Разработка метода для имитационного моделирования эксперимента EXPERT физики радиоактивных пучков
|
Введение 10
1. Имитационное моделирование физических экспериментов 12
1.1. Цели и подходы Монте-Карло моделирования физического 12
эксперимента
1.2. Эксперимент EXPERT 13
1.3. Имитационное моделирование эксперимента на основе событий 15
1.4 Выводы 18
2. Математические методы и алгоритмы 19
2.1. Детектор нейтронов NeuRad 19
2.1.1. Геометрическая модель детектора нейтронов NeuRad 21
2.1.2 Метод имитационного моделирования отклика детектора 22
2.1.3. Алгоритм реконструкции событий в детекторе NeuRad 26
2.2. Детектор гамма квантов Gadast 28
2.2.1. Метод имитационного моделирования отклика детектора 29
GADAST
2.2.2. Алгоритм реконструкции событий в детекторе GADAST 31
2.3. Трекинговый микростиповый детектор muSi. 31
2.3.1. Метод имитационного моделирования отклика детектора muSi 32
2.3.2. Алгоритм поиска хитов 33
2.3.3. Алгоритм поиска треков частиц 34
2.3.4. Метод снижения количества фиктивных треков 36
2.3.5. Алгоритм восстановления вершин 36
2.4. Алгоритм глобального имитационого моделирования событий 38
2.4.1. Моделирование мишенного распада 38
2.4.2. Моделирование распада на лету 39
2.5. Выводы 40
3. Разработка программного пакета ExpertRoot 42
3.1. Выбор программной и аппаратной платформы 42
3.2. Разработка программного пакета 43
3.2.1. Внешние библиотеки и программные инструменты 43
3.2.1.1. Библиотека транспорта элементарных частиц GEANT4 43
3.2.1.2. Фреймворк для анализа данных ROOT 44
3.2.1.3. Коммандный интерперетатор Cling 46
3.2.1.4. Фреймворк для разработки пакетов имитационного моделирования физических экспериментов FairRoot 47
3.3.2. Структура программного пакета 48
3.2.3. Симуляция, моделирование отклика и реконструкция 49
3.3. Использование базы данных для хранения параметров установки 51
3.4. Оптимизация вычислений с учетом особенностей аппаратной платформы 53
3.4.1. Алгоритм моделирования откликов детектора и реконструкции событий для машины с распределенной памятью 53
3.4.2. Векторизация алгоритма имитационного моделирования отклика детектора NeuRad 55
3.5. Разработка структуры сервера непрерывной интеграции программного пакета 58
3.6. Выводы 61
4. Вычислительные эксперименты 63
4.1. Вычислительные эксперименты на детекторе NeuRad 63
4.1.1 Сравнение распределений депозитов энергии с GEANT4 63
4.1.2. Тестирование имплементации закона Биркса 64
4.1.3. Время высвечивания фотоэлектронов 65
4.1.4. Визуализация характерного события 66
4.1.5. Расчет эффективности однофайберного режима 67
4.1.6. Расчет эффективности многофйберного режима 67
4.2. Вычислительные эксперменты на детекторе Gadast 68
4.2.1. Сравнение энерговыделений в детекторе GADAST с GEANT4 68
4.2.2. Визуализация характерного события 70
4.3. Вычислительные эксперименты на детекторе muSi 70
4.3.1. Ошибка восстановления координаты вершины распада 70
4.4. Эффективность векторизации алгоритма моделирования 72
отклика детектора NeuRad
4.5. Эффективность параллелизации алгоритмов моделирования 73
отклика и реконструкции событий
4.6. Выводы 74
5. Организационно-экономическая часть 75
5.1. Введение 75
5.2. Основные этапы проекта разработки нового изделия 75
5.3. Расчёт трудоёмкости проекта и затрат на проект 78
5.4. Определение численности исполнителей 80
5.5. Календарный график выполнения проекта 81
5.6. Анализ структуры затрат проекта 82
5.7. Выводы 88
6. Промышленная экология и безопасность 90
6.1. Анализ основных факторов воздействия среды на оператора ПК 90
6.1.1 Обеспечение параметров микроклимата 90
6.1.2. Обеспечение электробезопасности 91
6.2. Расчёт системы освещения 93
6.2.1. Выбор источников света и системы освещения 94
6.2.2. Выбор осветительных приборов 94
6.2.3. Размещение осветительных приборов 94
6.2.4. Выбор освещенности и коэффициента запаса 95
6.2.5. Расчёт осветительной установки 95
6.3. Утилизация медьсодержащих растворов травления от
производства печатных плат
6.4. Выводы 97
Заключение 99
Список источников 100
1. Имитационное моделирование физических экспериментов 12
1.1. Цели и подходы Монте-Карло моделирования физического 12
эксперимента
