Структура и аппаратные средства системы управления линейным индукционным ускорителем рентгенографического комплекса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ФАТЬКИН Георгий Александрович

СТРУКТУРА И АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНЫМ ИНДУКЦИОННЫМ УСКОРИТЕЛЕМ РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

01.04:20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ДЕК 2012

005047583

НОВОСИБИРСК - 2012

005047583

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Батраков - кандидат технических наук, Федеральное

Александр Матвеевич государственное бюджетное учреждение науки

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Долговесов - кандидат технических наук, Федеральное

Борис Степанович государственное бюджетное учреждение науки

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск, заведующий лабораторией.

Куксанов - доктор технических наук, Федеральное

Николай Константинович государственное бюджетное учреждение науки

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск, заведующий лабораторией.

ВЕДУЩАЯ - Московский радиотехнический институт

ОРГАНИЗАЦИЯ Российской академии наук, г. Москва.

Защита диссертации состоится с^р^г еъ^рА 2012 г.

в « 1?.'ООч> часов на заседании диссертационного совета Д 003.0l6.0l Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, II.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан « 2£ » /~и>Л 9_2012 г.

/

Ученый секретарь

диссертационного совета --

доктор физ.-мат. наук —А.В. Бурдаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В связи с ратификацией договора о запрете на проведение ядерных испытаний, в последние годы активно развивается импульсная рентгенография (flash radiography), которая позволяет изучать поведение моделей ядерных боеприпасов при проведении неядерных гидродинамических испытаний. Одним из наиболее перспективных способов получения интенсивных точечных источников рентгеновского излучения, необходимых для этих работ, является применение линейных индукционных ускорителей (ЛИУ). С их помощью создаётся интенсивный (порядка нескольких килоампер) пучок электронов, который, попадая на мишень-конвертер, формирует рентгеновский пучок. В мире действует несколько рентгенографических комплексов на базе ЛИУ, применяемых для импульсной рентгенографии.

В ИЯФ СО РАН проектируется комплекс для импульсной рентгенографии на основе ЛИУ с энергией электронного пучка 20 МэВ. Прототипом высококачественного инжектора этого комплекса является ускоритель ЛИУ-2, который представляет собой мощную импульсную установку, генерирующую на конвертер пучок электронов с энергией 2 МэВ. Специфика проводимых экспериментов и сложность подготовки объекта исследования требует высокой надёжности работы, поэтому без соответствующей системы управления функционирование установки не представляется возможным.

Актуальность настоящей работы состоит ещё и в том, что проведённые исследования и полученный опыт позволят с полным пониманием проектировать систему управления гораздо более сложного ускорителя ЛИУ 20.

Цель диссертационной работы

Цели диссертационной работы заключались в следующем:

• определение функциональных требований для системы управления инжектором ЛИУ-2;

• разработка структуры системы управления;

• подбор и разработка необходимой аппаратуры;

• испытание и наладка системы управления в ходе пуско-наладочных работ инжектора ЛИУ-2;

• выработка подходов к построению системы управления ускорительным комплексом на 20 МЭВ.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в работы, составляющие основу диссертации, является определяющим. Диссертант отвечал за наладку и тестирование системы управления ЛГУ в ИЯФ, а впоследствии - за запуск и опытную эксплуатацию в РФЯЦ-ВНИИТФ. Им разработан регистратор АОС812-МЕ, также он принимал участие в наладке и доработке модулей АБС200-МЕ, БЬ200-МЕ, Ф-16. Автор активно участвовал в выработке структурных решений системы управления, в частности он доработал логику срабатывания блокировок и схему раздачи синхроимпульсов, сформировал состав аппаратуры в контроллере секции и центральном контроллере. Диссертант участвовал в разработке конструкции емкостного делителя, им предложены алгоритмы коррекции сигналов в системе осциллографического мониторинга и критерии определения надёжности работы установки.

Научная новизна работы

С учётом особенностей физической структуры предложена схема системы управления линейным индукционным ускорителем, основанная на распределении интеллектуальных узлов управления по длине установки и встраивании этих узлов непосредственно в мощные оконечные устройства.

Разработан состав контроллера модуляторной секции -функционально завершенного узла, реализующего необходимые операции по сбору данных и управлению структурной единицей ЛИУ - секцией модуляторов.

Экспериментально исследована возможность встраивания слаботочных интеллектуальных управляющих и измерительных устройств непосредственно в высоковольтные импульсные генераторы питания индукторов. Опробованы и найдены технические и конструктивные решения, обеспечивающие высокий уровень надёжности и живучести встроенной электроники.

Предложены критерии определения сбоев элементов ускорителя на основе анализа ансамбля сигналов, характеризующих их работу.

Разработан широкополосный, высоковольтный емкостной делитель повышенной точности, и предложен алгоритм, минимизирующий искажения, привносимые длинной несогласованной линией, передающей сигнал с делителя.

Научная и практическая ценность

В процессе опытной эксплуатации подтверждена правильность выбранной структуры системы управления и технических решений, обеспечивших высокую надёжность и живучесть разработанной аппаратуры. Опыт, полученный в ходе работы над системой управления ЛИУ-2, используется при проектировании системы управления ЛИУ-20М.

