Inžinierius, kuris pašalina daleles LHC

The
Didysis hadronų greitintuvas pakeitė mūsų supratimą apie fiziką nuo tada, kai ji pradėjo veikti 2008 m., todėl mokslininkai galėjo ištirti pagrindinius visatos elementus. Maždaug 100 metrų žemiau Prancūzijos ir Šveicarijos sienos dalelės įsibėgėja išilgai LHC 27 kilometrų perimetro, beveik pasiekdamos šviesos greitį, kol susidaužia.

LHC dažnai apibūdinamas kaip didžiausia kada nors sukurta mašina. Ir nors įstaigoje eksperimentus atliekantys fizikai dažniausiai sulaukia daugiausia dėmesio, tam reikia
šimtai inžinierių ir technikų kad LHC veiktų. Vienas tokių inžinierių yra Irene Degl’Innocentikuris dirba skaitmeninės elektronikos srityje Europos branduolinių tyrimų organizacija (CERN), kuri valdo LHC. Būdama CERN spindulių prietaisų grupės narė, Degl’Innocenti kuria pritaikytą elektroniką, kuri matuoja dalelių pluoštų padėtį jiems keliaujant.

„Tai didžiulė mašina, kuri atlieka labai sudėtingus dalykus, todėl reikia daug žinių“, – sako Degl’Innocenti.

Elektronika, su kuria ji dirba, sudaro tik nedidelę bendros veiklos dalį, ką Degl’Innocenti puikiai žino, kai nusileidžia į urvinius LHC tunelius įdiegti arba išbandyti savo įrangą. Tačiau dirbdama tokiame svarbiame darbe ji patiria didelį pasitenkinimą.

„Jūs esate dalis to, kas yra labai didžiulis“, – sako ji. „Jautiesi šios didelės bendruomenės dalimi, bandančia suprasti, kas iš tikrųjų vyksta visatoje, ir tai labai žavu.

Galimybes dirbti didelės energijos fizikos srityje

Užaugęs Italijoje, Degl’Innocenti norėjo būti romanistu. Visą vidurinę mokyklą ji linko į humanitarinius mokslus, tačiau iš dalies dėl savo motinos, kuri yra gamtos mokslų mokytoja, ji turėjo natūralų ryšį su matematika.

„Esu labai analitinis žmogus, ir tai visada buvo mano mąstymo dalis, bet man matematika, kai buvau maža, nebuvo žavinga“, – sako Degl’Innocenti. „Prireikė šiek tiek laiko, kad suprastume, kokias galimybes jis gali atverti.

Ji pradėjo tyrinėti elektroniką maždaug 17 metų, nes atrodė, kad tai tiesiausias būdas jos loginį, matematinį mąstymą paversti karjera. 2011 metais ji įstojo
į Pizos universitetasItalijoje, 2014 m. įgijęs elektros inžinerijos bakalauro laipsnį ir pasilikęs įgyti to paties dalyko magistro laipsnį.

Tuo metu Degl’Innocenti net neįsivaizdavo, kad inžinieriams yra galimybių dirbti didelės energijos fizikos srityje. Tačiau ji sužinojo, kad bendrakursė dalyvavo vasaros praktikoje
FermilabDalyvių fizikos ir greitintuvo laboratorija Batavia, Illino valstijoje. Taigi ji pateikė paraišką dėl stažuotės ir 2015 m. ten laimėjo. Kadangi Fermilab ir CERN glaudžiai bendradarbiauja, ji galėjo padėti sukurti duomenų apdorojimo plokštę LHC Kompaktiškas muono solenoidas eksperimentas.

Tada ji ieškojo stažuotės arčiau namų ir atrado CERN
technikos studentų programa, kuri leidžia studentams dirbti su projektu per metus. Dirbdama spindulių instrumentų grupėje, Degl’Innocenti sukūrė skaitmeninę duomenų gavimo sistemą, kuri tapo jos magistro darbo pagrindu.

