Контрольно-измерительные системы для установок газообеспечения в экспериментах STAR, PHENIX и поляризованной газовой мишени ANKE тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Содержание.

Список иллюстраций.

Список таблиц.

Введение.

1 Основные принципы построения контрольно-измерительных систем.

1.1 Выбор операционной системы.

1.2 Программное обеспечение.

1.3 Элементы языка UML.

1.4 Законы регулирования.

1.5 Аппаратное обеспечение.

2 Рециркуляционные системы газообеспечения и управление ими.

2.1 Рециркуляционные газовые системы.

2.2 Газовая система STAR ТРС.

2.2.1 Описание детектора STAR ТРС.

2.2.2 Система газообеспечения детектора STAR ТРС.

2.2.3 Особенности управления газовой системой STAR ТРС.

2.2.4 Прибор для измерения атмосферного давления.

2.2.5 Многоканальный термометр.

2.2.6 Экспериментальные результаты.

2.3 Газовые системы в эксперименте PHENIX.

2.3.1 Описание детекторов PHENIX.

2.3.2 Система газообеспечения детекторов PHENIX DC/PC.

2.3.3 Система газообеспечения детектора PHENIX TEC/TRD.

2.3.4 Особенности управления газовыми системами DC/PC и TEC/TRD.

2.3.5 Система газообеспечения детектора PHENIX МиШ.

2.3.6 Особенности управления газовой системой детектора МиШ.

2.3.7 Экспериментальные результаты.

2.4 Система газообеспечения для тестирования детектора ATLAS CSC.

2.5 Системы управления.

2.5.1 Автоматическая микропроцессорная система блокировки "ALARM".

2.5.2 Компьютерная система управления.

2.5.3 Выводы.

3 Автоматизация измерений на источнике поляризованных атомов водорода.

3.1 Описание установки.

3.2 Система управления.

3.3 Программное обеспечение для автоматизации измерений.

3.4 Оптимизация вакуумной системы ABS.

3.5 Измерения с монитором потока атомарного водорода.

3.6 Измерения магнитного поля постоянных секступольных магнитов.

3.6.1 Введение.

3.6.2 Постоянные секступольные магниты.

3.6.3 Измерения магнитного поля.

3.6.4 Влияние конечных размеров датчика Холла.

3.6.5 Влияние сдвига датчика Холла.

3.7 Выводы.

Современные экспериментальные установки в ядерной физике и физике высоких энергий представляют собой сложные комплексы, состоящие из разнообразного оборудования. Как правило, по функциональным признакам они разделяются на подсистемы, такие, как системы охлаждения, газообеспечения, юстировки, высоковольтного питания, и т.п. В этих условиях важной задачей является автоматическое управление каждой из таких "малых" физических установок и взаимодействие контрольно-измерительных систем между собой для обеспечения стабильной работы вСсги комплекса, а делом.

При работе на ускорителях важную роль играет высокая стоимость ускорительного времени. Она и определяет основное требование к контрольно-измерительным системам детекторов: они должны быть максимально надежны, чтобы свести к минимуму потери ускорительного времени из-за сбоев в работе детекторов.

Наряду со сложными физическими комплексами не теряют своей актуальности небольшие экспериментальные установки. Характерной их особенностью в сравнении с подсистемами крупных детекторов является то, что, несмотря на кажущуюся простоту, управление ими осложнено разнородностью используемого оборудования. Это обусловлено отсутствием узкой специализации таких установок и широким кругом экспериментов, проводимых с их помощью. Часто задача автоматического управления такими системами совмещается с автоматизацией измерений и оптимизацией многочисленных параметров. Это накладывает дополнительные требования на надежность как программного, так и аппаратного обеспечения установки.

Таким образом, можно выделить два типа малых физических экспериментальных установок:

• подсистемы крупных детекторов,

• отдельные "лабораторные" установки, которые могут применяться как в составе больших комплексов (например, мишени для ядерных экспериментов), так и отдельно.