1.2. Эксперимент EXPERT 13
1.3. Имитационное моделирование эксперимента на основе событий 15
1.4 Выводы 18
2. Математические методы и алгоритмы 19
2.1. Детектор нейтронов NeuRad 19
2.1.1. Геометрическая модель детектора нейтронов NeuRad 21
2.1.2 Метод имитационного моделирования отклика детектора 22
2.1.3. Алгоритм реконструкции событий в детекторе NeuRad 26
2.2. Детектор гамма квантов Gadast 28
2.2.1. Метод имитационного моделирования отклика детектора 29
GADAST
2.2.2. Алгоритм реконструкции событий в детекторе GADAST 31
2.3. Трекинговый микростиповый детектор muSi. 31
2.3.1. Метод имитационного моделирования отклика детектора muSi 32
2.3.2. Алгоритм поиска хитов 33
2.3.3. Алгоритм поиска треков частиц 34
2.3.4. Метод снижения количества фиктивных треков 36
2.3.5. Алгоритм восстановления вершин 36
2.4. Алгоритм глобального имитационого моделирования событий 38
2.4.1. Моделирование мишенного распада 38
2.4.2. Моделирование распада на лету 39
2.5. Выводы 40
3. Разработка программного пакета ExpertRoot 42
3.1. Выбор программной и аппаратной платформы 42
3.2. Разработка программного пакета 43
3.2.1. Внешние библиотеки и программные инструменты 43
3.2.1.1. Библиотека транспорта элементарных частиц GEANT4 43
3.2.1.2. Фреймворк для анализа данных ROOT 44
3.2.1.3. Коммандный интерперетатор Cling 46
3.2.1.4. Фреймворк для разработки пакетов имитационного моделирования физических экспериментов FairRoot 47
3.3.2. Структура программного пакета 48
3.2.3. Симуляция, моделирование отклика и реконструкция 49
3.3. Использование базы данных для хранения параметров установки 51
3.4. Оптимизация вычислений с учетом особенностей аппаратной платформы 53
3.4.1. Алгоритм моделирования откликов детектора и реконструкции событий для машины с распределенной памятью 53
3.4.2. Векторизация алгоритма имитационного моделирования отклика детектора NeuRad 55
3.5. Разработка структуры сервера непрерывной интеграции программного пакета 58
3.6. Выводы 61
4. Вычислительные эксперименты 63
4.1. Вычислительные эксперименты на детекторе NeuRad 63
4.1.1 Сравнение распределений депозитов энергии с GEANT4 63
4.1.2. Тестирование имплементации закона Биркса 64
4.1.3. Время высвечивания фотоэлектронов 65
4.1.4. Визуализация характерного события 66
4.1.5. Расчет эффективности однофайберного режима 67
4.1.6. Расчет эффективности многофйберного режима 67
4.2. Вычислительные эксперменты на детекторе Gadast 68
4.2.1. Сравнение энерговыделений в детекторе GADAST с GEANT4 68
4.2.2. Визуализация характерного события 70
4.3. Вычислительные эксперименты на детекторе muSi 70
4.3.1. Ошибка восстановления координаты вершины распада 70
4.4. Эффективность векторизации алгоритма моделирования 72
отклика детектора NeuRad
4.5. Эффективность параллелизации алгоритмов моделирования 73
отклика и реконструкции событий
4.6. Выводы 74
5. Организационно-экономическая часть 75
5.1. Введение 75
5.2. Основные этапы проекта разработки нового изделия 75
5.3. Расчёт трудоёмкости проекта и затрат на проект 78
5.4. Определение численности исполнителей 80
5.5. Календарный график выполнения проекта 81
5.6. Анализ структуры затрат проекта 82
5.7. Выводы 88
6. Промышленная экология и безопасность 90
6.1. Анализ основных факторов воздействия среды на оператора ПК 90
6.1.1 Обеспечение параметров микроклимата 90
6.1.2. Обеспечение электробезопасности 91
6.2. Расчёт системы освещения 93
6.2.1. Выбор источников света и системы освещения 94
6.2.2. Выбор осветительных приборов 94
6.2.3. Размещение осветительных приборов 94
6.2.4. Выбор освещенности и коэффициента запаса 95
6.2.5. Расчёт осветительной установки 95
6.3. Утилизация медьсодержащих растворов травления от
производства печатных плат
6.4. Выводы 97
Заключение 99
Список источников 100
Создание современного эксперимента в ядерной физике и физике высоких энергий, а также интерпретация результатов невозможны без детального понимания и точного описания процессов, сопровождающих движение частицы в материале и её регистрацию в детекторах. Для предварительной оценки и планирования эксперимента используют компьютерное моделирование прохождения частиц через материал.
