрограмм f

О а о

Утилит Пакет Модуль

Рис.1. Граф вызовов пакетов и модулей, входящих в управляющую часть программы ИШИ).

Предложенный автором подход позволил сделать управляющую часть программы GRAND не зависящей ни от конкретных прикладных модулей, ни от информации, которую они обрабатывают. Поэтому управляющая часть GRAND после небольшой модернизации может использоваться и при создании программ обработки данных с других детекторов.

Созданные программные средства транспортабельны на ЭВМ типа ICL, CDC, VAX, ЕС, IBM PC и адаптированы в организациях, входящих в сотрудничество "Нейтринный детектор ИФВЭ-ОИЯИ".

Общий объбм описанного в настоящей главе программного обеспечения составляет 13.6К строк на Фортране (шесте с тестами -17,5К строк).

В третьей главе рассматривается окружение программы GRAND. Представлена информационно-поисковая система для эксперимента "Нейтринный детектор" EXDA, предназначенная для автоматизации настройки программы GRAND на обработку конкретных экспериментов. Описана операционная среда ARCH для разработчиков и пользователей многокомпонентных программных систем (т.е. систем, состоящих из достаточно большого количества относительно независимых частей), а также две созданные на еб основе операционные среды для конкретных программных систем.

"Базы данных" (БД) (обычно не з полном значении этого термина, а в смысле "HEP database") в настоящее время широко применяются для хранения геометрических и калибровочных констант в программах oif-llne анализа данных с различных физических установок. Для этой ке цели предназначена и информационно-поисковая система EXDA. Она ориентирована на использование в программах, которые в качестве системы динамического распределения памяти используют пакет ZB00K.

Единицей хранения данных в EXDA выбран банк или семейство банков, с которыми связаны ключевое слово и набор дескрипторов. Дополнительная информация в виде дескрипторов облегчает систематизацию и поиск нужных банков. Например, если в банке хранятся калибровочные константы, то в качестве одного из дескрипторов обычно используют номер RUNa, а точнее, диапазон номеров RUNob, для которых информация из данного банка справедлива. Уникальность банка определяется значениями его ключа и дескрипторов.

Система EXDA включает в себя пакет подпрограмм GD и программу модификации информационного фонда эксперимента M0DEX. Пакет GD является нижним уровнем программного обеспечения системы и производит обмен данными мезду программами обработки и информационным фондом эксперимента. Интерактивная программа M0DEX позволяет редактировать банки и дескрипторы, вводить ноше банки, копировать банки из одного файла экспериментальных данных в другой, а также копировать такие файлы на магнитную ленту (и обратно) с целью переноса на другие ЭВМ.

По своим возможностям система EXDA занимает промежуточное положение между такой БД как CHARON (эксперимент на установке

CHABM-II) и БД для детекторов следующего поколения. Отметим, что, хотя EXDA создавалась для эксперимента "Нейтринный детектор", она может использоваться в любой программе, в которой применяется пакет ZBOOK.

Для облегчения параллельной работы нескольких разработчиков над созданием различных частей программы была реализована операционная среда ARCH. Она предназначена для разработчиков и пользователей многокомпонентных программных систем. В процессе создания программного обеспечения разработчики неоднократно выполняют такие операции, как компиляция программы и еб сборка, работают с библиотеками подпрограмм, используют различные пре- и постпроцессоры, ведут архив и т.д. Для выполнения этих функций имеются разнообразные программные средства. Работа с ними, как правило, предполагает знание определенных деталей функционирования этих средств, требует задания часто многочисленных параметров, которые к тому же могут сильно различаться в разных операционных системах. Выявив наиболее часто используемые разработчиками данного класса программ операции и определив, какие программные средства нужны для их выполнения, можно создать для разработчиков такую операционную среду, в которой поддерживался бы единый взгляд на работу с этими средствами.

При работе с программными системами, состоящими из достаточно большого количества программных компонент, обладающих свойством относительной независимости друг от друга (многокомпонентными программными системами) обычно должны быть решены такие вопросы как централизованное хранение отлаженных (рабочих) версий компонент, а также возможность использования (быть может несколькими разработчиками или пользователями) личных или экспериментальных версий некоторых компонент. В обоих случаях должны быть обеспечены:

- оперативный доступ к текущей версии компоненты;

- хранение "устаревших" версий в долговременном хранилище;

- введение библиотеки подпрограмм оттранслированных компонент.

