Система управления электронным пучком и излучением лазера на свободных электронах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

СЕРЕДНЯКОВ Станислав Сергеевич

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ И ИЗЛУЧЕНИЕМ ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2005

Работа выполнена в Институте ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Винокуров - доктор физ.-мат.наук, профессор,

Николай Александрович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск. ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Аульченко - доктор технических наук, профессор,

Владимир Михайлович Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск, кандидат технических наук, Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, г. Новосибирск.

ВЕДУЩАЯ - Институт автоматики и электрометрии

ОРГАНИЗАЦИЯ: СО РАН, г. Новосибирск.

Поташников Анатолий Кириллович

Зашита^диссертации состоится « 2? » оеи^^ в « / Ь -— » часов на заседании диссертационного совет;

2? _» Уе 2005 г

Совета Д.003.016.01 Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН.

Автореферат разослан: « » 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ZccH 12Я137

ОБЩАЯ ХАРАКТИРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современные ускорители заряженных частиц являются сложными установками, состоящими из большого числа аппаратных компонентов, требующих управления и диагностики. Как правило, ускоритель состоит из ряда подсистем, разделенных пространственно и различающихся по своему функциональному назначению, и типу используемой аппаратуры. Для организации процесса управления этими сложными комплексами создаются системы управления, которые предоставляют возможность контроля за всеми параметрами установки. Поскольку каждый ускоритель заряженных частиц, как правило, является уникальной установкой со своим набором параметров и особенностей работы, а для управления им используется уникальное оборудование (источники питания, генераторы и т.д.), то и система управления каждым ускорителем, как правило, представляет уникальную систему, создаваемую под решение конкретных задач.

Как правило, система управления состоит из набора подсистем, каждая из которых управляет соответствующей подсистемой ускорителя. В настоящее время практически все системы управления характеризуются как большим количеством управляющих параметров, так и все возрастающей сложностью алгоритмов управления. Например, описанная ниже магнитная система содержит около 170 независимых каналов управления и около 350 каналов контроля. По мере развития компьютерной техники и программного обеспечения появляются новые возможности для создаваемых систем управления. В частности, программное обеспечение фирмы Microsoft содержит много сервисов и возможностей для обработки данных и представления их в удобном для пользователя виде. Причем, со временем растет не только объем предоставляемого сервиса, но и появляются принципиально новые технологии решения тех или иных задач. Кроме того, появляются новые аппаратные интерфейсы для связи управляющей аппаратуры с ЭВМ (например, интерфейс связи CAN-BUS). Естественно возникает желание использовать новые

возможности как во вновь создавав ботающих

системах управления. Более того, использование уже готовых программных компонентов и пакетов просто необходимо, так как это существенно сокращает время разработки всей системы. Поэтому, разработка систем управления сложными физическими установками, удовлетворяющих требованиям, исходящих из специфики работы данной конкретной установки и в тоже время адекватных новым требованиям программного обеспечения была и остается актуальной задачей.

Цель работы

Разработка системы управления и создание набора управляющих и диагностических программ для управления электронным пучком и оптическим излучением в лазере на свободных электронах, которые бы использовали современные аппаратные компоненты, и предоставляемые фирмами-разработчиками ПО возможности. Все программы должны удовлетворять требованиям, исходящих из назначения соответствующей подсистемы управления.

Научная новизна

Основные научные результаты работы следующие:

1. Создано оригинальное программное обеспечение управления магнитной системой ЛСЭ под операционной системой Windows и с использованием стандарта связи CAN-BUS.

2. Реализован ряд программных алгоритмов для задания токов в магнитные элементы, благодаря которым можно управлять элементами как удаленно, так и непосредственно через интерфейс управляющей программы, осуществлять одновременную перестройку отдельных групп элементов по какому-либо закону и Т.д.

3. Разработан ряд аппаратно-программных алгоритмов для диагностики источников питания магнитных элементов с учетом особенностей стандарта CAN-BUS - исследование временной стабильности источников, автоматическое обнаружение пульсаций тока источников.

4. Разработан набор программных средств для измерения положения, тока электронного пучка в канале ускорителя-рекуператора и его временных характеристик - временного

распределения наводимого пучком импульса, пульсаций положения и тока пучка.

5. Для обеспечения удаленного управления в программы интегрирован сервер Channel Access из состава Epics (Experimental Physics and Industrial Control Systems).

6. Создана оригинальная программа для проводки пучка по центру вакуумной камеры с использованием клиентской части протокола удаленного управления Channel Access.

7. Реализован программно-аппаратный цикл сканирования по длине волны когерентного излучения с использованием протокола удаленного управления Channel Access.