Контрольно-измерительные системы обоих типов установок должны работать в полностью автоматическом режиме без участия оператора, все измеряемые параметры должны сохраняться для последующего анализа наряду с историей событий, 8 произошедших в системе. Кроме того, в малых физических установках первого типа наиболее важные параметры должны пересылаться в центральную систему управления экспериментального комплекса и записываться вместе с общим потоком физических данных детектора.

Применение новейших технологий позволяет значительно снизить стоимость и сроки разработки и создания контрольно-измерительных систем. Появляется возможность создания универсальных программно-аппаратных комплексов, которые могут быть использованы для автоматизации управления экспериментальными установками обоих типов. Особенно важным является тесное взаимодействие с разработчиками самих оиьекшв управления. Как правили, арисктиривание таких СЛОЖНЫХ СйСТёМ Происходит параллельно, при этом и физическая установка, и система управления постоянно модифицируются.

Основная цель данной работы заключалась в разработке и создании контрольно-измерительных систем для установок газообеспечения ряда больших детекторов, установленных на ускорителе RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхэвенской Национальной Лаборатории, США; а также в автоматизации измерений, проводимых на источнике поляризованных атомов водорода (дейтерия) в научном центре FZJ (Forschungszentrum Jülich), Юлих.

Основные результаты опубликованы в работах [22, 23, 25, 26, 27, 35, 38, 39, 48, 49, 51,54, 56, 60,61,62, 64,71,72].

Благодарности

Все перечисленные работы выполнены в Лаборатории Криогенной и Сверхпроводящей Техники ПИЯФ. Я благодарен всем сотрудникам лаборатории, а особенно ее руководителям, - Чернову Николаю Николаевичу и Никанорову Анатолию Григорьевичу, - за атмосферу свободы и равенства, созданную ими. Особая благодарность Леониду Михайловичу Коченде и Александру Анатольевичу Васильеву за теплое отношение и неиссякаемую энергию в работе, благодаря которой многие проекты успешно завершены.

Огромное спасибо Виктору Алексеевичу Трофимову и Сергею Михайловичу Козлову, разработавшим всю электронику, за дружеское участие и неоценимую помощь в работе.

Хочу выразить благодарность иностранным коллегам, а именно Howard Wieman и Blair Stringfellow из BNL; Hellmut Seyfarth, Frank Rathmann и Harald Kleines из Froschungszentrum Jülich за понимание проблем и ценные советы.

Особенно хотелось бы поблагодарить всех коллег из ЛКСТ, коллаборации STAR и группы ABS. В их коллективе всегда было очень приятно работать.

Заключение

На базе проведенных исследований разработан универсальный программно-аппаратный комплекс автоматического управления системами газообеспечения следующих детекторов на ускорителе RHIC в Брукхэвенской Национальной Лаборатории, США:

• Time Projection Chamber (ТРС) в эксперименте STAR,

• Drift Chamber и Pad Chamber в эксперименте PHENIX,

• Time Expansion Chamber в эксперименте PHENIX,

• Muon Identification detector в эксперименте PHENIX.

Кроме того, аналогичная система управления применена для тестовых испытаний секторов детектора CSC для эксперимента ATLAS в ЦЕРНе. Несмотря на отличия газовых систем, применение объектно-ориентированного подхода при разработке программ и удачной многозадачной модели комплекса в целом позволило ускорить процесс адаптации программного обеспечения к новым газовым системам, одновременно обеспечив высокую надежность управления установками. В программном обеспечении сведена к минимуму зависимость от электроники управления и съема данных, что также упрощает его адаптацию к новой аппаратной базе.

Применение современных технологий разработки программного обеспечения значительно ускорило процесс создания программ управления и позволило сделать их более гибкими в настройке и не требующими присутствия разработчика. Программы могут быть адаптированы к новым условиям работы самим оператором.

Система управления показала себя надежной и удобной в эксплуатации. В ходе многочисленных экспериментальных сеансов (максимальное время непрерывной работы 6 месяцев) не выявлено серьезных недостатков, которые могли бы привести к сбоям в работе газовых систем.

Разработанные алгоритмы и методы построения систем управления реализованы в виде универсальных программ и приборов на базе однокристальной микро-ЭВМ семейства Intel 8051, представляющих самостоятельный интерес, поскольку их применение не ограничивается газовыми системами.