Удобно, таким образом, в операционной среде для разработчиков

(и пользователей) многокомпонентных систем опираться на соответ-ствупцим образом определенное понятие архива. Это понятие широко используется в операционной среде ARCH. ARCH реализована на двух типах ЭВМ в виде процедуры на языке управления заданиями. Вход-

ной язык обеих реализаций ARCH'практически одинаков, что облегчает пользователям переход с одной ЭВМ на другую.

На базе ARCH реализована операционная среда GRAND, которая предназначена для облегчения проведения параллельной разработки и использования различных вариантов программы GRAND.

В рамках созданной на основе ARCH операционной среды для работы с пакетами на ICL-1906A проводились работы по адаптации и поддержке церновских пакетов подпрограмм FFREAD, ZBOOK, НВООК и ЕРЮ, а также по созданию и поддержке пакетов GD, GL и GUPSY.

Первая версия системы ARCH была реализована при проведении расчбтов пучков меченых нейтрино. Опыт дальнейшей работы с несколькими приложениями ARCH показал удобство этой системы. Реализация принятых в ARCH принципов позволяет:

- интегрировать в одной системе различные инструментальные программные средства с единым взглядом на них;

- ввести широкое использование правил "по умолчанию";

- облегчить независимое создание компонент программной системы несколькими разработчиками.

Общий объВм описанного в данной главе программного обеспечения составляет 10,6К (из них EXDA - 4,7К) строк на Фортране и языках управления заданиями (вместе с тестами - около 15К строк).

В четвбртой главе обсуждаются проблемы распознавания нейтринных событий в мишенной части НД. При работе в пучке широкого спектра основную долю нейтринных событий составляют события с одним мюоном в конечном состоянии (см. рис.2а) и безмюонные события. Для геометрической реконструкции таких событий могут использоваться созданные автором программные модули для локализации события в пространстве детектора, поиска мюонных треков в мишенной части НД на отдельных проекциях, объединения треков на проекциях в пространственные, поиска вершины нейтринного взаимодействия.

За время сброса ускорителя в установке НД может произойти, вообще говоря, несколько нейтринных событий. Программный off-line триггер, т.е. выделение из информации о всем сбросе той, которая относится к отдельным событиям, производится по временным и координатным данным от ЖСС. Сначала кандидаты в нейтринные события заводятся в соответствии с пиками в гистограмме времен срабатываний ЖСС. Затем модуль PEVENT по топологии срабатываний

счётчиков ищет пространственные границы события. При этом число кандидатов в нейтринные события может увеличиться, если срабатывания счётчиков образуют разделяющиеся в пространстве кластеры достаточно большого размера.

МО МО

'М мч с „ ^ < «„ 1 ...............„_У.

/ /

МО * ' .......'

Рис.2. Схематическое изображение реальных событий в Нейтринном детекторе ИФВЭ-ОИЯИ. Показаны контуры детектора и информация с дрейфовых камер на одной проекции. МЧ - мишенная часть, МО - магнитная оболочка, МС - мюонный спектрометр.

(а) Нейтринное событие с мюоном в конечном состоянии.

(б) Событие с наложившимися на него фоновыми треками.

Центральной задачей при распознавании события с ВД является задача выделения траектории частиц (треков). Особое значение имеет распознавание треков в мишенной части установки, поскольку все треки от нейтринных событий начинаются, а две трети и заканчиваются в этой части НД.

Среда факторов, усложняющих выделение треков, можно назвать следующие:

- искривление трека (на обеих проекциях) при попадании его в магнитную оболочку (факт попадания в которую обычно на одной из проекций невозможно определить по информации с дрейфовых камер), а также вследствие многократного рассеяния в веществе;

- наличие пропусков стрингов из-за неэффективности работы ДК, а также вследствие того, что дрейфовые камеры перекрывают не всю магнитную оболочку;

- наличие не относящихся к треку стрингов.

Последнее обсуловлено ложными отсчетами с проволочек, стрин-гами от электромагнитных и адронных ливней вблизи вершины, а также большими дрейфовыми промежутками в ДК (время дрейфа до Б цсек, что сравнимо с временем сброса пучка ускорителя на мишень нейтринного канала). Поэтому в информации о данном событии могут присутствовать фоновые стринги от других событий этого же сброса (см. рис.26). Часть фоновых стрингов от других событий можно исключить, если оставлять в событии только те стринги, которые при экстраполяции пройдут через сработавшие счЭтчики. Но так как счЭтчики расположены горизонтально, то сделать это можно только для треков на У-проекции.

