Conception d'un nouvel ensemble d'analyse multidimensionnelle

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Conception d’un nouvel ensemble d’analyse

multidimensionnelle

J.C. Brun, G. Verroust, C. Victor

To cite this version:

129 A.

CONCEPTION D’UN NOUVEL

_ENSEMBLE

D’ANALYSE MULTIDIMENSIONNELLE Par J. C.

_BRUN,

G. VERROUST et C.

_VICTOR,

Laboratoire Joliot-Curie de

_Physique

_Nucléaire,

_Orsay.

Résumé. 2014

Après

avoir montré l’intérêt de _l’analyse multidimensionnelle des _phénomènes en

Physique Nucléaire, les auteurs _exposent les _{principes’généraux}

_qui

doivent _présider à la réali-sation des ensembles _qui l’effectuent.

A la lumière de ces _principes, un _analyseur multidimensionnel universel à 100 000 canaux d’un

type nouveau est en cours de fabrication au Laboratoire Joliot-Curie de Physique Nucléaire de la Faculté des Sciences _d’Orsay. Cet ensemble, construit autour d’un ordinateur IBM 1620 _peut s’adapter à un très _grand nombre _{d’expériences} à corrélations _multiples.

Abstract. 2014 After

having shown the

_importance

of multidimensional _analysis in nuclear _physics, the authors outline the _general

_principles

of the _{equipment performing} this _type of _analysis. These _principles were

_applied

to the _design of a 100 000 _channel, multidimensionnal analyser,

which is being constructed in the Laboratoire Joliot-Curie de Physique Nucléaire de la Faculté des Sciences _d’Orsay.

This _{equipment, designed} around a _computer IBM 1620 can be _adapted to a _great number of

experiments involving multiple

correlations.

PHYSIQUE PHYSIQUE APPLIQUÉE’

SUPPLÉMENT AU

TOME _23, JUIN _1962, PAGE

Introduction. - Dans _un

grand

nombre

d’expé-riences de

_physique,

nucléaire -

que ce soit dans

le domaine des basses ou des hautes

énergies

- il

est nécessaire de déterminer simultanément

plu-sieurs

_{grandeurs caractéristiques}

des

_particules

ou

rayonnements

émis. Selon le _cas, il

_peut

_{s’agir :}

de

mesures sur une même

_particule

_pour en connaître par

exemple

à la fois la nature et

l’énergie,

ou bien

de mesures sur

_plusieurs

_particules

émises au cours

d’une même réaction

_nucléaire,

interaction élémen-taire ou

_{désintégration}

_spontanée.

Jusqu’à présent,

ces mesures -

lorsqu’elles

sont

possibles

- sont faites

en

_général

en faisant varier

séparément

chacune des

_{grandeurs (dimensions)}

à

mesurer. Une telle

_procédure

est souvent fort

longue,

et les

_{expérimentateurs}

souhaitent

_disposer

d’un

_{appareil permettant}

_d’analyser

et

d’enre-gistrer

en un minimum de

_temps

l’ensemble des

informations

_provenant

des instruments de

détec-tion.

_Ainsi,

il

_{sera possible}

_par un

_gain

de stabilité

et une

statistique plus

fournie d’accroître la

pré-cision des

_{expériences.}

D’autre

_part,

l’ensemble des

mesures durant moins

longtemps,

on _{pourra utiliser}

le

_temps

_précieux

_disponible

_auprès

des

accélé-rateurs _{pour réaliser} un

_plus

grand

nombre d’études.

Enfin,

certaines

_expériences

à

_plusieurs

«

dimen-sions »

_trop

complexes pour

être abordées _{par la}

méthode

_{usuelle, pourront}

être entreprises avec un

appareil

d’analyse

multidimensionnelle.

De même

_{qu’un grand progrès}

a été fait dans les

mesures

_d’énergie

des

_rayonnements

en

_passant

du

sélecteur à un canal à un sélecteur

_multicanaux,

de

même un

grand progrès devrait marquer le passage

des sélecteurs multicanaux aux ensembles de me-sure multidimensionnels.

Ces nouveaux

_appareils

doivent être d’une

grande

souplesse

et d’une

_{polyvalence poussée}

_pour

pouvoir

être

_adaptés

aux divers

_{types d’expériences}

possibles

dans leur domaine

_{d’application.}

Dans tous les _cas,

les

grandeurs

à mesurer se

pré-sentent sous forme de variables continues

_{(énergie ;}

temps

de

_vol,

_etc...)