В рамках данной работы созданы следующие приборы:

• Цифровой барометр. Прибор отображает на индикаторе и передает в ЭВМ текущее атмосферное давление в различных единицах измерения.

• Многоканальный термометр предназначен для измерения температуры в 16 точках с помощью платиновых термометров сопротивления Pt-100. В приборе реализована дополнительная возможность - четырехканальный коммутатор RS-232.

• Универсальная система автоматической блокировки "ALARM" предназначена как для автономной работы с программированием логики аварийных ситуаций с помощью ЭВМ, так и в качестве электроники для сбора данных и управления с помощью компьютера. Гибкость настройки позволяет использовать ее для управления широким кругом экспериментальных установок.

• Модуль КАМАК для управления микропроволочным монитором атомарного потока водорода для использования в составе системы управления поляризованного источника в эксперименте HERMES.

С помощью разработанной распределенной контрольно-измерительной системы выполнены оптимизационные исследования источника поляризованных атомов водорода в Исследовательском Центре Юлих, Германия. В частности, проведена оптимизация вакуумной системы для обеспечения максимальной скорости откачки в первой ступени источника. Ряд измерений, проведенных с помощью системы автоматизации, позволил значительно повысить интенсивность источника. В настоящее время источник продемонстрировал самую большую в мире интенсивность поляризованного водорода.

Прецизионные измерения магнитного поля постоянных секступольных магнитов, выполненные с помощью созданного программного комплекса, впервые экспериментально подтвердили наличие гармоник высших порядков в формуле Хальбаха, описывающей поле секступоля, собранного из сегментов. Они стали возможными благодаря использованию датчика Холла с малыми геометрическими размерами и проведенным исследованиям влияния конечных размеров и сдвига датчика Холла на измеряемую величину магнитного поля.

1. С. Сорокин, "Как много ОСРВ хороших.", Современные Технологии Автоматизации,2 (1997).

2. С. Ющенко, "QNX", Современные Технологии Автоматизации, № 2 (1997).

3. А. Халявка, "OS-9", Современные Технологии Автоматизации, № 2 (1997).

4. D. Rogerson, "Inside COM," Microsoft Press, 1997.

5. Д. Теркель, "OLE for Process Control свобода выбора," Современные Технологии1. Автоматизации, 3 (1999).

6. Jeffrey Richter, "Advanced Windows," 3rd edition, Microsoft Press, 1997.

7. С. Сорокин, " Windows", Современные Технологии Автоматизации, №2 (1997).

8. Eric Harmon, "Delphi COM Programming," Macmillan Technical Publishing, 2000.

9. M. Грабер, "Введение в SQL," ЛОРИ, 1997.

10. UML Notation Guide Version 1.1, September, 1997. Rational Corp, et. al. Submitted to the1. OMG.

11. B.P. Douglass, "Doing Hard Time: Using Object Oriented Programming and Software Patterns in Real Time Applications", Reading, MA: Addison-Wesley-Longman, 1998.

12. B.P. Douglass, "Real-Time UML: Efficient Objects for Embedded Systems", Reading, MA:

13. Addison-Wesley-Longman, 1997.

14. Jeffrey Yoas, "Software Qualitys Eight Greatest Myths", IEEE Software, September/October 1999, 118.

15. К. Острем, Б. Витенмарк. "Системы управления с ЭВМ," М.: Мир, 1987.

16. Т. Barczewski et al. "Gas System For ALEPH TPC," NIM A289 (1990), 176-184.

17. M. Acciarri et al. (For the L3 Collaboration) "The Construction of the L3 Experiment," NIMA289 (1990), 35-102.

18. D. Peach, "The L3 Argon/Ethane Gas System," (1990).

19. D. Thiessen, "The Gas System for the HERMES Transition Radiation Detector," Master of1. Science thesis (1996).

20. J. Harris, "Relativistic Heavy Ion Physics and the Relativistic Heavy Ion Collider", Prepared for Lake Louise Winter Institute: Quantum Chromodynamics, Lake Louise, Alberta, Canada, 1998.