Предметом данной работы является разработка методов, алгоритмов и программного пакета для моделирования эксперимента EXPERT (EXotic Particle Emission and Radioactivity by Tracking) в области физики радиоактивных пучков.
Программный пакет ExpertRoot был разработан для моделирования отклика детекторов на прохождение через них частиц, реконструкции физического события, разработки алгоритмов анализа данных эксперимента и моделирования распадов экзотических ионов.
Реализация алгоритмов строится на основе метода Монте-Карло. Методы Монте-Карло - общее название группы численных методов, основанных на получении большого числа реализаций стохастического (случайного) процесса, который формируется таким образом, чтобы его вероятностные характеристики совпадали с аналогичными величинами решаемой задачи. Эксперимент в ядерной физике представляет собой, как правило, многократное измерение совокупности случайных процессов - взаимодействия частиц и прохождения их через детектор. Моделирование случайных процессов сводится к моделированию дискретных случайных величин с последующим преобразованием. Метод Монте-Карло дает удобный способ расчета результатов такого измерения.
Дипломный проект можно разделить на следующие части:
1) Имитационное моделирование физического эксперимента;
2) Математические методы и алгоритмы;
3) Разработка программного пакета ExpertRoot;
4) Вычислительные эксперименты.
В первой части дано введение в предметную область имитационного моделирования физического эксперимента, изложены методические основы событийного моделирования, дано краткое описание эксперимента EXPERT.
Во второй части описаны предложенные математические методы и алгоритмы для моделирования цифрового отклика детекторов, реконструкции физического события, моделирование распадов экзотических ионов.
В третьей части описаны разработка пакета ExpertRoot, его структура, выбор программной и аппаратной платформы, процесс оптимизации алгоритмов с учетом особенностей аппаратной платформы, разработка структуры сервера непрерывной интеграции.
В четвёртой части представлены результаты вычислительных экспериментов.
В пятой и шестой частях дано технико-экономическое обоснование и проведен анализ основных вредных и опасных факторов при работе с персональным компьютером.
Предметом данной работы является разработка методов, алгоритмов и программного пакета для моделирования эксперимента EXPERT (EXotic Particle Emission and Radioactivity by Tracking) в области физики радиоактивных пучков.
Программный пакет ExpertRoot был разработан для моделирования отклика детекторов на прохождение через них частиц, реконструкции физического события, разработки алгоритмов анализа данных эксперимента и моделирования распадов экзотических ионов.
Реализация алгоритмов строится на основе метода Монте-Карло. Методы Монте-Карло - общее название группы численных методов, основанных на получении большого числа реализаций стохастического (случайного) процесса, который формируется таким образом, чтобы его вероятностные характеристики совпадали с аналогичными величинами решаемой задачи. Эксперимент в ядерной физике представляет собой, как правило, многократное измерение совокупности случайных процессов - взаимодействия частиц и прохождения их через детектор. Моделирование случайных процессов сводится к моделированию дискретных случайных величин с последующим преобразованием. Метод Монте-Карло дает удобный способ расчета результатов такого измерения.
Дипломный проект можно разделить на следующие части:
1) Имитационное моделирование физического эксперимента;
2) Математические методы и алгоритмы;
3) Разработка программного пакета ExpertRoot;
4) Вычислительные эксперименты.
В первой части дано введение в предметную область имитационного моделирования физического эксперимента, изложены методические основы событийного моделирования, дано краткое описание эксперимента EXPERT.
Во второй части описаны предложенные математические методы и алгоритмы для моделирования цифрового отклика детекторов, реконструкции физического события, моделирование распадов экзотических ионов.
В третьей части описаны разработка пакета ExpertRoot, его структура, выбор программной и аппаратной платформы, процесс оптимизации алгоритмов с учетом особенностей аппаратной платформы, разработка структуры сервера непрерывной интеграции.
В четвёртой части представлены результаты вычислительных экспериментов.
В пятой и шестой частях дано технико-экономическое обоснование и проведен анализ основных вредных и опасных факторов при работе с персональным компьютером.
Разработанные методы алгоритмы и программный комплекс уже используется для определения эффективностей и отношения сигнала к фону детекторов эксперимента EXPERT. Результаты вычислительного эксперимента учитываются при разработке систем считывания детекторов.
В ближайшее время будет произведено сравнение результатов вычислительных и натурных экспериментов. Также на базе разработанных методов и алгоритмов моделирования отклика и реконструкции событий начата разработка методов и алгоритмов физического анализа.
В ближайшее время будет произведено сравнение результатов вычислительных и натурных экспериментов. Также на базе разработанных методов и алгоритмов моделирования отклика и реконструкции событий начата разработка методов и алгоритмов физического анализа.