_ou, sous forme de variables

discontinues

_{(angle ;}

_position,

_etc...).

_Chaque

événe-ment individuel est

_repéré

_par l’ensemble _de

gran-deurs

_qui

le

_{caractérise,}

et

_peut

être

_représenté

vec-toriellement. Les

_grandeurs

associées sont les

coor-données du vecteur. ,

De cette

_{représentation}

découle la notion d’es-pace multidimensionnel

qui

est utilisée par la suite.

Par

_exemple;

il faut un _{espace à trois dimensions}

pour trois

grandeurs

corrélées

définissant

un même

événement

_qui

est alors

_repéré

_{par les trois} nombres

_{(X, Y, Z). Le groupe}

_X,

_Y,

Z

_qui

_permet

de reconnaître un événement est

_appelé

«

_{Adresse »;}

sa reconnaissance ne suffit pas.

_{L’expérimentateur}

cherche à connaître la

_statistique,

_pendant

un

temps

donné,

des événements en fonction de leur

adresse,

c’est-à-dire la fonction :

(IITe

=

nombre

d’événements _au bout du

temps t).

Ceci

_signifie

_{que la}

_{représentation}

des

phéno-mènes doit se faire dans un _espace

multidimen-sionnel

_ayant

une dimension de

_{plus (Ne)}

que l’es-pace des adresses. Cela

impose,

pour une

compré-hension

_simple

et _pour une visualisation des

phéno-mènes,

de

_{pouvoir représenter}

des

_plans

consé-cutifs

_{(Ne, X) pour}

_{Yo Zo}

..., .

Yo Zo

... étant

pris

comme

_paramètres.

Ces

_quelques

considérations montrent _que

l’exi-gence de polyvalence pour l’appareil décrit dans

cet article conduit à une

organisation

de l’ensemble

130 A

qui

doit donner lieu à un

_grand

nombre de

combi-naisons avec

_beaucoup

de

_souplesse

selon la volonté

de

_{l’opérateur.}

Pour ces

_raisons,

nous avons étudié

un

analyseur

multidimensionnel d’un usage

_général,

pouvant

répondre

à, tous les besoins de ce _genre

autour des accélérateurs du laboratoire. Les

cara.c-téristiques principales

de cet

_appareil

établies

en collaboration aves MM.

_Langevin,

Radvanyi

et Riou sont les suivantes :

- Le nombre d’adresses distinctes

analysables

par

l’appareil

peut

atteindre 100 000.

- Le nombre de dimensions différentes de

l’es-pace adresse est variable de 1 à 6 au choix de

l’opérateur.

- La

précision

de la mesure sur

_chaque

dimen-sion

_d’adresse,

c’est-à-dire le nombre de

_points

de

mesure

_possible

de

_chaque

_variable,

est

_organisable

au choix de

l’opérateur

sous réserve _{que le nombre}

d’adresses

_possible

reste inférieur à 100 000.

- La

capacité

d’accumulation,

c’est-à-dire la

grandeur

maximum de

_.Ne,

est de 10 _{000 pour}

chaque

adresse.

- L’accès de

l’appareil

se fait au choix _{par des}

entrées

_{analogiques (impulsions)}

ou des entrées

digi-tales codées.

- Les circuits d’entrée doivent

pouvoir

travailler

avec des

_temps

morts totaux de _{l’ordre de 10 U-S.}

- Tenant

compte

du nombre d’événements en

corrélation à stocker en 12 heures de travail

expéri-mental,

on

_peut

montrer

_qu’il

n’est _pas nécessaire

de chercher à en stocker

_plus

due 100 _{par seconde. Ce}

taux a été établi

_compte

tenu du

_régime

des accélé-rateurs et des

_temps

morts

_{électroniques}

dans les

cir-cuits de

_{l’expérience ;}

_{portes, coïncidences,}

etc... - Pour la mise _au

point

et la

_{surveillance,}

l’ex-périmentateur

doit

_pouvoir

contrôler en

perma-nence la

_répartition

des

_phénomènes

dans

_l’espace

des adresses

_et,

à tout instant extraire l’ordonnée

_Ne

d’une adresse ou d’un _{groupe d’adresses dans}

l’es-pace général représentant la

_statistique

de

l’expé-rience.

-

L’exploitation

des résultats doit

_pouvoir

se

faire sur

ordinateur,

l’exploitation

humaine de

100 000 nombres de 4 chiffres étant exclue.