Разработан ряд модулей в формате PMC ComactPCI:

• двухканальный регистратор формы импульсных сигналов ADC200- ME с разрядностью 12 бит и частотой преобразования 200 МГц;

• восьмиканальный регистратор формы импульсных сигналов ADC812-ME с разрядностью 12 бит и частотой преобразования 4 МГц;

• шестнадцатиканальная программируемая линия задержки DL200-ME с дискретностью 5 не и аппаратной логикой блокировок;

• шестнадцатиканальный формирователь/размножитель синхроимпульсов Ф-16.

В ходе опытной эксплуатации проверены технические решения в разработанных модулях и проведены доработки, направленные на улучшение стабильности работы в условиях наводок от импульсных высоковольтных устройств.

Созданная аппаратура нашла применение в других работах, в частности в системе автоматизации стендов измерения импульсных магнитов бустерного синхротрона комплекса NSLS-П для Брукхэйвенской национальной лаборатории (США), в исследованиях по физике плазмы на установке ГОЛ-3 в ИЯФ СО РАН, при модернизации клистронных станций на инжекционном комплексе ВЭПП-5 в ИЯФ.

Основные положения, выносимые на защиту

Структура системы контроля и управления индукционным ускорителем, основанная на распределении узлов управления по длине установки и встраивании этих узлов в мощные оконечные устройства.

Состав контроллера модуляторной секции - функционально завершённого узла, реализующего необходимые операции по сбору данных и управлению структурной единицей ЛИУ - секцией модуляторов.

Способ цифровой коррекции искажений сигнала с широкополосного высоковольтного емкостного делителя.

Критерии определения стабильности работы элементов уско-ителя на основе анализа ансамбля сигналов, характеризующих работу отдельных его элементов.

Проект системы управления ЛИУ-20, выполненный с учётом опыта разработки и эксплуатации ЛИУ-2.

Апробация работ

Достоверность и правильность результатов диссертации подтверждается успешной работой системы управления ускорительного комплекса ЛИУ-2 и успешным проведением первых гидродинамических экспериментов.

Основные результаты работы докладывались на российских и международных конференциях 1РАС 2011, ЮЛЬЕРСБ 2011, ЬА^ТЕБ «Автоматизация, контроль и информационные технологии» 2010 г., конференции «Забабахинские чтения».

Структура работы

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Она изложена на 116 страницах, содержит 64 рисунка и 5 таблиц. Список литературы включает в себя 45 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор существующих в мире рентгенографических комплексов на основе ЛИУ, обсуждается актуальность диссертационной работы, формулируются её цели и приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается ускоритель-инжектор ЛИУ-2 и его основные подсистемы: электронно-оптическая, высоковольтного питания и диагностики электронного пучка. Приводится конструкция разработанного широкополосного высоковольтного емкостного делителя повышенной точности. Формулируются функциональные требования к системе управления, и предлагается её разбиение на подсистемы.

Ускоритель ЛИУ-2 позволяет генерировать пучок электронов с энергией до 2 МэВ, током до 2 кА, и длительностью 300 не. Предусмотрен двухимпульсный режим с интервалом между импульсами 4-20 мке, для получения двух последовательных рентгенограмм в ходе опыта. Размер электронного пучка на мишени менее 1,5 мм.

В связи со сложностью подготовки и высокой стоимостью проводимых экспериментов, принципиальное значение придается надёжности работы ускорителя. Требуется обеспечить надежную и строго согласованную работу всех подсистем ускорителя. Большое число различных, в том числе и высоковольтных устройств, делает немалой вероятность сбоев, поэтому импульс на старт гидродинамического эксперимента подаётся только в случае корректной работы всех элементов ускорителя.

Рабочий цикл установки можно разделить на три последовательных фазы: подготовительную, медленную и быструю. Первая фаза - подготовительная, во время неё необходимо нагреть катод, проверить вакуум, подготовить зарядные устройства. Эта фаза может длиться от 10 секунд (между выстрелами) до одного часа (в случае первого включения установки). Вторая фаза - медленная, во время неё заряжаются формирующие линии модуляторов, отключается накал катода, включается магнитное поле в корректорах. Она длится около 60 мс. И последняя, быстрая фаза, начинается с размагничивания индукторов и заканчивается генерацией пучка (или двух пучков, разнесённых по времени). Её длительность составляет около 10-20 мкс. Во время быстрой фазы может быть подан импульс на старт опыта (ГСО).

Электронно-оптическая система инжектора ЛИУ-2 состоит из двух частей. Первая представляет собой диодную пушку со сферическим катодом, к которому приложено напряжение 1 МВ. Ко второй части, ускорительной трубке, также приложено напряжение 1 МВ. Ускоряющее напряжение на электродах секционированных

изоляторов формируется с помощью 96 индукторов. Конструктивно индукторы сгруппированы по 4 штуки в одном индукторном модуле.

Индуктор представляет собой сердечник с объемным витком, который можно считать образующим первичную обмотку импульсного трансформатора, вторичную обмотку которого образует электронный пучок. При движении в индукционном ускорителе заряженные частицы пучка приобретают энергию, соответствующую сумме напряжений на индукторах, таким образом, достаточно точно измерив эти напряжения, можно вычислить энергию пучка. Для полного использования материала сердечника, перед подачей импульса на первичную обмотку, ферромагнитный сердечник переводится импульсом размагничивания в область отрицательного насыщения.

