Управление криогенным комплексом детектора кедр тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

БАРЛАДЯН Александр Константинович

УПРАВЛЕНИЕ КРИОГЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ ДЕТЕКТОРА КЕДР

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

13 МАЙ 2015

00556»»^ НОВОСИБИРСК - 2015

005568893

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

ТИХОНОВ —доктор физико-математических наук, профессор, Юрий Федеральное государственное бюджетное учреждение

Анатольевич науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск Официальные оппоненты:

АГАПОВ —доктор технических наук, старший научный сотрудник, Николай главный инженер Лаборатории физики высоких энергий Николаевич Объединённого института ядерных исследований, г. Дубна

ВАСИЛЬЕВ — кандидат физико-математических наук, заведующий Александр лабораторией Криогенной и сверхпроводящей техники Анатольевич Федерального государственного бюджетного учреждения «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова» НИЦ «Курчатовский институт», г. Гатчина Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий» НИЦ «Курчатовский институт», г. Протвино

У Защита диссертации состоится « 03 » UNPkA 2015 г. в «i^'^U» часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.01 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90, проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Автореферат разослан « » dh JPfHArJ? 2015 г. Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук ¿У—A.B. Бурдаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В изучении фундаментальных свойств материи важнейшим инструментом современной экспериментальной физики высоких энергий служат универсальные детекторы на ускорителях встречных пучков заряженных частиц. Достичь существенных преимуществ им позволяет использование криогенных техники и технологий. В то же время, специфика работы с веществом при низких температурах требует непрерывного контроля и целенаправленного изменения параметров процессов криогенного обеспечения криогенных компонент детектора. Дистанционный способ их осуществления актуален вследствие ограничения доступа человека к криогенному оборудованию вблизи детектора из-за опасного радиационного фона от ускоряемых пучков частиц при проведении эксперимента.

Цель работы

Создание средств и методов дистанционного управления криогенным комплексом жидкокриптонового калориметра и сверхпроводящих соленоидов универсального детектора КЕДР.

Личный вклад

Представленные в диссертации результаты получены при ведущем участии автора, определяющем — в решении следующих задач:

• создания программного обеспечения;

• системной интеграции электроаппаратуры и вычислительной техники;

испытаний при рабочей температуре всех впервые

смонтированных компонент и систем криокомплекса, их доработки;

• формирования технических заданий на разработку модулей электронных устройств, содействия их должной реализации и включения в электросистему управления;

• проектирования, монтажа и наладки всего электрооборудования криокомплекса, ввода его в эксплуатацию;

• методической разработки технологических процессов;

• личного участия в криогенном обеспечении цикла экспериментов по физике с детектором КЕДР на ускорительном комплексе ВЭПП-4М.

Научная новизна

1. Задачи управления криогенным обеспечением решены на специфичном составе криогенного оборудования, встроенной в него аппаратуры и технологических режимов.

2. Разработка и функционирование программного обеспечения управления криогенным комплексом в реальном времени основывается на использовании открытого свободно доступного программного кода.

3. Разработка новых оригинальных мнемосхем для оператора-технолога осуществлена на базе принципиальных пневмогидравлических схем криогенных систем, что существенно упрощает управление криокомплексом в реальном времени и изучение его особенностей.

4. Впервые исследована работа уникальной криогенной системы детектора КЕДР в различных режимах и разработаны методики их практической реализации. Разработка новых методов осуществления технологических режимов криогенных систем учитывает выявленные проектные ошибки и последствия модернизации

криогенного оборудования.

5. Впервые осуществлена работа при проектных значениях криогенных температур уникальных жидко- криптонового калориметра и сверхпроводящих соленоидов детектора КЕДР, а также систем их криогенного обеспечения.

6. Впервые введён в постоянную эксплуатацию поршневой детандер гелиевого рефрижератора детектора КЕДР. Микроконтроллерное управление параметрами рабочего цикла поршневого детандера обеспечивает возможность их оперативной дистанционной коррекции в переходных режимах гелиевой криогенной системы (рефрижератора), и, тем самым, его стабильную работу.

Практическая ценность результатов

Разработанные средства и методы дистанционного управления технологическими процессами криогенного комплекса в течение более 15 лет обеспечивают его непрерывную эксплуатацию и надёжное криогенное обеспечение циклов экспериментов по физике с универсальным детектором КЕДР на ускорительно-накопительном комплексе ВЭПП-4М, в том числе — по измерению параметров ряда элементарных частиц (т -лептона, мезонов: J/ijj, ф', ijj", D°, D+, D") с высокой или лучшей в мире точностью.