Dalelių pluoštų padėties matavimas

2017 m. gavusi magistro laipsnį, Degl’Innocenti taip pat įgijo daktaro laipsnį Pizos universitete. Ji atliko savo tyrimus CERN spindulių padėties skyriuje, kuriame kuriama įranga, skirta matuoti dalelių pluoštų padėtį CERN greitintuvo komplekse. LHC turi maždaug 1000 monitorių, išdėstytų aplink akceleratoriaus žiedą. Kiekvienas monitorius paprastai susideda iš dviejų porų jutiklių, išdėstytų priešingose ​​greitintuvo vamzdžio pusėse, ir galima išmatuoti pluošto horizontalią ir vertikalią padėtį, lyginant signalo stiprumą kiekviename jutikliame.

Pagrindinė koncepcija yra paprasta, sako Degl’Innocenti, tačiau šie matavimai turi būti tikslūs. Kas 25 nanosekundes pro monitorius praeina krūvos dalelių, o jų padėtis turi būti stebima 50 mikrometrų tikslumu.

„Mes pradedame kurti sistemą prieš metus, o tada ji turi veikti porą dešimtmečių.

Didžioji dalis signalų apdorojimo paprastai atliekama analoginiu būdu, tačiau studijuodamas daktaro laipsnį ji sutelkė dėmesį į tai, kad kuo daugiau šio darbo būtų perkelta į skaitmeninę sritį, nes analoginės grandinės yra sudėtingos, sako ji. Juos reikia tiksliai sukalibruoti, o jų tikslumas laikui bėgant arba svyruojant temperatūrai linkęs svyruoti.

„Tai sudėtinga prižiūrėti“, – sako ji. „Tai tampa ypač sudėtinga, kai turite 1000 monitorių, o jie yra akceleratoriuje 100 metrų po žeme.

Tačiau informacija prarandama, kai analoginis konvertuojamas į skaitmeninį, tačiau Degl’Innocenti išanalizavo naujausių analoginių-skaitmeninių keitiklių (ADC) veikimą ir ištyrė jų poveikį padėties matavimams.

Spindulinio monitoriaus elektronikos projektavimas

Baigęs daktaro laipsnį. Elektros, elektronikos ir ryšių inžinerijos srityje 2021 m. Degl’Innocenti prisijungė prie CERN kaip vyresnioji doktorantūra. Po dvejų metų ji ten tapo visu etatu ir savo tyrimų rezultatus taikė kuriant naują aparatinę įrangą. Šiuo metu ji kuria naują spindulio padėties monitorių
Didelio šviesumo atnaujinimas LHC, kuris turėtų būti baigtas 2028 m. Šioje naujoje sistemoje greičiausiai bus naudojama lustinė sistema daugumai elektronikos įrenginių, įskaitant kelis ADC ir lauke programuojamų vartų matricą (FPGA), kurią programuos Degl’Innocenti. paleisti naują skaitmeninio signalo apdorojimo algoritmą.

Ji priklauso vos 15 žmonių komandai, kuri projektuoja, įgyvendina ir nuolat prižiūri CERN spindulių padėties monitorius. Taigi ji glaudžiai bendradarbiauja su inžinieriais, kurie projektuoja jutiklius ir programinę įrangą tiems instrumentams, ir fizikais, kurie valdo greitintuvą ir nustato prietaisų reikalavimus.

„Mes pradedame kurti sistemą prieš metus, o tada ji turi veikti porą dešimtmečių“, – sako Degl’Innocenti.

Didelės energijos fizikos galimybės

Degl’Innocenti teigia, kad didelės energijos fizika inžinieriams suteikia daug įdomių galimybių, įskaitant didelio tikslumo elektroniką, vakuumines sistemas ir kriogeniką.

„Mašinos yra labai didelės ir labai sudėtingos, bet mes žiūrime į labai mažus dalykus“, – sako ji. „Yra daug didelių skaičių tiek dideliu mastu, tiek tikslumu mažu mastu.

Degl’Innocenti sako, kad FPGA projektavimo įgūdžiai yra labai paklausūs visose tyrimų įstaigose, o įterptosios sistemos taip pat tampa vis svarbesnės. Svarbiausia yra būti atviram, kur pritaikyti savo inžinerines žinias, sako ji. Ji niekada nemanė, kad žmonėms, turintiems jos įgūdžių CERN, atsiras galimybių.

„Visada tikrinkite, kokios technologijos naudojamos“, – pataria ji. „Neribokite savęs manydami, kad dirbti kur nors neįmanoma“.

Šis straipsnis 2024 m. rugpjūčio mėn. spausdintame numeryje rodomas pavadinimu „Irene Degl’Innocenti“.