После прохождения ускоряющей структуры, пучок электронов попадает на мишень - диск с танталовыми пластинами толщиной 0,5 мм. На мишени происходит конверсия электронного пучка в рентгеновский.

Напряжение на индукторах создаётся системой высоковольтного питания, включающей 48 модуляторов, питание которых осуществляется от двух независимых зарядных устройств. Задачей каждого модулятора является формирование двух последовательных импульсов ускоряющего напряжения амплитудой до 21 кВ и импульса тока размагничивания. Модуляторы установлены в восемь однотипных стоек, расположенных вдоль электронно-оптической системы ускорителя. Модулятор состоит из формирующей линии, тиратрона, блока размагничивания и управляющего устройства (УБС). Параметры тиратрона деградируют со временем, поэтому необходимо отслеживать его поведение, для чего с помощью трансформаторов тока измеряется импульсный выходной ток модулятора в каждом выстреле. Один модулятор используется для питания двух индукторов.

Качество электронного пучка является основным фактором, влияющим на качество рентгенографического изображения. Для предоставления максимальной информации о качестве электронного пучка и работе установки создана комплексная система диагностики, состоящая из емкостных делителей напряжения на индукторах, делителя напряжения на вакуумном диоде, трансформаторов тока пучка, полоскового датчика тока пучка и цилиндра Фарадея.

Емкостные делители напряжения должны обеспечить измерение напряжения, а соответственно и распределение энергии по длине пучка с точностью 2%. При разработке делителя было необходимо обеспечить конструктивную совместимость с высоковольтным вводом индуктора.

Сформулируем задачи, стоящие перед системой управления ускорительным комплексом ЛИУ-2:

• подготовка элементов установки к работе;

• своевременное генерирование импульсов запуска, инициирующих работу импульсных устройств как в быстрой, так и в медленной фазах работы;

• регистрация сигналов, характеризующих работу ускорителя и отдельных его элементов;

• запрет опыта в случае нештатной работы.

Исходя из описанного выше, представляется разумным разделить систему управления на три подсистемы:

• подсистему синхронизации и блокировок, которая будет раздавать синхроимпульсы модуляторам и другим устройствам, а также запрещать генерацию импульса ГСО в случае нештатной работы установки;

• подсистему регистрации осциллограмм тока и напряжения на индукторах, зарядного напряжения и тока размагничивания в модуляторах, сигналов с цилиндра Фарадея, датчика положения пучка, зарядных устройств, устройств питания линз и корректоров;

• подсистему управления подготовительными операциями устройствами. В её задачи будет входить установка режимов, а также контроль работы установки в подготовительной фазе.

Во второй главе приводится обзор немногочисленной литературы по теме, которую удалось найти. Далее рассматривается структура системы управления ЛИУ-2 включающая подсистему синхронизации и блокировок, подсистему регистрации осциллограмм и подсистему управления модуляторами и технологическими устройствами.

Секция 1

j Модулятор А [ J Модулятор В j I модуляторе] j Модулятор р| ] Модулятор Е| ] Модулятор F |

Контроллер секции

Секция 2 —Д Модулятор А | _ 3 Модулятор В| 3 Модулятор С| 5 3 Модулятор р| - Модулятор Е| _ 3 Модулятор Р |

Контроллер секции

Секция 8

3 Модулятор А[ [Модулятор в] ] Модулятор С| ^Модулятор □! ] Модулятор Е| fMÔflynflîop F |

Контроллер секции

ЕЕ

Центральный Зарядное Питание Питание линз

контроллер устройство катода и корректоров

CAN-BUS Синхронизация и блокировки Ethernet

Рис. 1. Структура системы управления.

Система управления обеспечивает 288 каналов синхронизации, более 100 «быстрых» осциллографических каналов и столько же «медленных». Разумным решением в таком случае видится разделение системы на функционально законченные узлы, которые распределяются вдоль установки в непосредственной близости от оконечных устройств. Структура системы управления представлена на рис. 1. Восемь периферийных узлов (контроллеры секций) встраиваются непосредственно в модуляторные стойки и соединяются между собой посредством сети Ethernet. Центральный узел (центральный контроллер) расположен в отдельной стойке и обеспечивает работу всех контроллеров секций, а также ряда дополнительных устройств и связь с ЭВМ оператора.

На рис. 2 представлена схема подсистемы синхронизации и блокировок, которая обеспечивает своевременное срабатывание всех устройств в медленной и быстрой фазах работы ускорителя, а также запрет импульса на старт опыта (ГСО) в случае отказов в системе. Так как все каналы синхронизации можно разделить на «медленные» (требующие подстройки с шагом не хуже 100 не) и «быстрые» (требующие подстройки с шагом 5 не), то подсистема синхронизации и блокировок была сделана двухуровневой. Сигналы синхронизации представляют собой импульсы тока с амплитудой 200 мА, длительностью 1 мке и фронтом 10 не, которые передаются по 50-0м коаксиальному кабелю. Общий старт установки привязан к фазе электросети.

Рис. 2. Подсистема синхронизации и блокировок.

Сигналы «Авария» собираются со всех устройств в СЬ200-МЕ секции по схеме ИЛИ. Затем по схеме «открытого коллектора» передаются на БЬ200-МЕ центрального контроллера. На центральный контроллер поступают и сигналы «Авария» с других устройств (зарядных, подогревателя катода, и т.д.). При наличии сигнала «Авария» хотя бы с одной секции, выдача импульса ГСО запрещается.