Поиск треков модулем РРШИ осуществляется независимо на X-и У-проекциях. Сначала ищутся прямолинейные отрезки треков (фрагменты) в центральной части МЧ, где нет магнитного поля, затем криволинейные фрагменты в магнитной оболочке.

При отслеживании фрагментов применяется метод гистограммиро-вания. Для поиска прямолинейных фрагментов используется одномерная "веерная" гистограмма (бшш ей веером расходятся из опорной точки). В магнитной оболочке применяется двумерная веерная гистограмма (при этом вокруг каждой бины одномерной гистограммы строится веер из криволинейных бин). Найденные фрагменты треков объединяются затем в сегменты. При этом для каждого фрагмента строится (из других фрагментов) дерево допустимых продолжений, в котором затем выбирается ветвь, максимизирующая функцию качества сегмента. Сегменты и принимаются за искомые образы треков.

Для объединения в пространственные треки соответствующих X-и У-проекций данного трека (сегментов) в мишенной части НД предназначен программный модуль РМА.ТСН. В н5м используется ряд алгоритмов, учитывающих особенности регистрации треков в НД.

Первый алгоритм использует длину сегментов и близость их начал и концов на разных проекциях. При этом учитывается, что поскольку в НД дрейфовые камеры полностью не перекрывают магнитную оболочку, то может оказаться, что часть трека не будет зарегистрирована на одной из проекций.

Второй алгоритм опирается на информацию с жидкосцинтилляцион-ных счётчиков, которые дают, хотя и с небольшой точностью (особенно для Х-проекции), пространственную координату проховдения частицы через счЗтчик.

Третий алгоритм используется только для треков, выходящих в торец МЧ (примерно треть мюонных треков от нейтринных событий) и проходящих через повернутые ДК. Для каждой пары сегментов с разных проекций делается предсказание положения трека в повернутых ДК. Информация из этих ДК используется для отбора правильных комбинаций сегментов.

Для объединения проекций треков в пространственный трек используется комбинация из этих элементарных алгоритмов.

Эффективность распознавания мюонных треков существенно зависит от фоновой загрузки событий. В случае отсутствия фона проверки, которые применяются в описанных модулях при реконструкции треков, можно сделать достаточно "мягкими". Как видно из табл.1, в этом случае эффективность распознавания мюонных треков оказывается высокой.

Чтобы определить эффективность в условиях фона, нейтринные события разыгрывались с временами, равномерно распределбнными по банчам в сбросе. Эти события затем накладывались на информацию от реальной нейтринной экспозиции с целью имитации существующих фоновых условий. Обработка таких событий с использованием "мягких" проверок приводит к сильному снижению эффективности работы модулей из-за появления большого числа ложных треков. Оптимальное качество распознавания достигается при использовании в модулях более "строгих" проверок.

Таблица 1. Эффективность распознавания мюонных треков на различных этапах обработки

Этап обработки События без фона, "мягкие" проверки События без фона, "строгие" проверки События с фоном, "строгие" проверки

Фильтрация в МЧ 96% 95% 91»

Traok matoh 96* 96% 89%

Для определения координат вершины нейтринного взаимодействия в ВД предназначен программный модуль PVERTX. В своей работе он использует информацию с нидкосцинтнлляционных счЗтчиков (ЯСС), найденное модулем PEVENT начальное приближение Z-координаты вершины ZQ, стринги из некоторой окрестности начального приближения и треки, проходящие через достаточно большое количество ЖСС и начинающиеся не слишком далеко по Z от Zq.

Процедура определения координат (Xv, Y , Zv) вершины заключается в следующем. Сначала ищется начальное приближение (XQ, Yq). Если в событии есть треки, имеющие достаточно много подтверждений в НСС, то за (XQ, Yo) принимается усредненная по всем трекам координата пересечения трека (или его продолжения) с плоскостью Z=Z .

о

Если треков в событии не найдено, начальное приближение (XQ, Y ) ищется с использованием координатной информации от НСС. Для кавдой плоскости ЖСС вычисляется средневзвешенная координата сработавших в событии счЭтчиков. В качестве весов используется энерговыделение в счбтчиках. Через полученные таким образом точки проводится прямая по методу наименьших квадратов, пересечение которой с плоскостью Z=Z и да5т искомое начальное приближение

V-

Затем осуществляется итерационный процесс уточнения положения вершины с использованием информации от дрейфовых камер: стрингов и построенных на их основе треков.

