FPGA4XPCS: Effiziente Echtzeitberechnung von Autokorrelationsfunktionen für die Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie (XPCS) mit FPGAs

Dynamische Prozesse in kondensierter Materie sind in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen von Bedeutung. Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie (XPCS) ist eine kohärente Synchrotron-Röntgenstreutechnik, die Messungen dynamischer Phänomene in kondensierter Materie über einen großen Bereich von Zeit- und Längenskalen ermöglicht. Die derzeit mit XPCS zugänglichen Längenskalen 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-Verhältnis von XPCS-Experimenten linear mit der Brillanz zu und ermöglicht den Zugang zu schnelleren Zeitskalen. Bereits heute werden viele XPCS-Experimente routinemäßig mit den hohen Bildfrequenzen von Flächendetektoren durchgeführt, die einen großen Strom unverarbeiteter Daten erzeugen. Dies führt zu einem erheblichen Missverhältnis 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 Größenordnungen länger als die eigentliche Datenerfassung. Der rechtzeitige Zugriff auf die reduzierten Daten ist jedoch unerlässlich, 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. Während 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 ermöglicht und somit die wissenschaftliche Exzellenz dieser Anlagen gewährleistet.