Подсистема регистрации осциллограмм подразделяет все сигналы на два класса, каждый из которых измеряется со своим периодом дискретизации: быстрые (5 не) и медленные (250 не). К быстрым относятся токи модуляторов и напряжения на индукторах, сигналы с систем диагностики пучка. К медленным относятся токи размагничивания, напряжения на формирующих линиях, напряжения на зарядных устройствах и токи питания линз. Для регистрации быстрых сигналов используется 12-разрядный 200 МБРБ преобразователь АБС200-МЕ, для медленных - 12 разрядный 4 МБРБ преобразователь АВС812-МЕ.

Затем приводится алгоритм восстановления сигналов с емкостных делителей напряжения на индукторе, который основывается на численном решении дифференциального уравнения, описывающего систему. Приведённый алгоритм позволяет уменьшить искажения на полочке сигнала с 6% до 2%.

11

В третьей главе рассматриваются аппаратные средства системы управления. Приведены обоснования выбора стандарта магистрально-модульной системы и состав контроллера секции. В этой главе формулируются требования к аппаратным средствам, приводятся характеристики и схемные решения разработанных модулей: DL200-ME, Ф-16, ADC812-МЕ и ADC200-ME.

Наиболее подходящим выбором представляется базировать аппаратуру на широко распространённом магистрально-модульном стандарте. Оценка количества информации, которую необходимо обработать за выстрел даёт около 700 Кбайт. С учётом времени между выстрелами около 10 с, скорость обработки не оказывает никакого влияния на выбор стандарта. Из современных стандартов автоматизации предпочтение отдано CompactPCI в основном из-за того, что он основан на архитектуре х86. Изготовление аппаратуры в стандарте РМС позволит, при необходимости использовать её и в носителях VME и PXI стандартов. Самостоятельная разработка части аппаратуры привела более чем к десятикратной экономии.

Рис. 3. Фотография контроллера секции.

В состав контроллера секции (изображённого на рис. 3) и центрального контроллера входят процессорный модуль Kontron СР600, CAN-модуль TEWS ТРМС810-10, носители СР-690 и разработанные в ИЯФ РМС носители, а также PMC-платы DL200-ME ADC812-ME и ADC200-ME.

Далее приводится описание цифровой линии задержки DL200-ME и формирователя/размножителя Ф-16. Характеристики DL200-ME приведены в таблице 1. Обсуждаются схемные решения и реализация логики работы устройства.

Таблица 1. Параметры ОЬ200-МЕ.

Параметр БЬ200-МЕ_Е БЬ200-МЕ_8

Каналов 16 16

Дискретность 5 не 80 не

Диапазон регулировки 163.8 мкс (15 бит) 671 мс (23 бита)

Джитгер < 0.5 не <2 не

Входов блокировок 16 16

Выходов «Аварий» 2 2

Затем описываются модули АОС812-МЕ и АБС200-МЕ, которые представляют собой цифровые регистраторы формы импульсных сигналов, их параметры приведены в таблице 2. Приводятся схемотехнические решения и описание логики управления. Также приводится описание разработанного МО-модуля для АЕ)С812-МЕ.

Таблица 2. Параметры АБС200-МЕ и АБС812-МЕ.

Параметр АБС200-МЕ АБС812-МЕ

Синхронных каналов 2 8

Разрядность 12 12

Частота дискретизации 200 МГц 4 МГц

Память (слов) 1 Мх2 125 Кх8

Ошибка нуля < 1 мл.р. < 1 мл.р

Ошибка масштаба < 2 мл.р. < 2 мл.р

В четвёртой главе приводятся основные результаты опытной эксплуатации установки ЛИУ-2 и системы управления. В этой главе описаны способы цифровой обработки полученных осциллограмм, облегчающие работу оператора, а также способы автоматического определения сбоев в работе элементов по ансамблю осциллограмм. На основе полученного опыта формулируются подходы к построению системы управления установкой ЛИУ-20 и приводится её предварительный проект.

В начале главы рассмотрены технические усовершенствования, позволившие достичь стабильной работы аппаратуры в условиях наводок от импульсных высоковольтных элементов. Удачность выбора двухступенчатой системы синхронизации демонстрируется простотой внесения усовершенствований, связанных с временной

13

нестабильностью запуска ГСО. В настоящий момент ЛИУ-2 успешно применяется для получения рентгенографических снимков в экспериментах, не требующих большой просвечивающей способности.

Затем демонстрируется необходимость сбора статистики по стабильности работы элементов для определения способов повышения надёжности установки. Вывод суммы осциллограмм напряжений по секциям оказался очень удобен для операторов установки. Формулируются критерии автоматического определения отказа модулятора по осциллограммам тока и напряжения на нём.

Рассматривается проект установки ЛИУ-20, в котором количество объектов управления на порядок больше, чем на ЛИУ-2. Это приводит к необходимости формулировать новые подходы к системе управления. В частности, обосновывается использование стандарта VME, с частичной реализацией расширения VXIBus. Для связи контроллеров секций предлагается использовать WLAN. Самостоятельная разработка части аппаратуры также видится разумной, предлагается максимально расширить функционал самотестирования, для облегчения поиска неисправностей.