Полученный экономический эффект от отлаженного детандерного режима работы гелиевого рефрижератора выражается в снижении суточных затрат жидкого гелия вдвое — на 500 литров.

Основные выносимые на защиту положения

Система контроля и управления криокомплекса детектора КЕДР с центральным постом оператора-технолога

разработана и реализована на основе персональных ЭВМ и сопряжённых с ними криогенных, электронных преобразователей и исполнительных устройств. Программное обеспечение управления в реальном времени криокомплексом детектора КЕДР разработано и функционирует в вычислительной среде (GNU/Linux, англ.) с открытым, свободно доступным исходным кодом. • Разработка мнемосхем на основе принципиальных пневмогидравлических схем криогенного комплекса существенно упрощает управление его технологическими режимами в реальном времени.

Микроконтроллерное управление параметрами рабочего цикла поршневого детандера обеспечивает возможность их оперативной дистанционной коррекции в переходных режимах гелиевой криогенной системы (рефрижератора), и, тем самым, его стабильную работу, дающую двукратную экономию суточного объёмного расхода жидкого гелия — до пятисот литров.

Апробация работы

Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах, на российских и международных научных и научно-практических конференциях: «Симпозиуме по ионизационным калориметрам» (США, Стэнфорд, Калифорния, 2006 г.), «20-й Всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц» (РФ, г. Новосибирск, 2006 г.), «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития» (РФ, г. Москва, 2004 г. и 2007 г.), «Сессии-конференции Секции ядерной физики Отделения физических наук РАН» (РФ, г. Москва, ИТЭФ, 2007 г.), «Международных конференциях по магнитным технологиям» (РФ, г. Ленинград, 1991 г.; Швейцария, г. Женева, 2001 г.; Япония, г. Мориока, 2003 г.; Италия, г. Генуя, 2005 г.;

Франция, г. Марсель, 2011 г.).

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы из 92 наименований. Содержит 151 страницу с машинописным текстом, 17 таблицами и 45 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыты актуальность проведённой научной работы, её цель и выносимые на защиту положения.

Первая глава посвящена рассмотрению специфики управления криогенным оборудованием и широко используемых средств его обеспечения. Аргументируется принятие за основу решения задач управления криогенным комплексом детектора КЕДР опьгга управления ускорительными комплексами в ИЯФ СО РАН.

Вторая глава знакомит с универсальным детектором КЕДР, предназначенным для проведения прецизионных экспериментов на встречных электронных и позитронных пучках с проектной энергией в системе центра инерции от 1,8 ГэВ до 11 ГэВ ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-4М.

Третья глава знакомит с назначением и устройством криогенных компонент детектора КЕДР.

Компенсирующие сверхпроводящие соленоиды (Рисунок 1) предназначены для создания постоянного магнитного поля до 6,55 Тл с целью зануления интеграла магнитного поля вдоль орбиты пучков внутри детектора.

Основной сверхпроводящий соленоид предназначен для создания продольного однородного постоянного магнитного поля до 1,83 Тл.

При юстировке основного соленоида, впаянного в гелиевый сосуд, использованы датчики линейных перемещений (Рисунок 2, справа), прокалиброванные с точностью 0,1мм, установленные в вакууме на гелиевых трубах, а также на пружинных блоках подвесок соленоида для контроля их натяжения.

Вакуумная камера

соленоид

Рисунок 1. Компенсирующий соленоид (слева) и мнемосхема термоконтроля основного соленоида (справа)

подвижный корпус

резистор

Датчики смещения в трубопроводах:

fi LSF PBF fi

в верхних

Z LBZ трубопроводах PBZ 7

R LBR PBR R

на на

ближнем дальнем

торце терце

1 LHF PHF fi

Z LHZ в нижних pHZ 2 трубопроводах

[ L03 | LQ4 | |_R LHR PHR R

Рисунок 2. Контроль перемещений основного соленоида

центральное

кольцо

Центральный жидкокриптоновый калориметр является ионизационным спектрометром полного поглощения и предназначен для определения с высокой точностью координат конверсии у-квантов и заряженных частиц, их идентификации и

измерения энергии.

На поверхности внутренних сосудов криостатов основного соленоида (Рисунок 1) и криптонового калориметра (Рисунок 3) расположены термодатчики.

Рисунок 3. Мнемосхема термоконтроля калориметра

Четвёртая глава описывает системы криокомплекса детектора КЕДР (Таблица 1): гелиевую (Рисунок 4), криптоновую (Рисунок 5) и азотную (Рисунки 4, 5), пневмоуправления, утилизации и компрессии гелия.