Практическая ценность

Разработан комплекс программ для управления электронным пучком и оптическим излучением, которые используются в настоящее время для управления установкой. Использование внешних конфигурационных файлов позволяет менять аппаратную конфигурацию систем без модификации программного обеспечения. Успешная работа программ, использующих аппаратный стандарт CAN-BUS, позволяет сделать вывод о возможности применения этого стандарта для создания систем управления аналогичными установками. Все программы могут работать на всех версиях систем Windows(oT Windows95 до WindowsXP), что дает возможность модернизировать управляющие компьютеры вместе с операционными системами, не производя модификаций в управляющих программах. Архитектура программного обеспечения позволяет провести переход к системам второй очереди со сравнительно небольшой модификацией программного обеспечения.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Разработана система управления источниками питания магнитных элементов.

2. Создан набор программных средств для диагностики источников питания.

3. Создана система измерения положения пучка в канале ускорителя.

4. Создана система определения пульсаций положения и тока пучка в местах пролёта пикап-станций.

5. Разработана система управления и диагностики когерентного

излучения.

6. Реализован цикл сканирования по длине волны когерентного

излучения для пользовательских экспериментов.

Апробация работ

Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Двадцать пятой Международной конференции по лазерам на свободных электронах РЕЬ2003 (Цукуба, Япония, 2003); Международной конференции по субмиллиметровой науке и технологии (Ахмедабад, Индия, 2004); Двадцать шестой Международной конференции по лазерам на свободных электронах РЕЬ2004 (Триест, Италия, 2004); Девятнадцатой Российской конференции по ускорителям заряженных частиц ЯиРАС2004 (Дубна, Россия, 2004); Двадцать девятой Конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Карлсруше, Германия, 2004); Тридцать второй Конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, Россия, 2005); а также на семинарах в ИЯФ СО РАН (Новосибирск) и опубликованы в работах [1-11].

Структура работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Работа изложена на 114 страницах, содержит 31 рисунков и 8 таблиц. Список литературы включает в себя 25 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко описаны параметры установки и перечислено краткое содержание всех четырех глав работы.

В первой главе подробно описан принцип работы ЛСЭ первой очереди и представлены основные его параметры. Здесь же приведено описание всех подсистем микротрона-рекуператора для ЛСЭ первой очереди, перечислены их основные характеристики. Описаны следующие подсистемы:

1. Инжектор.

2. ВЧ-система.

3. Магнитная система.

4. Система контроля положения пучка.

5. Система температурного контроля.

6. Система управления и диагностики оптического излучения.

Далее приведены основные особенности ЛСЭ как объекта

управления, которые характерны для всех больших установок:

- Наличие ряда подсистем, разделенных территориально, и как правило требующих отдельных подсистем управления.

- Большое количество измеряемых и управляемых величин (около 1500).

- Возможность непрерывной работы в течение длительного времени (для многих экспериментов важна долговременная стабильность параметров излучения ЛСЭ и их повторяемость).

Приведено сравнение ЛСЭ с другими аналогичными установками (прежде всего с ускорителями заряженных частиц). В частности, отмечается, что по характеру управления ЛСЭ является достаточно простым объектом - все управление сводится к заданию или измерению постоянных, либо медленно меняющихся величин, нет необходимости организации процессов в реальном времени. Однако, большая предельная мощность ускоряемого пучка и ускоряющего ВЧ-поля требует создания систем диагностики некоторых критичных параметров установки (температуры, радиационного фона) и системы быстрой защиты. Также приводятся аргументы в пользу масштабируемости некоторых подсистем, а именно возможности увеличения числа каналов подсистем при переходе на вторую очередь ЛСЭ.

Далее, исходя из этих факторов и индивидуальных особенностей подсистем, составлены требования к соответствующим системам управления.

Для системы управления магнитными элементами основные требования предъявляются к точности тока, задаваемого источником питания и его временной стабильности. В частности, показано, что самые высокие требования предъявляются к источникам питания поворотных магнитов. Дня них погрешность задания тока составляет величину А.Ш = 10~5. Далее, требования к источникам питания определяют требования к управляющим контроллерам. Предъявленные выше требования и количество магнитных элементов разных гипов заставляет использовать два типа контроллеров: один -менее точный с погрешностью -104 и с большим числом

управляемых каналов для большинства обычных элементов, второй -более точный (прецизионный) одноканальный контроллер (имеющий погрешность задания ~10 4) для поворотных магнитов и онзулятора.