Далее рассматриваются подсистемы синхронизации и регистрации осциллограмм для ЛИУ-20. Подсистему синхронизации предлагается реализовать на основе современного событийного (Event-based) подхода, а также использовать локальные шины для синхронизации устройств в крейте. Приведены способы аппаратной реализации такого подхода и схема модуля таймера.

Для уменьшения количества каналов в системе регистрации осциллограмм предлагается модуль сумматора-мультиплексора. В окончании главы представлен состав контроллера секции новой системы управления.

В заключении формулируются основные результаты диссертационной работы, состоящие в следующем:

Создана и введена в эксплуатацию система управления линейного индукционного ускорителя, с её помощью в 2011 г. проведены первые рентгенографические эксперименты.

Экспериментально проверена возможность встраивания управляющей электроники непосредственно в стойки высоковольтных импульсных источников питания, что позволило заметно

сократить длины кабельных трасс и повысить надёжность работы подсистем синхронизации и регистрации осциллограмм.

Предложенный способ цифровой коррекции искажений, привносимых длинной несогласованной линией в сигнал с емкостного делителя, позволил повысить точность измерений на полке импульса до 2%.

Накопленный в ходе работ опыт позволил приступить к проектированию системы управления установкой ЛИУ-20.

Сформулированы критерии автоматического определения сбоев на установке, которые позволяют накапливать статистику надёжности работы элементов и обеспечить заранее заданную вероятность срабатывания установки при проведении опыта.

Разработанная аппаратура нашла применение в других работах в Институте, и будет использоваться при модернизации систем управления существующих ускорительных комплексов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A. Batrakov, G. Fatkin, I. Ilyin, et.al. The Structure and Hardware of Control System for Power Linear Accelerator. // Proc. of the LASTED International Conferences on Automation, Control and Information Technology (ACIT 2010), June 15-18, 2010 Novosibirsk, Russia, p. 164-167.

2. D. Bolkhovityanov, A.A. Eliseev, F.A. Emanov, G.A. Fatkin, et. al. Performance of 2 MeV, 2 kA, 200 ns Linear Induction Accelerator with Ultra Low Beam Emittance for X-Ray Flash Radiography. // Proc. of IP AC 2011, Sep 4-9, 2011 Kursaal, San Sebastian, Spain, p. 1906-1908.

3. G. Fatkin, P.A. Bak, A.M. Batrakov, P.V. Logachev, A. Panov, A.V. Pavlenko, V.Ya. Sazansky. Control System for Linear Induction Accelerator LIA-2: the Structure and Hardware. // Proc. of ICALEPCS 2011, Grenoble, France, p. 502-505.

4. А. Батраков, П. Логачёв, А. Павленко, Г. Фатькин и др. Система автоматизации линейного индукционного ускорителя рентгенографического комплекса. // Вестник НГУ. Серия: Физика, 2010. Том 5. вып. 3, с. 98-105.

5. Бак П.А., Батраков A.M., Кадыров P.A., Фатькин Г.А. и др. Система управления линейным индукционным ускорителем рентгенографического комплекса: структура, аппаратные средства, результаты опытной эксплуатации. // Автометрия, 2011, т. 47, № 3, с. 120-132.

ФАТЬКИН Георгий Александрович

Структура и аппаратные средства системы управления линейным индукционным ускорителем рентгенографического комплекса

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 28.09 2012 г. Подписано в печать 2.10.2012 г. Формат 60x90 1/16. Объем 1.0 печ.л., 0.8 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 25_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Введение.

Глава 1. Ускоритель-инжектор ЛИУ

1.1. Электронно-оптическая система.

1.2. Система высоковольтного питания.

1.3. Система диагностики электронного пучка.

1.4. Задачи системы управления.

Глава 2. Структура системы управления.

2.1. Обзор существующих систем.

2.2. Общая структура системы управления.

2.3. Подсистема синхронизации и блокировок.:

2.3.1. Синхронизация

2.3.2. Блокировки.

2.4. Подсистема регистрации осциллограмм.

2.4.1. Восстановление сигналов с емкостных делителей

2.5. Подсистема управления модуляторами и технологическими устройствами.

Глава 3. Аппаратные средства.

3.1. Выбор стандарта.

3.2. Процессорный модуль и периферийные устройства

3.3. Аппаратура подсистемы синхронизации и блокировок.

3.3.1. ОЬ200-МЕ.

3.3.2. Плата формирователя Ф16.

3.4. Аппаратура подсистемы регистрации осциллограмм.

3.4.1. АБС812-МЕ.

3.4.2. АБС200-МЕ.

Глава 4. Опыт эксплуатации ЛИУ-2 и проект автоматизации ЛИУ

4.1. Опытная эксплуатация системы.

4.2. Алгоритмы анализа стабильности работы установки.

4.3. Проект системы управления ЛИУ-20.

4.3.1. Подсистема синхронизации

4.3.2. Подсистема регистрации осциллограмм

В связи с ратификацией договора о запрете на проведение ядерных испытаний, в последние годы активно развивается импульсная рентгенография (flash radiography), которая позволяет изучать поведение моделей ядерных боеприпасов при проведении неядерных гидродинамических испытаний. Из рентгенограммы можно извлечь информацию о формах, плотностях и границах на поздних стадиях имплозии. Для исследования поведения плотных объектов требуется интенсивный рентгеновский пучок (от 0.5 до 10 МэВ). Для получения качественных рентгенограмм необходимо, чтобы длительность рентгеновского пучка была порядка 100-3 00нс (чтобы избежать размытия изображения из-за быстрого движения материала при взрыве). Кроме того, требуется создать рентгеновский источник как можно меньшего размера — меньше нескольких мм. [1].