Projet d’analysateur

Le

_diagramme

1

_représente

_{l’organisation}

de

l’appareil

par

exemple

pour une

_expérience

à trois

dimensions

_{(X, Y, Z).}

Sur le

_diagramme

nous avons

_{représenté par les}

blocs

X,

Y, Z les organes de détection,

de

_tri,

de

coïncidence,

organisés

selon la

_logique

_{définie pour}

l’expérience.

-L’ensemble

X,

Y,

Z fournit

_quatre

informations

Trois informations

_grandeur

définissant les

événe-ments ;

et une

_impulsion

de validation

_{qui signale}

que ces

_grandeurs

sont en corrélation

Le convertisseur coordinateur code

_séparément

les diverses informations «

_{grandeurs »}

_en « décimal

codé binaire »,

puis

ordonne les

signaux

sous forme

d’une adresse codée

_[signal

_{série ;}

six chiffres

déci-maux codés

binaire].

Cet

_appareil

contient donc les

organes suivants : convertisseur

analogiques

digi-taux ;

dispositif

d’entrée

_{parallèle ;}

_dispositif

de

test

_{d’adresse ;}

_pupitre

de

_{coordination,}

_qui

orga-nise les éléments selon le nombre et la

_grandeur

des « dimensions »

_{(organisation}

manuelle _par

l’opé-rateur,

ou

_automatique

_{par carte}

_{programmé) ;}

dis-positifs

annexes de sécurité et de

_{contrôle ;}

un

re-gistre

de sortie

_qui

est relié à la mémoire

_tampon

Mémoire-tampon.

- Cette mémoire

à,f errite

est

du

_type

« mémoire à adresse non localisée ».

Chaque

adresse est inscrite dans la mémoire dès

qu’elle

se

_présente,

et à la

première

_place

libre.

La

_{mémoire-tampon}

a _{pour but de}

régulariser

le

flot

_statistique

d’informations.

Une moitié de cette mémoire est connectée au

registre

de sortie du

convertisseur

coordinateur. L’autre moitié est connectée au

registre

d’entrée

de

_l’organe

suivant

(machiue-

IBM

_1620).

Les adresses contenues dans cette

_partie

de la mémoire

sont transférées

_{régulièrement}

da,ns la machine à

calculer. _{Dès que} cette moitié de la

mémoire-tampon

est

_vide,

elle est

_prête

à être connectée au

registre

de sortie du

_{convertisseur ;}

elle est alors

remplacée

par la

partie

occupée

de la mémoire.

La

_capacité

de la

_{mémoire-tampon}

_(nombre

d’adresses

_qu’elle

_{peut stocker)}

est de deux fois

vingt

trois adresses.

C’est l’ordinateur

_qui

commande l’extraction et

le transfert des adresses stockées dans la

mémoire-tampon,

vers son _propre

_registre

d’entrée.

En cas de

_dépassement

de

capacité

de la mémoire

tampon,

les entrées des convertisseurs

coordi-nateurs sont fermées. La

_capacité

de

mémoire-tampon

est _{suffisante pour} un

_rythme

_{moyen de}

100 adresses par seconde. Le taux de

_perte

est alors inférieur à 10-4.

La

_{mémoire-tampon}

_remplit

en outre deux rôles accessoires : distribution des adresses au

dispositif

de localisation d’adresse sur

oscilloscope ;

adjonc-tion à l’adresse codée en binaire décimal

_{[1, 2, 4, 8]}

des

_signaux

nécessaires _pour

_qu’elle

_puisse

être admise dans l’ordinateur IBM

_(code

_{IBM ;}

con-trôle de

_parité,

_etc...).

Dispositif

de visualisation. - Cet

appareil

sert à localiser l’adresse selon ses coordonnées sur

plu-sieurs écrans

_{d’oscilloscope,}

_(projection

à axos

communs)

Les écrans des tubes

_{d’oscilloscopes}

cathodiques

sont du

_type

à

_persistance

lumineuse

moyenne .

Traitement des informations

Le traitement nécessite le

_classement,

le

stoc-kage,

l’extraction

des résultats et leur

_exploitation

Ces

_opérations

se font d’une

façon

différente selon

que l’on utilise moins de 9 000 adresses

(canaux)

ou

_plus.

Fonctionnement à moins de 9 000 adresses.

-L’adresse extraite de la mémoire

_tampon

est

trans-férée dans l’IBM 1620.