Также учитывая, что нестабильность тока в любом элементе может привести к тяжелым последствиям (разогреву и даже прожиганию камеры ускорителя), в данной системе необходимы средства, обеспечивающие быстрый поиск нестабильно работающих источников питания, контроль пульсаций тока, и т.д.

Для системы измерения положения пучка основные требования состоят в том, что система должна позволять измерять раздельно ускоряемый и замедляемый пучок, и одинаково работать во всем диапазоне режимов работы ускорителя - в диапазоне частот следования пучка - от 22.5 КГц до 22.5 МГц, и при максимальном среднем токе пучка до 20 мА. Кроме того, так же необходимы средства для быстрого обнаружения пульсаций положения и тока пучка в канале ускорителя с максимально возможной частотой.

Для системы контроля и диагностики когерентного излучения основные требования следуют из предназначения данной системы. Основные требования следующие:

- Наличие аппаратуры, позволяющей осуществлять регулировку механических частей системы с высокой точностью, сохранять выставленное положение при включении и выключении питания, «уметь» измерять свое текущее положение и передавать его в управляющую ЭВМ.

- Наличие измерительных устройств, чувствительных к когерентному излучению в данном диапазоне длин волн и имеющих достаточное быстродействие.

- Возможность модернизации системы, добавления новых механически-регулируемых компонент, и измерительных устройств.

- Возможность организации циклов перестройки длины волны излучения для измерительных целей.

Далее, исходя из этих требований, описана управляющая аппаратура для каждой из подсистем, факторы, определившие выбор конкретной аппаратуры, сравнение с другими устройствами, интерфейсами и приведены характеристики выбранных устройств. В частности, в параграфе «выбора управляющего оборудования для магнитной системы» произведен сравнительный анализ управляющих систем на базе КАМАК и CAN-BUS интерфейсов. Показаны

преимущества CAN-BUS интерфейса, обусловившие выбор управляющего оборудования. В параграфе «выбор управляющего оборудования для системы измерения положения пучка» описаны управляющие блоки, схема их соединения, характеристики и принцип работы всей системы. В параграфе, относящемуся к выбору оборудования для системы контроля когерентного излучения, так же кратко перечислены используемые аппаратные компоненты. Отмечено также, что поскольку система находится в процессе развития, то точно описать используемое оборудование не представляется возможным.

Во второй главе описана система управления магнитными элементами Поскольку магнитная система микротрона-рекуператора состоит из разных элементов, различающихся по своему предназначению и потребляемому току, то разные группы элементов питаются от разных источников питания. Всего используется четыре группы источников питания (см. таблицу).

Таблица. Характеристики основных групп источников питания.

1гр. 2гр. Згр. 4гр.

Максимальный ток нагрузки ±3 А ± 10 А 1000 А 2500 А

Напряжение буферного источника питания 12В 20 В 12В 48 В

Количество источников питания 96 62 2 1

Нестабильность выходного тока 6мА 6мА 1А 0.25А

Потребляемая мощность 40 Вт 200 Вт 15 КВт 130 КВт

Здесь же описана структура системы питания и управления магнитной системой микротрона-рекуператора. Подробно описаны схема размещения источников питания, схема соединения управляющей аппаратуры с источниками питания и соединение управляющих устройств с управляющим компьютером (см. рис. 1). Далее подробно описано управляющее программное обеспечение. Представлена внутренняя структура программы, её основные потоки,

их предназначение, направления передачи данных внутри программы. Далее описан интерфейс пользователя, который предоставляет программа и приведено описание конфигурационных файлов программы, в которых содержится вся информация об источниках питания, магнитных элементах и управляющих САМ-устройствах.

Схема управления и питания магнитной ЙЙ системой микротрона-рекуператора для И ||и4] мощного ЛСЭ.

IBM PC, Window« 2 S КА Источник

IXXAT IPC-I питания ЗА-Источники 10-17А Источники 1КА Источник

Рис. 1. Схема системы управления магнитными элементами ЛСЭ.

Также представлены основные функциональные возможности программы, которые можно разделить на несколько пунктов:

1. Отображение состояния системы в реальном времени, которое включает в себя отображение аппаратной конфигурации системы (какой элемент подключен к какому каналу, наличие свободных каналов), отображение состояния управляющей магистрали и управляющих контроллеров, индикацию состояния источников питания и правильность их работы.

2. Непосредственное управление источниками питания. Программа позволяет как индивидуально задавать и менять токи в магнитных элементах, так и производить одновременную перестройку целых групп элементов по какому-либо закону - пропорциональное изменение токов элементов на какой-либо коэффициент, синхронное изменение токов в разных элементах с разными весами.