Одним из способов получения таких интенсивных точечных источников рентгеновского излучения является применение линейных индукционных ускорителей (ЛИУ). С их помощью создаваётся интенсивный (порядка нескольких килоампер) пучок электронов, который попадая на мишень-конвертер формирует рентгеновский пучок. В мире действует несколько рентгенографических комплексов на базе ЛИУ, применяемых для импульсной рентгенографии: FXR [2], DARHT-1 [3], DARHT-2 (США) [4], AIRIX [5] (Франция), DRAGON (Китай) [6]. Основные характеристики этих комплексов сведены в таблицу 1.

Активное развитие ЛИУ получили в 70-80е гг. прошлого века, примерно в эти же годы определились основные направления их применения, связанные со способностью генерировать сильноточные релятивистские пучи электронов: создание и нагрев плазмы до теромядерной температуры, коллективное ускорение ионов, усиление и генерация электромагнитного СВЧ

Таблица 1. Характеристики ускорительных комплексов на основе ЛИУ

Установка Энергия Ток (КА) Длина им- Диаметр

МэВ) пульса (не) пучка (мм)

FXR 18 2,3 - 3,4 65 3,2 - 3,5

DARHT-I 19,8 2 60 1,9-2,1

DARHT-II 18,4 2 2000 1,9-2,1

AIRIX 19,2 1,9-3,1 60 1,6-2,0

DRAGON-I 19,2 2,54 70 1 излучения, создание высокого давления и др. [7].

Сейчас ЛИУ широко используются для промышленных применений. Системы управления такими ускорителями достаточно просты, и обычно строятся на основе широко коммерческих доступных средств автоматизации фирмы National Instruments [8, 9]. Линейные индукционные ускорители, использующиеся для импульсной рентгенографии, представляют собой более сложные электрофизические установки с большим количеством объектов управления, надёжное функционирование которых невозможно обеспечить без автоматизированной системы управления, контролирующей все подсистемы ускорителя и предоставляющей полную информацию об их работе, а также обеспечивающей слежение за параметрами сформированного электронного пучка.

Уникальный характер и специфика подобных установок приводит к недостатку литературы посвященной их системам управления. Краткий обзор тех источников, которые удалось найти приведён в главе 2.

В Институте проектируется комплекс для малоракурсной импульсной рентгенографии на онове ЛИУ с энергией электронного пучка 20 МэВ. Прототипом высококачественного инжектора этого комплекса является установка ЛИУ-2, основные характеристики которой приведены в таблице 1.1. В процессе разработки ЛИУ-2 удалось сформулировать круг проблем, возникающих при создании подобных установок, опробовать различные научные и технические решения. Благодаря высокому качеству и большой интенсивности формируемого электронного пучка, ЛИУ-2 может работать в качестве самостоятельной рентгенографической машины, обеспечивая малый размер рентгеновского источника на относительно низкой энергии электронов в 2 МэВ. Для регистрации развития быстропротекающего процесса во времени ускоритель может формировать два одинаковых импульса тока с интервалом в несколько микросекунд.

Основным отличием ЛИУ-2 от существующих зарубежных установок является существенно меньший эмиттанс пучка, позволяющий в итоге получить диаметр пятна на мишени порядка 1 мм, при энергии 2 МэВ, что позволит уменьшить этот диаметр до 0,1-0,2 мм, при энергии 20 МэВ. Такой эмиттанс достигается использованием высококачественного катода, тщательным расчётом электронно-оптического тракта и уменьшением перепада напряжения на ускоряющем элементе (индукторе). Однако подобный подход приводит к увеличению количества индукторов и длины установки, а соответственно и количества питающих и вспомогательных устройств, что в свою очередь, усложняет структуру системы управления.

Настоящая диссертация посвящена разработке структуры и аппаратных средств системы управления для ЛИУ-2, с учётом всех особенностей установки. В ней приводятся выработанные функциональные требования, описана подобранная и разработанная аппаратура. Приводится опыт, полученный в ходе испытания и наладки системы управления инжектора ЛИУ-2. На основе этого опыта выработаны подходы к построению системы управления ускорительным комплексом ЛИУ-20 и приведён её проект.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Структура системы управления, основанная на распределении узлов управления по длине ускорителя и встраивании этих узлов в мощные оконечные устройства.

2. Состав контроллера модуляторной секции - функционально завершенного узла, реализующего необходимые операции по сбору данных и управлению структурной единицей ЛИУ — секцией модуляторов.

3. Способ цифровой коррекции искажений сигнала с высоковольтного широкополосного емкостного делителя.

4. Критерии определения сбоев ускорителя на основе анализа ансамбля сигналов, характеризующих работу отдельных его элементов.

5. Проект системы управления ЛИУ-20, выполненный с учётом опыта разработки и эксплуатации ЛИУ-2.

Заключение

Главным результатом диссертационной работы явилось создание и ввод в эксплуатацию системы управления линейным индукционным ускорителем. Предложенные реализованные структурные решения системы управления, разработанные аппаратные средства, обеспечили наладку установки в Новосибирске, а затем успешный её запуск во ВНИИТФ в г. Снежинске и проведение в 2011 г. первых рентгенографических экспериментов.

