Metendo um Arduino no LHC.

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Maurício Féo

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Mar 5, 2018, 10:02:34 AM3/5/18
to
Oi pessoal!

Eu quero pôr um Arduino próximo ao ponto onde os prótons colidem no LHC para estudar os efeitos da radiação de partículas no Arduino e ver o quão útil (ou completamente inútil?) são estas plaquinhas simpáticas para experimentos de física de altas energias e aplicações espaciais. :)

A idéia é pôr 2 arduinos, com o bootloader original, dentro da caverna do experimento LHCb a aproximadamente 12m do vertex das colisões (fotos anexas) e deixar lá por aproximadamente 1 ano, até o próximo shutdown do LHC.

Infelizmente eu tenho pouco tempo pra trabalhar nisso e a instalação deve ser feita em aprox. 2 semanas.

A minha idéia inicial é:

2 Arduinos que periodicamente se comunicam e controlam um a alimentação do outro. Sempre que um ficar irresponsivo -> hard reset.
Cada Arduino terá um SD card pra salvar seu log, com um resumo na EEPROM e também enviará as informações pra uma RaspberryPi conectada à rede (que pode ou não existir :).

A princípio, os efeitos imediatos que eu espero são:
1) Bitflips:
na memória. (Variáveis mudando o valor)
nos registradores da CPU. (Operações retornando valores errados)
no Program-Counter. (O programa pula pra lugar aleatório.)

2) Single event latch-ups:
Quando a base de um transistor é acionada por uma partícula ionizante. Se ocorrer no transistor desativado de uma porta NOT por exemplo -> curto na alimentação. Na pior das hipóteses queima o chip?

3) Efeitos de radiação acumulada:
Aumento da corrente de fuga, no tempo de propagação dos sinais internos, dano nas vias internas, e outras coisas que eu acredito não ocorrer no nível de radiação esperado e que não vou monitorar por necessitar de hardware adicional.

O que eu penso em testar é:
1) Verificar continuamente um vetor gigante na RAM pra contar o número de bitflips.

2) Fazer continuamente a mesma operação cujo resultado é sabido e verificar se sai errado.

3) Espalhar ao longo do loop() o log/envio de certos valores prefixados e verificar se alguma hora a ordem foi alterada, ou seja, se a CPU "pulou" pra uma área diferente do programa.

4) Checar continuamente o estado do outro Arduino e resetar se necessário. (Aqui pode ter ocorrido um latch-up, ou simplesmente pulou e ficou preso num lugar aleatorio do programa).

5) Os efeitos devido à dose acumulada, tipo consumo, clock máximo e etc. eu não pretendo verificar.

Qualquer sugestão e idéia é bem-vinda, em especial por eu não ter muito tempo pra pensar nisso e é uma única chance :)

Notem que:
O acesso ao local é super limitado e uma vez o LHC ligado, não tem como voltar por vários meses.
Depois do teste nada poderá ser recuperado pois tudo estará radioativo. Eu posso descer à caverna e ler o cartão SD, mas não posso tirá-lo de lá depois de irradiado.
Tudo que eu adicionar ao teste também estará exposto à radiação e pode falhar... Incluindo o cartão SD, a raspberry pi e etc.
E mais importante: Se qualquer coisa pegar fogo, a caverna se enche de espuma, o LHC é automaticamente desligado por alguns meses e eu só conseguirei emprego novamente como humorista. :D

Abraços,

Maurício Féo
arduino_LHCb_2.jpg
arduino_LHCb.jpg

Leonardo Baracat

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Mar 5, 2018, 10:15:21 AM3/5/18
to ardu...@googlegroups.com
Caralhow!!!  QUE FODA!!!! IRADO p caralhow!!!

AHn, eu vou pensar sim. Vc já tem os arduínos? Já pensou em colocar um contador geiger DIY? Quais são as partículas / tipo de partículas  que o experimento vai ficar exposto? Não quer colocar um terceiro arduino, esse blindado, tomando conta dos dois?

Rola uma visita?

Alguém já virou Hulk lá?! =P

Abração!!!

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Leonardo Baracat

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Mar 5, 2018, 10:16:44 AM3/5/18
to ardu...@googlegroups.com
Quais são as restrições que o experimento tem pra não influenciar o LHC?