3. Диагностика источников питания. Для этого в программе предусмотрено несколько возможностей:

- Одноканальный (осциллографический) режим измерения для одного источника питания. При этом АЦП, обслуживающий данный источник, переключается на нужный канал, и работает в этом режиме столько, сколько нужно пользователю. При этом на экране компьютера выводится зависимость измеренного тока от времени. По данному графику пользователь может судить о стабильности работы данного источника питания.

- Последовательный опрос всех источников питания в одноканальном режиме. Данный режим используется в основном для выявления пульсаций выходного тока источников. В этом режиме программа последовательно перебирает все каналы всех АЦП, которые измеряют выходной ток источников. При этом на каждом канале программа производит одноканальные измерения в течении короткого промежутка времени (сотни миллисекунд), анализирует полученный массив измерений, выводит на экран результат и затем переключается на следующий канал. В качестве величины, характеризующей разброс измеренных значений используется среднеквадратичное отклонение.

4. Интерфейс удаленного управления. В программу встроен сервер Channel Access из состава EPICS, который дает возможность управлять системой с другого компьютера в локальной сети. Сервер представляет набор переменных процесса (PV). Каждому источнику питания соответствует три переменных одна для задания тока и две для вывода измеряемых источником питания тока и напряжения. Данный набор переменных позволяет пользователю дистанционно полностью управлять системой.

В третьей главе описана система контроля положения пучка. Положение пучка в канале микротрона-рекуператора измеряется с помощью прямоугольных металлических электродов, так называемых пикап-станций. Вся система включает в себя 28 пикап-станций (см. рис. 2), при этом на 9-ти из них присутствует ускоряемый и замедляемый пучок, поэтому весь цикл опроса включает в себя 37 обращений к пикап-станциям. Определение положения пучка происходит при помощи одновременного измерения амплитуд

сигналов, наводимых пучком на всех четырех пластинах, и их сравнения по формуле:

а V,-V

х----1-,

4 С/++Е/_

где: 1/. н 17+ - амплитуды сигналов с противоположных пикап-электродов, а - радиус камеры. Измерение происходит при помощи АЦП по импульсам внешнего запуска, которые следуют с частотой следования пучков. Для компенсации разностей ходов всех сигналов в системе импульсы запуска проходят через регулируемую линию задержки.

Рис. 2. Схема системы измерения положения пучка.

Данная архитектура измерительной аппаратуры позволяет раздельно измерять ускоряемый и замедляемый пучки, и производить измерения с частотой следования пучка.

Далее, во втором параграфе описано управляющее программное обеспечение. Подробно описаны основные режимы работы программы, и связанные с ними алгоритмы измерений, их основные принципы и параметры. Основные возможности программы следующие:

1. Последовательный опрос всех пикап-станций с целью вычисления положения пучка с максимальным быстродействием. Данные измерений немедленно выводятся на экран в виде поперечных

положений пучка и в виде распределений Х(п) и Y(n) где п номер пикап-станции начиная от инжектора.

2. Сканирование по величине задержки или по моменту измерения импульса с пикап-электродов для получения временного распределения этого импульса. Данный режим служит в основном для нахождения времен измерения всех пикап-станций для последующего использования в первом режиме работы. Также служит для разных диагностических целей.

3. Измерение пульсаций положения и среднего тока пучка. В этом режиме измерения накапливаются во внутренней памяти АЦП до тех пор, пока память не заполнится до конца. После этого происходит считывание его содержимого. Данный алгоритм позволяет производить измерения с частотой, равной частоте следования пучка в течение довольно большого промежутка времени (до 32678 измерений).

4. Удаленное управление. В программу встроен сервер удаленного управления Epics Channel Access по аналогии с программой управления магнитной системой. Сервер отдает значения координат по X и по Y и значения амплитуд сигналов с каждой из пластин для каждой пикап-станции.

В следующем параграфе описана программа, представляющая пример одновременного использования двух управляющих программ (магнитной системы и системы контроля положения пучка) через сервера удаленного управления. Программа использует клиентскую часть протокола Channel Access. Программа предназначена для вывода пучка на центр какой-либо квадрупольной линзы. Для этого используются данные с одной из пикап-станций и значение тока заданного в квадрупольную линзу. В процессе работы программа «качает» ток в выбранной линзе и отслеживает изменение положения пучка на выбранной пикап-станции. Задача пользователя состоит в том, чтобы используя какой-либо корректирующий элемент, стоящий ранее по ходу пучка, свести к нулю или минимизировать колебания положения пучка на данной пикап-станции, что и будет означав вывод пучка на центр квадрупольной линзы.

