FPGA4XPCS: Effiziente Echtzeitberechnung von Autokorrelationsfunktionen für die R?ntgenphotonenkorrelationsspektroskopie (XPCS) mit FPGAs

Dynamische Prozesse in kondensierter Materie sind in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen von Bedeutung. R?ntgenphotonenkorrelationsspektroskopie (XPCS) ist eine koh?rente Synchrotron-R?ntgenstreutechnik, die Messungen dynamischer Ph?nomene in kondensierter Materie über einen gro?en Bereich von Zeit- und L?ngenskalen erm?glicht. Die derzeit mit XPCS zug?nglichen L?ngenskalen reichen von der atomaren Skala bis zur Mesoskala; die entsprechenden Zeitskalen reichen von Millisekunden bis zu Minuten. Bei Speicherringen mit niedriger Emittanz (z. B. PETRA IV und ESRF-EBS) nimmt das Signal-Rausch-Verh?ltnis von XPCS-Experimenten linear mit der Brillanz zu und erm?glicht den Zugang zu schnelleren Zeitskalen. Bereits heute werden viele XPCS-Experimente routinem??ig mit den hohen Bildfrequenzen von Fl?chendetektoren durchgeführt, die einen gro?en Strom unverarbeiteter Daten erzeugen. Dies führt zu einem erheblichen Missverh?ltnis zwischen Datenverarbeitung und Messzeit, was die Effizienz vieler XPCS-Experimente verringert. Mit anderen Worten: Die Datenreduktion, d. h. die Berechnung von Autokorrelationsfunktionen aus Zeitreihen von Detektorbildern, dauert um Gr??enordnungen l?nger als die eigentliche Datenerfassung. Der rechtzeitige Zugriff auf die reduzierten Daten ist jedoch unerl?sslich, um XPCS-Experimente effizient zu kontrollieren und zu steuern. Dies ist besonders wichtig bei der Erkundung der experimentellen Parameter, um das richtige Zeitfenster für die Dynamik zu ermitteln. W?hrend des Experiments ist dies heutzutage aufgrund der langen Totzeiten, die für die Datenreduktion erforderlich sind, oft nur schwer kontrolliert durchführbar. Ziel dieses Antrags ist daher die Entwicklung von Methoden zur Datenreduktion in Echtzeit für XPCS unter Verwendung von FPGAs. Wir gehen davon aus, dass unser Projekt auf diese Weise neuartige wissenschaftliche Anwendungen an Synchrotron-Anlagen erm?glicht und somit die wissenschaftliche Exzellenz dieser Anlagen gew?hrleistet.