Накоплен важный опыт при проектировании современной электроники, производстве и наладке заметных объёмов аппаратуры, исследовании надёжности работы и живучести оборудования в условиях мощных импульсных наводок и высоковольтных пробоев.

Экспериментально проверена возможность встраивания управляющей электроники непосредственно в стойки высоковольтных импульсных источников питания, что позволило заметно сократить длины кабельных трасс и повысить тем самым качество и надёжность работы систем синхронизации и регистрации осциллограмм.

Предложенный способ цифровой коррекции искажений, привносимых длинной несогласованной линией в сигнал с емкосного делителя, позволил повысить точность измерений на полке импульса до 2%.

Накопленный в ходе работе опыт позволил приступить к созданию системы управления более сложной установки ЛИУ-20, проектирование которой уже начато. Следующими этапами будут прототипирование, создание и опытная эксплуатация. Прототипирование начнётся в 2013 г.

В дальнейшем планируется продолжить накопление статистики работы установки ЛИУ-2, с целью определения надёжности работы отдельных её элементов. После накопления такой статистики, с применением методов теории надёжности можно будет обеспечить заранее заданную вероятность сбоя установки при проведении опыта.

Разработанные аппаратные средства нашли применение в других работах в институте и, по видимому, будут использованы в большом количестве новых систем, а также при модернизации систем управления существующих комплексов, неизбежной в связи с устареванием аппаратной базы.

В заключение автор хотел бы выразить признательность всем учавство-вавшим в работе над ЛИУ-2 сотрудникам института, а также коллегам из ВНИИТФ, г. Снежинск. Отдельную благодарность хотелось бы высказать ближайшим коллегам: В. Я. Сазанскому — за бесценные советы, касающиеся цифровой части устройств и разводки плат; И. В. Ильину — за прекрасно написанные тестовые программы; А. В. Павленко и М. С. Кочергину — за неоценимый вклад в разработку модулей; А. Н. Пановуи П. А. Баку — за разработку подсистемы управления модуляторами и ценные советы; Д. Ю. Болховитянову и А. В. Макееву — за управляющее программное обеспечение, без которого система управления никогда бы не заработала и долгие дебаты; А. А. Корепанову — за определяющий вклад в разработку емкостных делителей и многих других диагностик; А. А. Елисееву и А. А. Пачкову — за разработку зарядных устройств и ценные советы по монтажу; Д. А. Старо-стенко — за ценные советы и замечания; А. В. Акимову, O.A. Павлову, Ю. М. Боймелыитейну, Я. В. Куленко. Автор особенно благодарит П. В. Логачёва за ценные замечания, советы и внимантельное отношение, а также Э. А. Купера и А. С. Медведко за оказанную поддержку.

Автор выражает глубочайшую благодарность своему учителю и научному руководителю А. М. Батракову, без которого эта работа никогда бы не увидела свет.

1. Takayama К., Briggs R. 1.duction Accelerators. Berlin: Springer-Verlag, 2011. P. 355.

2. Ong M. et al. LLNL Flash X-Ray Radiography Machine (FXR) Double-Pulse Upgrade Diagnostics // Proc. IEEE Pulsed Power Conference. Baltimore, Maryland: 1997. P. 430-436.

3. Burns M. J. et al. DARHT Accelerators Update and Plans for Initial Operation // Proc. Particle Accelerator Conference. New York: 1999. P. 617-622.

4. Burns M. J. et al. Status of the DARHT Phase2 Long-Pulse Accelerator // Proc. Particle Accelerator Conference. Chicago, IL: 2001. P. 325-330.

5. Mouillet M. et al. First Results of the AIRIX Induction Accelerator // Proc. XX International Linac Conference. Monterey, California: 2000. P. 491-493.

6. Deng J. J. et al. Design of the DRAGON-I Linear Induction Accelerator // Proc. LINAC2002. Gyeongju, Korea: 2002. P. 40-42.

7. Бахрушин Ю. П., Анацкий А.И. Линейные индукционные ускорители. М.: Атомиздат, 1978. С. 248.

8. Nagesh К. et al. Development of a 200KeV Linear Induction Accelerator // Proc. Asian Particle Accelerator Conference. Indore, India: 2007. P. 720-722.

9. Xin-lin Y., Pan-Jian, Wang-Yuan. Design and Implementation of Control System for 4MeV LIA // Proc. 10 International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems. Geneva: 2005. P. 4.

10. Kumar R. et al. Simple, Non-invasive and Wide-band Current adn Voltage Sensors for Use with Coaxial Cables // Proc. 16th IEEE International Pulsed Power Conference. Washington, DC: 2007. P. 486-489.

11. E. Куффель, В. Цаенгль. Техника и электрофизика высоких напряжений. Долгопрудный: Издательский дом Интеллект, 2011. С. 520.

12. В. Р. Козак. Набор устройств с интерфейсом CANBUS в евромеханиче-ском стандарте. Новосибирск, 2008. 17 с. (Препр. РАН, ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН; 2008-18).

13. Kozak V. R. A Distributed Automation System for Electrophysical Installations // Proc. Automation, Control and Information Technology IASTED International Conference. Novosibirsk, Russia: 2005. P. 76-78.