Abs!

Leonardo Baracat

unread,
Mar 5, 2018, 10:22:42 AM3/5/18
to ardu...@googlegroups.com
Essa primeira foto, com as colisões, é só UM evento? Quantos ocorrem por segundo?

Abs

Samir Cury

unread,
Mar 5, 2018, 10:36:43 AM3/5/18
to arduinrio
Indo um pouco OT mas vale a pena. Leonardo, no CMS, pelo que lembro de 2012, tomada de dados era por volta de 500 a 800 Hz depois do "High Level Trigger", mas nos filtros mais basicos poderia-se observar 40k eventos por segundo. A ideia e filtrar o "ruido" ou eventos "nao interessantes" e gravar so os que interessam.

a 8 TeV, um evento "normal" parece isso aqui :


Cada evento desse demora por volta de 30 segundos para ser reconstruindo num core de um Intel Xeon 2670v2. Agora imagine o tempo ou quantidade de cores necessarios (escolha um) para reconstruir 6~8h de tomada de dados :-)

Parece que os eventos a 14 TeV so sairam recentemente (2015/16?) parece uma bagunca maior. Sugiro procurar no google "Event Display" do CMS e ATLAS - que sao detectores de proposito geral (? - general purpose)

Da uma olhada tambem em "Heavy Ion events" - quando eles colidem atomos de chumbo, para estudar tipos diferentes de fisica. Olhando a reconstrucao quase nao da pra distinguir o que e o que, mas enfim, e um outro "sabor" de evento.

Aviso: Nao sou fisico e tudo que falei aqui aprendi por hobby :-)

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Samir Cury

unread,
Mar 5, 2018, 10:47:30 AM3/5/18
to arduinrio
Mauricio - estou curioso sobre o projeto - quando li o titulo pensei - "churrasco" - voce esta publicando o progresso em algum lugar que possamos seguir? Se nao, da uma olhada na plataforma em www.hackaday.io - eles suportam logs de progresso. Achei interessante.

Entao, pelo que vi as fotos tem referencia a "arduini" -- tem mais gente trabalhando nisso (analisando outros aspectos) ou e um dos "projetos bonus" tipo esses cubesat que sao lancados pra galera?

Respondendo ao leonardo - eu aposto o que voce quiser que o arduino nao tem nem condicao de afetar em nada o experimento. Pelo que eu ouvi (setup do CMS em 2012), BOA parte da instrumentacao do experimento e baseada em fotonica exatamente para evitar um bando de problemas que apareceriam com o ambiente do detector + eletronica. Dai os chicotes de fibra das fotomultiplicadoras se conectam ao equipamento, finalmente eletronico, num rack blindado.

Os servidores em si estao por tras de 8 pes de concreto, e nao ficaria surpreso se existir uma camada de chumbo antes do datacenter do L1 Trigger.

Por isso pensei - um Arduino pelado, coitado, exposto no meio do experimento, vamos ver. Mas pelo visto vamos conseguir informacao interessante em "quao ruim fica o ambiente". Achei interessantissima a ideia de um terceiro arduino blindado como "watchdog" ou algo assim.

Abs

Cristina Amazonas

unread,
Mar 5, 2018, 10:58:20 AM3/5/18
to ardu...@googlegroups.com
Q projeto Bonito! Parabéns 😊
Vou acompanhar e ler com calma. 
Produzo visuais, e transformar números em imagens é minha pesquisa. 
Samir não é físico? Hahaha
Abs, Cristina.