Le circuit de calcul d’adresse détermine selon

une

_règle

de

_rangement

interne à la mémoire de

l’IBM,

la

_place

à

_laquelle

cette adresse doit être

comptabilisée. (Recherche

d’adresse dans une

mé-moire localisée

_puis

_{ajouter 1)..}

La

mémoire

de l’ordinateur a une

_capacité

de

9 000 adresses localisées environ et à

_chaque

adresse on

_peut

stocker 10 000 unités.

L’extraction des résultats

_peut

se faire selon

plu-sieurs modes :

A)

EN COURS D’EXPÉRIENCE. - On

peut

inter-roger la machine sur le contenu de ses mémoires en

choisissant le groupe d’adresses

qui

intéresse

l’expé-rimentateur.

Le _{nombre d’adresses accessibles par.ce}

_sondage

ne

_{dépend que du}

_temps

_{(L’opérateur}

_peut,

soit

stopper

l’analyse

s’il veut

_{beaucoup d’adresses,}

soit laisseï- la machine utiliser son

_temps

libre pour

ré-pondre

à

_{l’interrogation )}

Priorité étant conservée

pour le classement et le

stockage.

B)

EN FIN D’EXPÉRIENCE. - L’extraction

peut

être faite :

- Sur machine

imprimante

(ce

mode d’extrac-tion ne

_peut

être _{valable que si l’expérimentateur}

s’intéresse à un

_{petit groupe}

_{d’adresses).}

- Sur traducteur

analogique :

un _{programme de}

traduction

_analogique

_permet

l’extraction sur écrans

d’oscilloscopes

de coupes selon les coordonnées, avec

affichage

sur « nixie » des coordonnées du

_plan

de

projection.

Un programme plus complexe

permet

l’affichage

sur écran

_{d’oscilloscope}

des coupes

cylin-driques

dont la

_{génératrice}

est une courbe choisie à l’avance par

l’opérateur, chaque

courbe

132 A

de la

courbe

_{génératrice}

par

exemple.

En

outre,

chaque

courbe

_peut

être

_{photographiée}

_pendant

l’observation.

- Sur bande

magnétique : L’enregistrement

_se

fait soit à adresse localisée du

_{spectre total,}

soit en

ayant

ordonné le

_spectre

selon le _programme

d’ex-traction

_{analogique (plan}

par

plan

avec adresse

accompagnant

l’information nombre

d’événe-ments).

- Sur cartes

perforées.

C)

EXPLOITATION DES RÉSULTATS. -

L’exploi-tation

_peut

se faire sur ordinateur à

_partir

de la

bande

_magnétique

ou des cartes

_perforées.

L’IBM

1620

_peut

_exploiter

les résultats avec un

programme de calcul

adéquat.

Toute autre machine

plus puissante

peut

être utilisée avec un

gain

de

temps

appréciable.

Fonctionnement à

_plus

de 9 000 adresses.

-L’adresse est transférée du convertisseur

coordi-nateur à l’ordinateur 1620

_qui

réalise les deux groupes

d’opérations

suivants :

PREMIER

GROUPE. -

Stockage

des adresses dans

un secteur de

mémoire ; lorsque

ce secteur est

plein,

transfert sans classement de ces adresses sur bande

magnétique.

La totalité de

_{l’expérience}

est ainsi

stockée sur bande

magnétique

ce

qui

_occupe entre 4

et 8 bandes de 700 mètres _{pour 12 heures}

d’expé-rience en fonctionnement à 90 000 canaux

(adresses).

Le

_{pré-stockage}

dans une zone de la mémoire de

l’ordinateur a _pour but de réduire la

longueur

de

bande

_perdue

au

démarrage

et à l’arrêt. Le

_temps

de transfert sur bande doit être couvert par la

mémoire

_tampon,

ce

qui

est le cas tant _{que le}

pré-stockage

dans la mémoire centrale est inférieur à 300 adresses.

Les

_blocages

_{qui pourraient}

survenir _par

dépas-sement de

_capacité

_{d’un des organes} sont transmis

sur une

ligne

normalisée de

blocage

fermant l’entrée

des convertisseurs et commandant un chronomètre

d’efficacité.

DEUXIÈME GROUPE D’OPÉRATIONS. - Un

échan-tillonnage

des adresses est effectué et les échantil-lons sont classés et stockés de la même _{manière que}

dans le fonctionnement à 9 000 adresses. Le stock

échantillon ne

_peut

évidemment contenir

plus

de

9 000 adresses différentes.

(Nombre

d’adresses du stock

_{= K ;}

.K inférieur à 9

_000.)

