Концепция УНС "Электрофизика"
ИТ на кафедре ЭФУ
Основные задачи УНС "Электрофизика"
Функциональная структура УНС "Электрофизика"
Алгоритмы дистанционного выполнения практикумов
Концепция учебно-научной среды "Электрофизика"
Информационные технологии на кафедре ЭФУ
Информационные технологии в электрофизике – необходимость глобальной информационно-вычислительной среды на современном этапе
Большой адронный коллайдер (БАК) LHC (CERN audiovisual media)
Основные направления научной и учебной деятельности образованной в 1948 году, единственной в России (и в мире), кафедры «Электрофизические установки» (ЭФУ) НИЯУ МИФИ связаны, прежде всего, с физикой пучков заряженных частиц и ускорительной техникой. В то же время, отдельные разделы этого направления электрофизики имеют много общего с устройствами мощной радиотехники (радиолокационные станции, клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны), мощной лазерной техникой и т.п. Электрофизика, в части ускорительной техники, предполагает создание самых разнообразных установок, значительно различающихся как по своим конструктивным особенностям, так и по областям их применения.
К электрофизическим установкам можно отнести как уникальные ускорители для фундаментальных исследований, связанных с физикой высоких энергий, типа Большого адронного коллайдера (БАК) длиной 27 км в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария), так и менее грандиозные, но также весьма значительных размеров установки. Это электронные синхротроны, циклотроны различных типов и другие подобные установки, используемые как для чисто научных ядернофизических исследований, так и для исследований имеющих прикладной характер, например, в медицине, материаловедении и других областях. Кроме этого используется и разрабатывается очень большое количество сравнительно небольших ускорителей прямого действия – высоковольтные электростатические, линейные высокочастотные, сильноточные импульсные на базе формирователей сверхмощных импульсов субнаносекундного диапазона. Это одно из наиболее динамично развивающихся и перспективных направлений ускорительной техники. Круг применений этих установок чрезвычайно широк. К ним относятся, как и в предыдущих установках, научные приложения – изучение физики твердого тела, радиационная химия, генерация мощных электромагнитных колебаний, лазеры с накачкой электронным пучком. Эти установки нашли применение в различных отраслях промышленности , с их помощью осуществляется дефектоскопия (неразрушающий контроль), контроль за нераспространением ядерных материалов, пастеризация пищевых продуктов, стерилизация медицинского оборудования, обработка сточных вод, дезинсекция зерна, очистка газовых выбросов и т.п.
Центр управления CERN CCC (CERN audiovisual media)
С самого зарождения электрофизики, как направления технической физики, большинство актуальных задач связанных с разработкой и эксплуатацией электрофизических установок, измерениями параметров пучков в ускорителях, были связаны с использованием средств вычислительной техники. Развитие этого научно-технического направления, а также подготовка инженеров-физиков-ускорительщиков напрямую связаны с бурным развитием современных информационных технологий. Не случайно, проект 20-ти километрового протонного синхротрона в г. Протвино (к сожалению, законсервированного, хотя тоннель уже готов и часть оборудования установлена) был назван руководителем проекта академиком А.Л.Минцем – кибернетический ускоритель.
Ускорительные центры были всегда центрами разработки и продвижения самых передовых информационных технологий. Так, всемирная паутина World Wide Web (WWW) была разработана Тимом Бернерс-Ли в Европейском центре ядерных исследований (CERN), на базе крупнейших в мире ускорителей. Последний из них – всем известный Большой адронный коллайдер, был запущен совсем недавно и наделал так много шума, как в научных кругах, так и среди обывателей.
По инициативе CERN в рамках Европейского Союза разработан и находится в стадии реализации проект Data Grid Project – перспективное направление развития вычислительных сетей – Grid-сети. Традиционная проблема ускорительных центров – необходимость обработки колоссальных объемов информации в реальном времени. Предполагаемый ежегодный прирост объема научных данных на БАК будет составлять петабайты. В свое время в ускорительных центрах были разработаны распределенные магистрально-модульные компьютерные системы и соответствующее программное обеспечение.
В истории развития и внедрения информационных технологий на кафедре ЭФУ НИЯУ МИФИ можно выделить три основных этапа. Первый, самый ранний этап, с начала 50-х годов прошлого столетия, был связан с необходимостью проведения большого объема сложных вычислений, при решении задач моделирования физики сплошных сред, таких как расчет электромагнитостатических и электродинамических полей в структурах сложной конфигурации. Решение уравнений в частных производных в трехмерном пространстве для таких задач возможно только численными методами. Дискретизация пространства и аппроксимация решения линейными уравнениями приводили к СЛАУ из 106 и более уравнений. Для их решения использовались высокопроизводительные (по тем временам) технические средства. Работы проводились в тесном взаимодействии с вычислительными кафедрами № 12, № 22. Совместными усилиями были выполнены ряд научных работ, сотрудниками этих кафедр защищены кандидатские и докторские диссертации.