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Maurício Féo

unread,
Mar 5, 2018, 11:09:41 AM3/5/18
to ardu...@googlegroups.com
@Leonardo,
  • Ainda vou comprar os Arduinos! Aqui por sorte o que se compra online chega na manha seguinte :)
  • Eu nao faco ideia da distribuicao de particulas. Tambem nao sou fisico :P Google por "radiation spectrum LHCb" se tiver interesse!
  • Eu acho q um contador DIY nao seria muito adequado rs. Mas provavelmente teremos um sensor de dose de radiacao adjacente ao Arduino.
  • Sobre o terceiro Arduino, essa seria parte da funcao da Raspberry Pi, que vou verificar se eh possivel blindar. Mas nao acho q seja muito importante, pois se a coisa for feia o bastante pros 2 morrerem "ao mesmo tempo" no esquema da redundancia, o resultado do teste ja esta claro e eh negativo :P Mas eu realmente nao espero que isto ocorra. Nao eh tanta radiacao assim.
  • Sim, rola visita, mas so em certos periodos. Se algum dia programar passar por Genebra, pode me escrever e verificar :)
  • Sobre restricoes, eh como o Samir falou... MAAAS o meu trabalho la sera na verdade instalar outra placa que iremos medir a quantidade de bit error na transmissao, onde o meu Arduino vai de carona. Isso significa que eu nao quero instalar nenhum tipo de radio no meu setup pra estar 100% seguro que ninguem vai nem pensar que minha WiFi induziu ruido na placa. Fora essa, enquanto nao pegar fogo, eh perto de impossivel afetar o experimento :P
  • Na foto eh um soh evento. O LHC opera a 40MHz, ou seja, 40 milhoes de vezes por segundo uma nuvem de protons atravessa outra. A gente controla quanto "compacta" essa nuvem eh pra aumentar a chance de colisoes. No CMS (experimento do Samir) eh bem mais compacto que no meu (LHCb) e por isso sao mais colisoes. No meu, durante o teste, serao em media ~1.5 colisoes por cruzamento de nuvens, ou seja, 60 milhoes de protons colidindo por segundo.


@Samir,
  • Ainda nao pensei em documentar nem nada, mas a sua sugestao eh muito boa! Obrigado :)
  • O projeto eh por hobby... Ideia minha q to fazendo por conta propria. "Arduini" foi acidente. Eh o plural de Arduino em italiano x(

@Cristina,

Obrigado!! 😊😊

Mauricio Rivello

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Felipe Navarro

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Mar 5, 2018, 4:52:56 PM3/5/18
to ardu...@googlegroups.com
Féo,

Que foda!

Mas eu acho que com dois Arduinos você não vai conseguir tirar conclusões tão corretas dos fatos.

Explico:
Tomo por referência o Falcon 9, da SpaceX, o Falcon 9 tem 6 núcleos lógicos em 3 processadores, tudo isso para assegurar que as contas feitas pelos processadores não sofreu nenhum bitflip, acho que o legal seria ter 6 arduinos em pares para um verificar o outro, assim daria para saber exatamente quando o bitflip ocorreu.

Eu não acho que o SDCard iria suportar mais tempo que o Arduino, acho que ele iria falhar antes. Não sei se é sorte mais eu tenho uma coleção deles aqui estragados.

De qualquer forma, acho super válido se não tiver tempo para preparar algo melhor, testar isso, afinal, no final podemos ter a certeza se o SDCard suportou o não a radiação. Talvez sabe oque poderia ser utilizado como Backup? A EEPROM interna do Atmega, você consegue ler ela através do ISP tranquilamente através do Atmel Studio.

Abraços,
Navarro


Felipe Navarro

Leonardo Baracat

unread,
Mar 6, 2018, 8:23:55 AM3/6/18
to ardu...@googlegroups.com
Boa Felipe, a idéia da comparação com mais de dois arduino. Só não sei se tem espaço no arranjo dele.

Não daria pra blindar (ou pelo menos minimizar) somente a área do SDCard? O SDCard não vai ficar no watchdog? Manter ele blindado.

Abs,


Mauricio Rivello

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Maurício Féo

unread,
Mar 6, 2018, 9:10:54 AM3/6/18
to ardu...@googlegroups.com
Fala Navarro!

Note que o motivo da redundancia nao eh verificar se houve flips.
Pra isto nao sao necessarios varios Arduinos, mas no caso da memoria bastaria declarar cada variavel (pelo menos) 3x e sempre que uma estivesse diferente, corrigir pela maioria, e no caso da CPU executar cada operacao de igual modo ao menos 2 vezes (e uma terceira se necessario correcao).

Mas para este caso o valor esperado da memoria eh conhecido (pois esta descrito na FLASH) e por isso pra contar os flips nao eh necessario redundancia.
Pra qq outra variavel do meu programa eu terei de implementar (ao menos) tripla redundancia se eu quiser que sejam confiaveis e cada operacao realizar ao menos 2x e comparar o resultado.