В четвертой главе описана система управления и диагностики когерентного излучения ЛСЭ. Схема системы приведена на рис. 3. В первом параграфе данной главы приведено описание системы- её предназначение и основные составные компоненты. Оптическая

система микротрона-рекуператора включает в себя следующие компоненты:

1. Сам ЛСЭ - ондулятор и оптический резонатор.

2. Система вывода и транспортировки излучения - калориметры, канал для вывода излучения, систему зеркал.

3. Набор средств для диагностики параметров излучения -интерферометр Фабри-Перо, устройство для измерения поперечного распределения пучка излучения, и т.д.

Рис. 3. Схема системы управления и диагностики когерентного

излучения.

Далее описано оборудование, управляющее всеми компонентами системы:

- Шаговые двигатели, обеспечивающие механическую настройку различных компонент системы, например зеркала резонатора.

- Различные датчики (гхиро-, термоэлектрические и другие), предназначенные в основном для измерения мощности когерентного излучения.

После этого описана управляющая аппаратура, используемая для управления соответствующим оборудованием:

1. Контроллеры шаговых двигателей КШД-485, разработанные в

ИЯФ. Используются для управления шаговыми двигателями. Для

связи с управляющим компьютером используется интерфейс RS-485.

2. Для снятия показаний датчиков используется два АЦП типа CANADC40, так же разработанный в ИЯФ. Для связи с АЦП используется интерфейс CAN-BUS.

Основные функции системы управления оптической системой следующие:

1. Механическая настройка отдельных компонентов системы (зеркала резонатора, калориметры и г.д.) на желаемый режим работы.

2. Диагностика когерентного излучения - измерение различных параметров излучения - длины волны, спектра, мощности и т.д..

3. Организация программно-управляемых циклов перестройки длины волны излучения для пользовательских экспериментов. Данные функции реализованы в управляющей программе. Механическая настройка системы реализуется через управление

шаговыми двигателями и диагностику уровня мощности излучения в реальном времени. Оператор имеет возможность крутить интересующий его шаговый двигатель и видеть реакцию на это действие по изменению измеряемой величины.

Диагностика излучения реализована в виде набора подпрограмм, которые организуют различные измерительные циклы. На данный момент работает подпрограмма для измерения длины волны при помощи интерферометра Фабри-Перо и подпрограмма для измерения формы пучка в поперечном сечении. Устройства для измерения других параметров излучения (мощности, спектра, и тд.) пока находятся в стадии разработки.

Циклы перестройки длины волны излучения организуются в виде циклов последовательной перестройки тока ондулятора в заранее заданных пределах и с заданным шагом. Перестройка тока осуществляется через интерфейс удаленного управления магнитной системой. В процессе цикла перестройки производится измерение полной (падающей) мощности излучения, и поглощенной в образце или прошедшей мощности излучения. Искомый спектр получается при нормировке полученной зависимости второй величины от тока ондулятора на первую (полную мощность), так-как в процессе цикла измерения она может слабо меняться.

В заключении подведены итоги проделанной работы, кратко перечислены основные возможности реализованной системы, затронуты вопросы, касающиеся перехода системы управления на вторую очередь ЛСЭ.

Основные положения диссертации изложены в следующих

работах:

1. Yu.M. Velikanov, V.F. Veremeenko, N.A. Vmokurov, ... et. al. Free electron laser for Siberian center for photochemical research: the control system for the magnet power supplies. Труды XIX Российской конференции по ускорителям заряженных частиц, р.362-365.

2. E.N. Dementyev, N.G. Gavrilov, A.S. Medvedko, ... et al. Free electron laser for Siberian center for photochemical research: Software and capabilities of beam position measurement system. Труды XIX Российской конференции по ускорителям заряженных частиц, р.365-368.

3. Y.K. Avlasov, K.D. Bezmaternikh, A.V. Ovchar, ... et al. Free electron laser for Siberian center for photochemical research: The control system. Труды XIX Российской конференции по ускорителям заряженных частиц, р.368-371.

4. Н.А. Винокуров, Б.А. Гудков, В.Р. Козак и др. Мощный ЛСЭ для Сибирского центра фотохимических исследований: Система температурного контроля. - Новосибирск: ИЯФ, 2003. - (Препринт / Ин-т ядер, физики им. Г.И. Будкера СО РАН; 2003-77).

5. Е.А. Antokhin, R.R. Akberdm, М.А. Bokov, ... et al. First lasing at the high-power free electron laser at Siberian center for photochemistry research. NIM 2004, V.A528, p. 15-18.