Как уже говорилось, в информации о событии может присутствовать значительное число фоновых стрингов (см. рис.26). Кроме того, из стрингов от адронных или электромагнитных каскадов могут быть отфильтрованы "ложные" треки. Поэтому большое значение приобретают процедуры отбора стрингов и треков для включения в фит координат вершины и вычеркивания плохих измерений.

Поскольку в итерационном процессе процедуру вычисления координат вершины приходится иногда повторять несколько раз, то еЗ необходимо было сделать достаточно простой и быстрой. Координаты вершины (X , Y , Z ) ищутся из условия минимума функционала:

1 = ^JVVVV'V knvw\i\+

+ ¿x(Xv-VVV-V2V Js (Van(Zv"Zn)_bn)2Wn+ + (X -X )2W + (Y -Y )2W +(Z -Z )2W .

V О X V о у V о z

Здесь суммирование ведется по Х-проекциям треков Тх, Y-проекциям треков Ту, Х-стрингам Sx и Y-стрингам S^.. Xv, Yv, Zv - искомые координаты вершины; XQ, Yq, Zq - начальное приближение вершины; А±, В± - параметры трека 1; а^, bJt z^ - параметры стринга J.

Веса ~ и, вообще говоря, зависят от величины Zv, поскольку

°i = + 2Zvcov(Ai, В±) + о2^).

Но чтобы сделать функционал линейным относительно искомых параметров и тем самым упростить его минимизацию, веса V±t Wk, W^, Wn брались фиксированными при Zv= ZQ.

Подчеркн9м также, что выбранный вид функционала позволяет (через скобки, относящиеся к трекам) связать информацию с обеих проекций, что весьма важно в условиях большого количества фоновых стрингов.

Если некоторые стринги или треки плохо согласуются с найденным приближением (Ху, Yy, Zy), то они исключаются из процедуры поиска вершины, и делается новая итерация. Точность восстановления вершины для событий, которые были правильно распознаны на предыдущих этапах обработки, составляет o(X)=o(Y)=6,3 см, o(Z)=28 см.

Созданные модули использовались в рамках программы GRAOT) для решения ряда задач: изучения распределений фоновых мюонов в зоне ЦЦ, фильтрации треков равновесных мюонов в детекторе для проведения по этой информации калибровки ДК, получении первых результатов с НД для антинейтринной экспозиции, для обработки beam-dump эксперимента.

На рис.3 приводится сравнение угловых и импульсных распределений положительных мюонов для реальных и моделированных v-собы-тий из beam-dump эксперимента, обработанных программой GRAND. Видно, что существует согласие между этими данными.

0;00 0.10 0.20 0.30 ОАО 0.50

Лолер*А/й у мл?о*с (р од.)

0 5 10 15 20 25

(Гз в/с )

Рис.3. Сравнение угловых и импульсных распределений для пологи-тельных мюонов: зарегистрированных в Ьеаш-Лишр вкспери-менте (точки с ошибками) и моделированных (гистограмма).

Созданные модули адаптированы в организациях, входящих в сотрудничество "Нейтринный детектор ИФВЭ-ШЯИ".

Общий объ5м описанного в данной главе программного обеспечения составляет 9К строк на Фортране (вместе с тестовыми модулями-ПК строк).

Пятая глава посвящена созданному программному обеспечению для проведения расчетов пучков меченых нейтрино. Представлена программная система TAG для проведения этих расчбтов. Описывается операционная среда ММТ, на базе которой велись расчёты программной системой TAG.

Идея метода меченых нейтрино состоит в том, что одновременно с регистрацией нейтринного взаимодействия измеряются параметры остальных частиц, образовавшихся в распаде родительской частицы. Для этого в конце распадного канала располагается станция мочения, позволяющая регистрировать продукты распадов К—>цг> и К—»evx° (мюоны, электроны и 7-кванты). Взаимодействие в нейтринном детекторе является триггером, по которому с детекторов станции мечения считывается информация, используемая затем для восстановления импульса нейтрино.