A redundancia de arduinos eh necessaria para o caso de ocorrer um latchup que ponha ele em estado irresponsivo. Claro que o latchup ainda pode ocorrer nos 2 "ao mesmo tempo". Esta eh a unica utilidade, em termos de seguranca, que vejo pra mais de 2 Arduinos, mas eu creio que a chance disto ocorrer eh realmente baixiiiissima pois a dose de radiacao nao eh taaaao alta assim.

Fora isso, no meu entendimento, so' influenciara' na estatistica como citou o Dado (WeT).

Sobre o cartao SD, isso eh uma incognita. Mas eu nao espero que a dose acumulada seja tao alta a ponto de danificar o Arduino ou o SD card. Num teste que li de uma galera da NASA, os arduinos deles morreram com ~40krad.  Eu espero ~2krad em um ano.
Mas o meu foco deve ser em algo que eles nao mediram, que sao os efeitos instantaneos (bit flips e latchups). Isto poderia afetar o mecanismo de escrita no SD. Nao sei se da pra brickar o SD assim... Vamos descobrir :D
E sim claro, a EEPROM ja ta inclusa no email inicial!! :)

@Baracat:
Blindar acho que ate daria! Mas isto me da outra ideia que eh validar tambem o cartao :)
De tempos em tempos poderiamos checar o estado do cartao (escrita e leitura) e salvar na memoria EEPROM.

No cartao eu quero guardar o log de tudo. Na EEPROM so um resumo (o numero de flips e erros detectados). Se a ethernet falhar e o cartao tambem, eu perco os dados brutos. Mas se Deus quiser na EEPROM tera o resumo.

Se tudo falhar, o teste foi um sucesso! Significa definitivamente que Arduinos nao prestam pra isso :P

Abracos,

Mauricio Rivello


Mauricio Rivello

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Felipe Navarro

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Mar 6, 2018, 2:04:39 PM3/6/18
to ardu...@googlegroups.com
Rivello,

Curiosidade, dentro dessas salas quentes de radiação vocês possuem equipamentos de laboratório para fazer experiências? 

Talvez um multímetro ligado medindo a corrente do Arduino seria algo bem legal de se ter.

Abraçossss



Felipe Navarro

Maurício Féo

unread,
Mar 7, 2018, 6:46:55 PM3/7/18
to ardu...@googlegroups.com
Fala Navarro,

Não... Tem labs equipados na superfície. Mas na caverna é basicamente só o necessário para os detectores e tudo é controlado remotamente a partir da sala de controle.
As fontes são todas controláveis online, mas infelizmente eu não devo ter um canal só pro Arduino. Ele vai compartilhar a alimentação da outra placa que vamos testar.

Aliás, se quiser passear pelo local, aqui o link: https://goo.gl/maps/t8VDRoqrjW52 :)

Abraços!

Mauricio Rivello

Leonardo Baracat

unread,
Mar 9, 2018, 9:47:34 AM3/9/18
to ardu...@googlegroups.com
Fala Maurício,

Como estão as coisas aí? Precisando de ajuda? =)

Eu estava navegando lá no LHCb. E queria te perguntar. O beam passa dentro desse tubo?

LHCb001e.png
Muito foda trabalhar aí. Com o lance da visitação, ir para Genebra ficou interessante...  =D

Abs!


Felipe Navarro



Mauricio Rivello


Mauricio Rivello

image.png
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Maurício Féo

unread,
Mar 9, 2018, 10:35:47 AM3/9/18
to ardu...@googlegroups.com
Fala Leonardo!

Exato! O feixe passa neste tubo.

Fun facts:
Ali dentro está o vácuo mais vazio que se encontra no sistema solar.
E também o ponto mais frio ( 1.9K ) e mais quente ( 13 TeV na colisão) de todo o universo observável!

Desconsiderando é claro a possibilidade dos ETs terem feito um acelerador melhor :P

E aqui tem o Event Display do LHCb:
Versão online (sem colisão agora)
Versão offline pra testes com eventos do histórico.


Abraços

Mauricio Rivello


Felipe Navarro



Mauricio Rivello


Mauricio Rivello

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