6. V.P. Bolotin, N.A. Vinokurov, D.A. Kayran, ... et al. Status of Novosibirsk Terahertz FEL. NIM 2005, v.543, p.81-84.

7. В.Р. Болотин, Н.А. Винокуров, Д.А. Кайран и др. Новосибирский лазер на свободных электронах и его возможные применения. Труды ХХХП Звенигородской конференции по физике плазмы и термоядерному синтезу, р. 14-18.

8. V.P. Bolotin, В.А. Knyazev, E.I. Kolobanov, ... et al. Quasi-continuous sub-millimeter optical discharge on Novosibirsk free electron

laser: experiments and elementary theory. Proceedings of IRMMW-THz 2005, Willamsburg. USA, September 19-23, 2005, p. 126-127.

9. E.I. Kolobanov, V.V. Kotenkov, V.V. Kubarev, ... et al. Highly sensitive fast Schottky-diode detectors in experiments on Novosibirsk free electron laser. Proceedings of IRMMW-THz 2005, Willamsburg, USA September 19-23, 2005, p.154-155.

10. E.I. Kolobanov, V.V. Kotenkov, V.V. Kubarev, ... et al. High resolution mesh Fabry-Perot interferometers in experiments on free electron and gas lasers. Proceedings of IRMMW-THz 2005, Willamsburg, USA September 19-23, 2005, p. 194-195.

11. V.P. Bolotin, V.S. Cherkassky, E.N. Chesnokov, ... et al. Novosibirsk terahertz free electron laser: Status and survey of experimental results. Proceedings of IRMMW-THz 2005, Willamsburg, USA September 19-23, 2005, p.495-496.

СЕРЕДНЯКОВ Станислав Сергеевич

Система управления электронным пучком и излучением лазера на свободных электронах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 22.11.2005 г. Подписано к печати 23.11.2005 г. Формат 100x90 1/16 Объём 0,9 печ.л., 0,7уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 47

Обработано на IBM PC и распечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

/

f

I

»24762

РНБ Русский фонд

2006-4 27618

Введение.

Глава 1. Описание установки как объекта управления.

§ I. Принцип работы ЛСЭ, параметры первой очереди. Основные подсистемы ЛСЭ первой очереди.

§ 2. Основные подсистемы.

§ 2.1 Инжектор.

§ 2.2 ВЧ-Система.

Подсистемы.

§ 2.2,1 Высоковольтный источник анодного питания ВЧ генераторов.

§ 2.3 Магнитная система.

§ 2.4 Система измерения положения пучка.

§ 2.5 Система управления и контроля оптическим излучением.

§ 2.6 Система температурного контроля.

§ 3. Особенности ускорителя-рекуператора и ЛСЭ.

§ 4. Требования к системе управления.

§ 4.1. Требования, предъявляемые к управлению и контролю источников постоянного тока и программному обеспечению.

§ 4.2. Требования, предъявляемые к системе контроля положения электронного пучка.

§ 4.3. Требования, предъявляемые к системе контроля и диагностики когерентного излучения.

§ 5. Выбор программной и аппаратной базы.

§ 5.1. Выбор управляющего оборудования для магнитной системы.

§ 5.2. Выбор управляющего оборудования для системы измерения положения электронного пучка.

§ 5.3. Выбор управляющего оборудования для системы контроля когерентного излучения.

§ 5.4. Выбор программного обеспечения.

Глава 2 . Управление магнитной системой ускорителя-рекуператора.

§ 1. Принцип действия и калибровочные характеристики.

§ 2. Структура системы, размещение источников питания и схема соединения контроллеров с управляющей машиной.

§ 3. Управляющее программное обеспечение.

§ 3.1 Управление источниками питания.

§ 3.2. Диагностика источников питания.

§ 3.3 Удаленное управление системой.

§ 3.4 Прочие возможности.

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) являются уникальными источниками когерентного излучения, принцип действия которых основан на преобразовании части энергии электронного пучка в энергию излучения. По сравнению с другими лазерами ЛСЭ имеет целый ряд преимуществ : непрерывность излучения, большая мощность излучения, перестраиваемость длины волны излучения.

В настоящее время в специализированном отдельном корпусе Института химической кинетики и горения СО РАН создается Сибирский Центр фотохимических исследований на базе мощного лазера на свободных электронах [1]. Строящийся полномасштабный ЛСЭ базируется на многооборотном микротроне-рекуператоре с энергией электронного пучка 40МэВ и будет иметь диапазон перестройки монохроматического излучения от 3 до 20 микрон со средней мощностью излучения до 50кВт.