21. L.Kotchenda, M.Strikhanov, R. Wells, H.Wieman, P.Kravtsov, S.Kozlov, V.Trofimov, A. Markov, "STAR TPC Gas System," preprint PNPIEP-5-1998 N 2219. 22p.

22. Л. Коченда, П. Кравцов, С. Козлов, В. Трофимов, А. Марков, М. Стриханов, Р. Веллс,

23. X. Вайман, "Система газообеспечения для детектора ТРС в эксперименте STAR," материалы конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», 181, С-Петербург, 1998.

24. AJ. Kozubal et al. Experimental Physics and Industrial Control System, ICALEPCS89 Conference Proceedings, Vancouver, 1989, 288.

25. J. Lin, F. Bieser, M. Bordua, M. Cherney, J. Chrin, I. Ferguson, V. Ghazikhanian, J. Gross,

26. G. Harper, M.Howe, S. Jacobson, P. Kravtsov, C. Lionberger, C. McParland, T. McShane, J. Meier, I. Sakrejda, E. Yamamoto, W. Zhang, "Hardware Controls For The STAR Experiment at RHIC," proceedings of the IEEE RT99 conference, to be published in NIM.

27. D. Reichhold, F. Bieser, M. Bordua, M. Cherney, J. Chrin, I. Ferguson, V. Ghazikhanian, J.

28. С. Козлов, Jl. Коченда, П. Кравцов, "Цифровой барометр для установок «медленного»контроля", ПТЭ 2000, N 3, с. 166-167.

29. MCS-51 Intel Family of Single-Chip Microcomputers. User's manual. Intel Corp., 1981. Сташин В., Урусов А., Мологонцева О., "Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах", М.: Энергоатомиздат, 1990.

30. Solid-state pressure sensors handbook. SenSym Inc., 1993.

31. D.P. Morrison et al. (for the PHENIX Collaboration), "The PHENIX experiment at RHIC",

32. Nucl.Phys.A638, 565-570,1998.

33. P. Nilsson, D. Silvermyr, "The pad chambers in the PHENIX experiment", 9th Nordic Meeting in Nuclear Physics, Jyvaskyla, Finland, August 4-8, 1998.

34. B. Libby et al., "Particle identification in TEC/TRD prototypes for the PHENIX detector at

35. RHIC", Nucl. Inst, and Meth. A367 (1995) 240.

36. E. O'Brien et al., "A transition radiation detector which features accurate tracking and dE/dxparticle identification", IEEE Trans, in Nucl. Sci 40 (1993), 153.

37. V. Cianciolo for the PHENIX Collaboration MUID Team, "Design/Construction of the PHENIX Muon Identifier", DNP97, October 5-8,1997, Whistler, B.C.

38. L.Koichcnda, P.Kravtsov, V.Trofimov, A.Markov. A.Nikanorov, G.Tretiakov, M.Vznuzdaev, E.O'Brien, "Gas Systems of PHENIX Central Tracking Detectors," PNPI Annual Report 1999.

39. Atlas Muon Spectrometer, Technical Design Report, 1997, 201-221.

40. ATLAS experiment at CERN. http://atlasinfo.cern.ch.

41. L.Kotchenda, P.Kravtsov, V.Trofimov, "Universal Microprocessor interlock system," Instruments and Experimental Techniques 43, 4 (2000), pp. 504-505.

42. Kotchenda, P.Kravtsov, V.Trofimov, "Alarm/Interlock Of Gas Systems For Phenix Experiment," Preprint PNPI EP-31-2000 N 2374, 13p.