За временной интервал 10 не (предполагавшаяся точность временной привязки событий в станции мечения и нейтринном детекторе) в системе мечения будет зарегистрировано несколько распадов. Таким образом, установить соответствие между распадами в системе мечения и событием в нейтринном детекторе можно только на этапе off-line анализа. Поэтому для того, чтобы учесть все основные факторы, влияющие на точность восстановления параметров нейтрино и на эффективность мечения, необходимо было промоделировать всю цепочку получения и обработки информации: распад К- и тс-мезонов, регистрацию родившихся частиц и всю систему off-line обработки, которая включает в себя программы кинематической реконструкции событий, а также совокупность программ статистического анализа полученных данных.

Расчёты характеристик пучка меченых нейтрино проводились методом Монте-Карло. Последовательно рассматривались вопросы геометрической эффективности мечения, точности восстановления параметров нейтрино, исключения фоновых взаимодействий, загрузки детекторов, сравнения с дихроматическими пучками нейтрино. Для проведения этих расчбтов была реализована программная система TAG, которая состоит из двух пакетов подпрограмм, а также из совокупности программ (более полутора десятков), использующих эти пакеты. Пакет GENR содержит подпрограммы для моделирования распадов, а пакет GNDT моделирует работу детекторов.

На рис.4 показана схема движения данных между компонентами программной системмы TAG. Для решения проблем, возникающих при

организации хранения и использования большого количества программ, а также многочисленных вариантов разнообразных параметров для различных программ была разработана операционная среда ЖЕ, которая была реализована на базе первой версии системы ARCH.

Рис.4. Схема движения данных ыевду компонентами программной системы TAG.

С помощью программной системы TAG были проведены расчеты пучков на ускорителе У-70 (в настоящее время на У-70 завершается создание комплекса меченых нейтрино). Были рассчитаны также параметры пучков меченых нейтрино для УНК.

Общий объбм описанного в данной главе программного обеспечения составляет 10К строк на Фортране и языке управления заданиями. к

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

В приложении приводится один из вариантных секторов из обоснования проекта GRAND.

Список литературы

1. Жигунов В.П., Королева Т.К., Куликов В.А., Мухин O.A., Пере-лыгин В.Ф., Платонов В.Г., Спиридонов A.A. Реализация принципа модульности в программе GRAND. - В кн.: Материалы VII рабочего совещания по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ. ОИЯИ Р1, 2, 13-86-508, Дубна 1986, с. 170-175.

2. Мухин С.А., Спиридонов A.A. Системные модули программы GRAND.-В кн.: Материалы VIII Рабочего совещания по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ. ОИЯИ Д1, 2, 13-88-90, Дубна 1988, с.167-171.

3. Жигунов В.П., Куликов В.А., Мухин С.А., Наумов В.Л., Платонов В.Г., Спиридонов A.A., Иванченко И.М., Карпенко H.H., Мойсенз П.В., Пальчик В.В. Общая структура программы GRAND для анализа данных с нейтринного детектора. - В кн.: Материалы V Международного совещания по проблемам математического моделирования, программированию и математическим методам решения физических задач. ОИЯИ Д10, 11-84-818, Дубна 1984, с.318-320.

4. Куликов В.А., Мухин O.A., Спиридонов A.A. Информационно-поисковая система эксперимента "Нейтринный детектор". - В кн.: Материалы VII рабочего совещания по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ. ОИЯИ Р1, 2, 13-86-508, Дубна 1986, с.161-164.

5. Мухин С.А., Спиридонов A.A. Архив модулей программы GRAND. -В кн.: Материалы VII Рабочего совещания по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ. ОИЯИ PI, 2, 13-86-508, Дубна 1986, с.176-179.

6. Жигунов В.П., Королева Т.К., Куликов В.А., Мухин С.А., Спиридонов A.A. Об одной технологии построения модульных программ обработки. - В кн.: Всесоюзный семинар по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях. Пленарные доклады. Протвино, 1986, Секция М 3, Л 25.

7. Королева Т.К., Мухин С.А., Спиридонов A.A. Общая организация программы GRAND для анализа данных с нейтринного детектора ИФВЭ-ОИЯИ. - Препринт ИФВЭ 89-100. Серпухов, 1989.

8. Мухин С.А. Пакеты подпрограмм FFHEAD, ZBOOK, EBOOK и ЕРЮ на ЭВМ ICL-1906A. Препринт ИФВЭ 84-13. Серпухов 1984.

9. Королева Т.К., Куликов В.А., Мухин С.А., Спиридонов A.A. Алгоритмы геометрической реконструкции событий в нейтринном детекторе ИФВЭ-ОИЯИ. - Препринт ИФВЭ 90-28. Протвино, 1990.