На настоящий момент разработана, изготовлена и запущена первая очередь ЛСЭ [2], включающая в себя однооборотный микротрон-рекуператор с энергией электронного пучка 14 МэВ и мощностью когерентного излучения до 7кВт. Как и для всех крупных научных и промышленных установок, для полноценного управления и контроля для микротрона-рекуператора была создана система управления, которая состоит из ряда независимых подсистем, связанных между собой.

Целью работы была разработка программного обеспечения системы управления ЛСЭ [11] с максимально возможным использованием уже готовых программных компонентов (для сокращения времени разработки и повышения надежности системы), которое бы работало с аппаратурой, специально разработанной для управления ЛСЭ, и аналогичными установками, и представляло набор возможностей, необходимых для полноценного контроля и управления всеми системами ЛСЭ. Аппаратная часть системы управления ЛСЭ создавалась многими разработчиками, а выбор архитектуры системы, формулировка требований и возможностей системы управления, а также запуск тестирование и наладка системы производилась автором совместно с разработчиками аппаратуры.

В данной работе описывается архитектура и возможности подсистем, которые предназначены для управления и диагностики электронного пучка в канале ускорителя и получаемого в ЛСЭ когерентного излучения, а именно:

1. Система управления магнитными элементами.

2. Система измерения положения электронного пучка.

3. Система настройки оптического канала и управления и диагностики когерентного излучения.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе диссертации приведено описание установки ЛСЭ как объекта управления, включая описание основных подсистем ЛСЭ. Там же приведены основные требования к управлению перечисленных выше подсистем с учетом особенностей всей установки и индивидуальных задач, стоящих перед каждой системой в отдельности. Далее подробно описано аппаратное обеспечение, которое было использовано для управления данной подсистемой, описаны основные факторы, обусловившие выбор этой аппаратуры. Далее перечислены основные характеристики используемых устройств.

Во второй главе описана система управления магнитными элементами ЛСЭ. В частности описана архитектура системы, схема соединения источников питания магнитных элементов с управляющей ЭВМ. Также подробно описано программное обеспечение данной подсистемы, основные её возможности и примеры использования. Описан ряд программноаппаратных алгоритмов, разработанных автором для ряда задач, возникающих в процессе работы с системой.

В третьей главе аналогичным способом описана система измерения положения электронного пучка. Кратко описаны физические принципы, лежащие в основе работы данной системы. Также приведено подробное описание возможностей программного обеспечения. В этой же главе приведен пример одновременного использования двух управляющих программ — программы управления магнитными элементами и программы измерения положения пучка через их сервера удаленного управления. Была написана оригинальная программа для проводки пучка по центрам квадрупольных линз с одновременным использованием данных от обеих программ.

В четвертой главе описана система управления и контроля когерентным излучением. Описана структура системы, основные её компоненты, рассмотрены основные задачи, стоящие перед системой. Далее аналогично двум предыдущим главам, описано программное обеспечение, основные его функциональные возможности, показаны примеры использования отдельных его возможностей.

В заключении приведены результаты проделанной работы, основные возможности системы и перспективы её развития.

Заключение

В результате проделанной работы создана система управления и диагностики электронного пучка и когерентного излучения. Выбранное контрольное оборудование и разработанное управляющее программное обеспечение полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к соответствующим подсистемам. Система находится в процессе эксплуатации на протяжении трех лет. В течение этого периода система продемонстрировала высокую надежность работы и высокую адаптивность при решении возникающих задач. С использованием программ данной системы был получен и оптмизирован режим движения пучка в канале ускорителя, получена генерация когерентного излучения и были сняты первые спектры пропускания различных веществ. В процессе работы неоднократно происходили изменения в аппаратной конфигурации подсистем (перенос источников питания, перекоммутация магнитных элементов, переключение пикап-станций и т.д.). Возможности программного обеспечения позволили проделать это в короткие сроки, не затрачивая дополнительное время на модификацию программного обеспечения. Интерфейсы удаленного управления, которые присутствуют во всех программах управления подсистемами, позволяют интегрировать их в общую систему управления, создавать программное обеспечение, использующее возможности сразу нескольких подсистем.

При создании второй очереди ЛСЭ будет произведена модернизация данной системы управления. За основу будет взято существующее программное обеспечение. Изменение в системах в основном будет сводиться к увеличению числа элементов. Так произойдет увеличение числа магнитных элементов и пикап-станций примерно в два раза. Архитектура разработанного управляющего программного обеспечения этих подсистем позволит произвести этот переход, произведя сравнительно небольшие модификации программ.