43. L.Kotchenda, P.Kravtsov, V.Trofimov, "Alarm/Interlock System For Phenix Gas Systems,"1. PNPI Annual Report 1999.

44. Tips for using the ads78xx family of a/d converters, Burr-Brown Application Note AB-95.

45. G. Booch, "Object-Oriented Analysis and Design with Applications," 2nd edition, Addison1. Wesley, 1994.

46. A. Cohen, M. Woodring, "Win32Multithreaded Programming" O'Reilly, 1998.

47. K.CouIter et al., Proposal DESY-PRC 90/01 (1990).

48. B.V.Przewoski et al., Phys. Rev. C 58, 1897 (1998).

49. H.O.Meyer et al., Phys. Rev. Letters 81, 3096 (1998).

50. S.V. Dshemuchadze et al., COSY Exp. Proposal no.20, spokesperson: V. Komarov.

51. O.Grebenyuk and V.Koptev, Annual Rep IKP 1994, Report Jul-3035 (Julich, 1995).

52. F.Rathmann, S.Dymov, R.Engels, P.Jansen, A.Kacharava, F.Klehr, H.Kleines, V.Komarov,

53. M. Mikirtychiants, "Measurements of degree of dissociation at the polarized Atomic Beam

54. Source for ANKE Spectrometer at the COS Y-Jülich Accelerator," Diploma Thesis, Jülich 1999.

55. M. Nekipelov, "Device for Absolute Atomic Beam Intensity Measurements at the ANKE

56. Atomic Beam Source," Diploma Thesis, Jülich 1999.

57. H. Kleines, R. Baldauf, P. Kravtsov, M. Mikirtytchiants, M. Nekipelov, F. Rathmann, J.

58. Sarkadi, H. Seyfarth, A. Vassiliev, K. Zwoll, "The Slow Control of the Atomic Beam Source at ANKE/COSY An industrial approach Based on WinCC and S7 PLCs," proceedings of the ICALEPCS99, 359-363.

59. S. Zhang, "Fieldbus technology overview and its impact on industrial automation," FieldComms USA, Boston, USA, June 1997.

60. А. Локотков, "Что должна уметь система SCADA," Современные Технологии Автоматизации, № 3 (1998).

61. A. Кузнецов, "SCADA системы: программистом можешь ты не быть.", Современные Технологии Автоматизации, № 1 (1996).

62. R. Srinivasan, Sun Microsystems, Network Working Group RFC 1014 and RFC 1832 (1995).

63. J. Pastel, Network Working Group RFC 768 (1980)

64. P.Kravtsov, R.Baldauf, H.Kleines, M.Mikirtytchiants, M.Nekipelov, F.Rathmann, J.Sarkadi,

65. H.Seyfarth, A.Vassileiev, K.Zwoll, "The Slow Control System for the ANKE ABS," Proc. Int. Workshop on Polarized Sources and Targets (PST99), Erlangen, 1999, p.474-477.

66. R.Emmerich, R.Engels, E.Kitanina, F.Klehr, H.Kleines, V.Koptev, P.Kravtsov, J.Ley,

67. V. Koptev, A. Kovalev, P. Kravtsov, F. Rathmann, H. Seyfarth, A. Yassiliev, "Optimization

68. Of The Vacuum System Of The Atomic Beam Source," preprint PNPI EP-52-1998 N 2266, 17p.

69. A. Vassiliev, "Two dimensional On-line Monitor of the Hydrogen (Deuterium) Flow," Preprint PNPI- 2260, 1998, 29p.

70. MAFIA, CST GmbH, Buedinger Str. 2a, D-64289 Darmstadt, Germany, http://www.cst.de

71. Rare-Earth Permanent Magnets, VACODYM, VACOMAX, Company Information Booklet

72. PD-002, Vacuumschmelze GmbH, P.O.B. 2253, 63412 Hanau, Germany, p. 12.

73. Sumitomo Special Metals Company Ltd., Egawa, Shimamotocho, Mishimagun, Osaka 618,1. Japan.

74. L. G. Isaeva et al„ R. J. Holt, andM. A. Miller, AIP Conf. Proc. 421,109 (1998).146

75. D. Krischel, M. Schillo, A. Hobl, H. Grünberg, and H.-J. Hergesell, Rev. Sei. Instr. 69, 6771998).

76. K. Halbach, Nucl. Instrum. Methods 169,1 (1980).

77. A. Vassiliev, V. Ne.lvnhin. V Kontev. P. Kravtsov. B. Lorentz, H. J. Marik,1. V j - t i. ' '

78. M. Mikirtytchiants, M. Nekipelov, F. Rathmann, H. Paetz gen. Schieck, H. Seyfarth, E. Steffens, "24 segment high field permanent sextupole magnets." Rev. Sei. Instr. 71, 9 (2000).