La

_règle

d’échantillonnage

est déterminée avant

l’expérience

et mise _{dans le programme de l’IBM.} Trois

_types

_principaux

d’échantillonnage

sont à

distinguer :

Premièrement l’échantillon de .K adresses est

loca-lisé d’une

_façon

_inhomogène

dans

_l’espace

des

adresses : un

_plan

de K adresses ou n

_plans

de

K/n

adresses ou un

_pavé

de.K

_adresses,

etc...

Deuxièmement l’échantillon de .K adresses est

réparti

d’une

_{façon homogène}

dans

_l’espace

des adresses. Par

_exemple

_pour un volume à trois

di-mensions de 90 000

_adresses,

une _{par volume de}

10 adresses.

Troisièmement les K adresses du stock

échantil-lon sont établies de la

_façon

suivante :

L’espace

des adresses à n dimensions est divisé

en K

_{pavés égaux}

à n

dimensions ;

chacun de ces

pavés

contenant évidemment

_plusieurs

adresses. Un code intérieur à la machine assoeie à chacun des

_{K pavés}

une des K adresses du stock échantillon.

Pour

_chaque

adresse

_{expérimentale}

se

_présentant

à la

_machine,

l’ordinateur détermine donc l’adresse

du stock associé au

_pavé

auquel

appactient

l’adresse

expérimentale.

C’est cette adresse associée

_qui

est

stockée. Cette

_opération

revient à établir la somme

du nombre de coups

apparaissant

dans les

_pavés

en

fonction du « numéro » du

_{pavé ;}

nous _voyons son

analogie

avec

_{l’opération}

_changement

de

_largeur

de

bande dans un sélecteur

d’amplitude

ordinaire.

Ce dernier mode

_{d’échantillonnage}

donne donc

une vue d’ensemble meilleure du

_{phénomène, mais,}

les autres

_règles

_{d’échantillonnage}

_peuvent

être

très _{utiles pour la conduite de}

_{l’expérience.}

(véri-fication de bon fonctionnement par contrôle d’une

zone

_connue.)

Le stock échantillon

_peut

être extrait

et

_exploité

comme dans le cas « moins de 9 000 ca-naux ». Cela

_permet

le

contrôle,

l’inspection,

le

dé-grossissage

de

_{l’expérience.}

Après

ces

opérations

nous’ disposons

donc d’une

part

du stock échantillon classé et

_exploitable

et

d’autre

_part,

de bandes

_magnétiques

sur

_lesquelles

la totalité de

_{l’expérience}

est stockée en vrac. Il

suffit pour classer et rendre

_exploitables

ces bandes

de mettre en route un _{programme de tri} sur bandes. L’ordinateur classe et stocke alors sur une bande

l’ensemble des

_résultats,

cette

_opération

se fait dans un

_temps

de l’ordre de l’heure.

L’EXTRACTION. - L’extraction

numérique

est

possible

mais n’a de sens _{que pour} un nombre

limité d’adresses convenablement sélectionné.

L’EXPLOITATION. -

L’exploitation

de la bande

magnétique

peut

se faire sur l’IBM 1620 avec _le

pro-gramme de calcul

adéquat

de la même

_façon

_que dans le cas de moins de 9 000 canaux. Elle

_peut

aussi se faire

_{avantageusement}

sur tout autre

ordi-nateur

_{plus puissant.}

En résumé - Il est

possible

de réaliser de cette

façon

un

_analyseur

multidimensionnel de

_physique

nucléaire à 90 000 canaux

_(ou

_plus

avec un

pro-gramme

d’échantillonnage

différent).

Les éléments essentiels de cet

_appareil

sont :

- Des

ra-133 A

pides

perm ettant

un assez

_grand

_temps

de

travail,,

donc un taux intéressant de

_{phénomènes analysés}

en corrélation double ou

_triple

_par

_exemple.

- Une mémoire

tampon

à adresse non lo calisée.

- L’utilisation d’un ordinateur

pour le

clas-serrent et le

_stockage

des adresses ainsi _{que pour}

l’extraction et le traitement des résultats bruts.

- L’utilisation d’une méthode

d’échantil-lonnage couplée

à un

stockage

en vrac. La

_grande

souplesse

de l’ensemble est due à la

_présence

de l’ordinateur dont le _programme de

_tri,

de

_stockage

et de calcul est

_composé

selon les besoins de

l’expé-riIT entateur et en fonction d’une

_expérience

donnée. La réalisation des éléments de cet

_appareil

est en cours au laboratoire.

Manuscrit reçu le 15 mai 1962.

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