В заключение хотелось бы выразить благодарность Н.А. Винокурову и А.Д. Орешкову за научное руководство и помощь, оказанную при работе над диссертацией, сотрудникам лаборатории 6-0 и 6-1 В.Р. Козаку, С.В.

Тарарышкину, Б.А. Довженко, Е.Н. Дементьеву за содействие, оказанное при освоении управляющего оборудования, а также коллектив лаборатории 8-1 за помощь и моральную поддержку, оказанную в процессе выполнения данной работы.

1. N.A.Vinokurov, et al. Status of Free Electron Laser for the Siberian Center for Photochemical Research, NIM A470 (2001), pp. 60 65

2. E.A.Antokhin, R.R.Akberdin, M.A.Bokov, et al. First lasing at the high-power free electron laser at Siberian center for photochemistry research. NIM 2004, Vol A528, p 15-18

3. V.Yu.Loskutov, V.S.Arbusov, B.A.Baklakov, et al. RF System of the racetrack microtron-recuperator for high power FEL. Proc. Of the 8th EPAC, 3-7 June 2002, Paris.-p.2169

4. N.Gavrilov et al., RF Cavity for the Novosibirsk Race-Track Microtron-Recuperator, Budker INP preprint 94-92, Novosibirsk, 1994

5. Miginsky S.V. et al. Status of the 2-MeV CW RF injector for the Novosibirsk high-power FEL. Proc. Of XII National Conf. SR-98, July 13-18, 1998

6. Borovikov V.M. et al. Electron gun of high repetition rate and low emittance for FEL (poster). Proc. Of XII National Conf. SR-98, July 13-18, 1998

7. Yu.M. Velikanov,V.F. Veremeenko,N.A Vinokurov, et al. Free Electron Laser for the Siberian Center for Photochemical Research: The control system for the magnet power supplies. Труды XIX российской конференции по ускорителям заряженных частиц р.362-365

8. B.A.Gudkov, V.R.Kozak, V.V.Kubarev et al., Free Electron Laser for the Siberian Center for Photochemical Research : Temperature Control System, Preprint Budker INP 2003-77, Novosibirsk, 2003

9. Е.Н.Дементьев, Н.И.Зиневич, Е.И.Шубин, Система измерения положения пучка в разрезном микротроне-рекуператоре, Журнал "Атомная энергия", Декабрь, 2002, рр.453-455.

10. В.Р.Козак, Э.А.Купер. Микропроцессорные контроллеры для управления источниками питания. Препринт ИЯФ 2001-70, 2001.

11. С.А.Третьяков. (Datamicro Со) Controller Area Network (CAN) локальная сеть контроллеров, http://www.datamicro.ru/dm/library/pdf/980926.doc-01.pdf

12. H.L.R.Dalesio(LANL), M.R.Kraimer(ANL), A.J.Kozubal(LANL), EPICS Overview,http://www.aps.anl.gOv/asd/controls/epics/EpicsDocumentation/EpicsGeneral/e picsoverview.html

13. Philip Stanley EPICS R3.13, Channel Access Portable Server, http://lansce.lanl.gov/organization/EPICSdata/ca/castut/server-l.html

14. Jeffrey O.Hill EPICS R3.13, Channel Access Reference Manual, http://lansce.lanl.gov/organization/EPICSdata/ca/cadoc/cadocl.htm

15. А.Мешков, Ю.Тихомиров, Visual С++ и MFC. Руководство для профессионалов, BHV Санкт - Петербург, 1999 г.

16. IXXAT Automation Gmbh, PC/CAN Interfaces and Drivers, http://www.ixxat.de/download/catalog/epccaninterfaces.pdf

17. IXXAT Automation Gmbh, VCI-V2 Programmers Manual, http://www.ixxat.de/download/vciv2programmer-manual-e25.pdf

18. CAMAC A Modular Instrumentation System for Data Handling, Revised Description and Specification, Report EUR 4100e, CEC. Luxembourg, 1972

19. А. Мацко. Интерфейс последовательной связи ИПС-6 в стандарте PCI для систем на основе крейт-контроллера К0607. Квалификационная работа на соискание степени магистра, Новосибирск, 2003.

20. К.Д.Безматерных. Пакет Программного обеспечения для платы ИПС-6. Квалификационная работа на соискание степени бакалавра. Новосибирск, 2003.

21. М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики, Наука 1973 г.

22. V.V.Kubarev, B.Z.Persov, N.A.Vinokurov, A.V.Davidov, Optical resonator of powerful free-electron laser, Nuclear Instr. and Meth. A528, 2004, 199-202.

23. A. Gaupp, Free electron laser, CERN Accelerator School 95-06.