14. В. P. Козак, Э. А. Купер, A. H. Фисенко. Набор устройств с интерфесом CANBUS для систем автоматизации физических установок. Новосибирск, 2003. 16 с. (Препр. РАН, ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН; 2003-70).

15. Archuleta R. et al. The DARHT Data Acquisition, Archival, Analysis and Instrument Control System (DAAAC), And Network Infrastructure // Proc. XXIV Linear Accelerator Conference. Victoria, ВС, Canada: 2008. P. 337-339.

16. Merle E. et al. Automatic Ала^э and Classification of the AIRIX Single Shot Accelerator Defaults // Proc. 2001 Particle Accelerator Conference. Chicago: 2001. P. 3478-3491.

17. Chaplin M. FXR Controls and Diagnostics. 2004. URL: http://www.endorphin-express.com/papers/FXR-ControlsDiagnostics.pdf.

18. Dolbilov G. V., Fateev A. A. et al. Project of Control Syetem for Accelerator SILUND-12 // Proc. European Particle Accelerator Conference 1996. Sitges, Barcelona: 1996. P. 2.

19. А. Батраков, П. Логачёв, Г. Фатькин и др. Система автоматизации линейного индукционного ускорителя рентгенографического комплекса // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010. Т. 5, № з. с. 98-105.

20. Batrakov A., Fatkin G. et al. The Structure and Hardware of Control System for Power Linear Accelerator // Proc. 12 International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems. Novosibirsk: 2010. P. 164-167.

21. ANSI/VITA 1.0-1994 (S2011) VME64 Standard. ANSI, 1995. URL: http://www.vita.com/.

22. PICMG CompactPCI R3 1-Oct-1999. PICMG, 1999. URL: http://www.picmg.org.

23. PXI Specifications. PXISA, 2010. URL: http://www.pxisa.org/Specifications.html.

24. User Manual Agilent Acqiris 10-bit Digitizers / Agilent. 43 p. URL: http://www.agilent.com.

25. N1 PXI-5124 150 MHz, 200 MS/s, 12-Bit Digitizer / National Instruments. 3 p. URL: http://www.ni.com/.

26. N1 PXI-5105 60 MS/s, 60 MHz, 12-Bit, 8-Channel Digitizers / National Instruments. 4 p. URL: http://www.ni.com/.

27. Digital Delay/Pulse Generator DG535 Digital delay and pulse generator (4-channel) / Stanford Research Systems. 5 p. URL: http://www.thinksrs.com/.

28. Kontron CP600 6U Pentium® M PICMG 2.16 CPU Blade / Kontron. 4 p. URL: http://emea.kontron.com/products.

29. Bolkhovityanov D. Y., Antonov A. Y., Kuskov R. E. Present Status of VEPP-5 Control System // Proc. 12 International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems. Knoxville, Tenessee, USA: 2007. P. 199-201.

30. TPMC810 Isolated 2x CAN Bus Version 1.1 User Manual Issue 1.4 / Tews. Halstenbek, Germany, 2005. 22 p. URL: http://www.tews.com/.

31. Brannon В., Barlow A. AN-501 Application Note: Aperture Uncertainty and ADC System Performance / Analog Devices. Norwood, MA, USA. 4 p.

32. Бак П. А., Батраков A. M., Фатькин Г. А. и др. Система управления линейным индукционным ускорителем рентгенографического комплекса: структура, аппаратные средства, результаты опытной эксплуатации // Автометрия. 2011. Т. 47, № 3. С. 120-132.

33. Гнеденко Б. В., Беляев Ю. К., Соловьёв А. Д. Математические методы в теории надёжности. М.: Наука, 1965. С. 526.

34. Заревич А. И., Вегнер И. И., Винтизенко И. И. Автоматизированный комплекс для диагностики импульсов релятивистского С.В.Ч. генератора // Приборы и техника экспиримента. 2004. № 3. С. 78-83.

35. DeHope W. J. et al. Real-Life Pulse Flattening on the LLNL Flash X-RAY (FXR) Machine // Proc. XXVI IEEE International Pulsed Power Conference. Albuquerque, New Mexico: 2007. P. 1261-1263.

36. В. P. Мамкин. Интеллектуальный контроллер в стандарте VME. Новосибирск, 2002. 22 с. (Препр. РАН, ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН; 2002-33).

37. VMEbus Extensions for Instrumentation VXIBus System Specification Revision VXI-1 4.0. VXIbus Consortium, 2010. 279 p. URL: http ://www. vxibus.org/.

38. Moreira P. et al. White Rabbit: Sub-Nanosecond Timing Distribution over Ethernet // Proc. International IEEE Symposium on Precision Clock Synchronisation for Measurement, Control and Communication. Brescia, Italy: 209. P. 58-62.

39. Reilich K. Status of the control system for the european XFEL // Proc. 13 International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems. Grenoble, France: 2011. P. 597-599.

40. Event Generator cPCI-EVG-220, cPCI-EVG-230 and VME-EVG-230 / Micro-Research Finland Oy. Helsinki, 2010. 49 p. URL: http://www.mrf.fi.

41. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronisation Protocol for Networkted Measurement and Control System 1588. National Institute of Standards and Technology, 2008. 269 p. URL: http://www.ieeel588.nist.gov/, http ://standards. ieee. org/.