Протонный синхротрон У-70 (Фотогалерея сайта ИФВЭ)
Следующим важным этапом развития IT на кафедре ЭФУ явилось создание в 70-х годах вычислительной лаборатории, на базе мини-ЭВМ ЕС 1010, а затем и кластера на базе из 3-х ЭВМ ЕС 1010, установленных, и запущенных в эксплуатацию силами сотрудников кафедры. За период работы с ЭВМ ЕС 1010 был рассмотрен и решен широкий спектр задач электрофизики, при этом по целому ряду направлений был накоплен опыт, актуальный вплоть до настоящего времени.
В эти же годы активно рассматривалась возможность и целесообразность применения компьютеров для контроля учебного процесса посредством тестирования студентов. На основе методики Университета Purdue (США) на кафедре ЭФУ проводилось также тестирование преподавателей (опрос студентов о качестве работы преподавателей). Развитие этого направления позволило разработать методику тестирования студентов в рамках проведения зачетов по «Физике электронных приборов». Эта методика была реализована на мини-ЭВМ ЕС 1010. Тестирование нескольких потоков студентов различных факультетов проводилось в кафедральном дисплейном классе.
Третий этап внедрения информационных технологий (IT) на кафедре ЭФУ связан с бурным развитием компьютерной техники в конце прошлого и начале настоящего – 21-го века. Основной задачей этого периода была модернизация и адаптация специализированных лабораторных практикумов, разработанных еще для ЕС 1010, к новым программно-аппаратным платформам – в основном IBM-совместимым персональным компьютерам, работающим в составе локальных сетей компьютерных классов МИФИ. В результате был создан ряд специализированных компьютерных лабораторных практикумов для различных программно-аппаратных платформ. Это, в свою очередь породило проблему унификации программного и аппаратного обеспечения, применяемого при разработке и использовании практикумов в учебном процессе.
На современном (4-м) этапе внедрения и развития IT на кафедре ЭФУ, принято решение реализовывать традиционные для кафедры лабораторные практикумы как универсальные кроссплатформенные Web-приложения. Это позволяет решить задачу унификации, долговременной актуальности и возможности постепенной модернизации этих приложений. Появилась возможность отказаться от непрерывного перепрограммирования и адаптации приложений к новым платформам и уделять больше внимания развитию функциональности лабораторных практикумов и внедрению новых плодотворных идей.
Канал инжекции У-70 и УНК(Фотогалерея сайта ИФВЭ)
В связи с постоянно растущими нормативными требованиями со стороны Минобразования, а так же в связи с развитием внутренней образовательной политики НИЯУ МИФИ особую актуальность приобретает контроль учебного процесса и оценка эффективности обучения студентов.
Помимо вышесказанного, имеется целый ряд проблем, побудивших руководство «физической» кафедры самостоятельно взяться за решение, казалось бы, не характерных для нее задач, опираясь на тесное сотрудничество с ведущими кафедрами факультета «Кибернетика». Вот некоторые из этих задач:
- при всей важности, пользе и необходимости современных информационных технологий (IT) в самых различных сферах человеческой деятельности вопросы внедрения этих технологий не является тривиальной задачей и требует тщательного анализа конкретной предметной области.
- в силу особенности профилирующих кафедральных дисциплин, что характерно для кафедры ЭФУ, их освоение связано с решением сложных вычислительных процедур (задачи из области моделирования сплошных сред и др.);
- сложность полномасштабного натурного (физического) моделирования в учебных лабораториях по Вакуумной технике, Мощной импульсной технике, Ускорительной технике и в связи с этим необходимость разработки и введения имитационных компьютерных лабораторных практикумов по этим дисциплинам;
- большие потоки студентов в некоторых кафедральных учебных лабораториях (Информатика, Вакуумная техника, Техника СВЧ, Физика электронных приборов);
- большое количество постоянно изменяющегося учебного и отчетно-нормативного материала, которое кафедра обязана регулярно предоставлять в Учебное управление;
Решение указанных задач на основе использования и внедрения современных информационных технологий с очевидностью приводит к необходимости создания открытой модульной информационно-вычислительной системы с интеллектуальной подсистемой контроля и управления учебным процессом и единой централизованной авторизацией пользователей.
Разработанная в рамках выполненной работы открытая модульная информационно-вычислительная система глобального доступа именуется как учебно-научная среда «Электрофизика».