Термостатирование сверхпроводящих соленоидов осуществляется при нормальном давлении и температуре 4,2 К подачей в их криостаты жидкого гелия из сосуда-накопителя (2 м3) по принципу сообщающихся сосудов, а также при помощи гелиевого рефрижератора (600 Вт, 4,2 К; 2,5 МПа, 120 кг/ч) с поршневым детандером (11 К - 7 К).

Термостатирование жидкого криптона в криостате калориметра при температуре 119-120 К и нормальном давлении (до 0,12 МПа) осуществляется периодическим (1 - 2 раз в сутки) включением встроенного азотно-криптонового теплообменника.

Азотная система содержит два 66 м3 танка для хранения,

газификации и выдачи азота при избыточном давлении до 0,5 МПа в жидкой и газообразной фазах. Газом обдувают торцы дрейфовой камеры детектора, жидкость подаётся в теплозащитные экраны всех гелиевых сосудов и в теплообменные блоки.

Рисунок 4. Доработанная гелиевая система (и азотная)

Таблица 1. Основные проектные параметры криокомплекса

Наименование параметра Значение

Холодопроизводительность на 120 К, Вт 1200

Холодопроизводительность на 4,2 К, Вт 600

Масса хранимого жидкого азота, т до 101,6

Масса хранимого жидкого криптона, т до 46,8

Масса жидкого гелия в оборудовании, т 0,300 н- 0,675

Массовый расход гелия при давлении 2,3 ^ 2,5 МПа и температуре 300 К, кг/ч 120

Массовый расход гелия при давлении 13 -ь 15 МПа и температуре 300 К, кг/ч 6,9

Система пневмоуправления использует гелий с давлением 4,7 МПа для запирания нормально открытых пружинных клапанов посредством дополнительных переключающих пневмоэлектроклапанов (ПЭК-ДД).

Пятая глава описывает разработанное аппаратное обеспечение криокомплекса. Основу составляет сопряжённая с ЭВМ (Рисунок 6) модульная аппаратура в стандарте КАМАК — вновь и ранее разработанная для управления электрофизическими установками в ИЯФ СО РАН.

Коммутация высоковольтных цепей управления приводами исполнительными устройств реализуется выходными каскадами модулей в стандарте ВИШНЯ.

Для дистанционного задания параметров управления электромагнитными клапанами и приводом маховика поршневого детандера, а также получения диагностической ру-диаграммы разработан микропроцессорный контроллер.

Шестая глава описывает состав разработанного программного обеспечения криокомплекса:

Рисунок 6. Вычислительная сеть криокомплекса

КАМАК-электроника управления и контроля

пульт-а пул ьтовая

пудьт-2 "детандер"

КРИОкомплекса КЕДР

системного драйвера генерации в реальном времени для главной программы заявленных ею системных сигналов по ожидаемым аппаратным прерываниям, главной программы дистанционного управления в реальном времени технологическими процессами криокомплекса и взаимодействия с оператором-технологом, вспомогательного программного обеспечения: ° программы дистанционного мониторирования

криптоновой системы в реальном времени, ° веб-приложения для мониторирования контрольных параметров криогенной системы по выборкам из Базы данных,

° программы стенда дистанционного управления поршневым детандером в реальном времени,

кгургоп I АНТОсотгоНег

<т>т19.1е ЙТ 4.61

х геГпдегагог

2С?«Ъи С*1 21827 «72С1С

1_Нв(!йвг5) расход Г1Л\) 1032.59

пглп

Рисунок 7. Мнемосхемы криптоновой и гелиевой систем

° приложения для графического анализа в программе root сохраняемых в Базе данных эксперимента КЕДР параметров криогенной системы, ° вспомогательных системных утилит.

Седьмая глава описывает основные методики управления криогенным комплексом детектора КЕДР.

Основными режимами работы систем криогенного комплекса является обеспечение длительного хранения криопродукта и его выдача в распределительный коллектор под избыточным или минимальным давлением при заполнении или опорожнении криостатов.

Работа гелиевого рефрижератора может осуществляться в двух основных рабочих режимах: дроссельном и детандерном. Разработаны вспомогательные режимы для подготовки рефрижератора и датандера к работе, а также для отработки переходных процессов при экстренной остановке или перезапуске детандера.

Заключение содержит перечень результатов:

1. Создана система дистанционного управления в реальном времени криокомплексом детектора КЕДР.

2. Разработан простой программный графический интерфейс для наглядного мониторинга состояния криосистемы и управления ею в реальном времени.

3. Проведены криогенные испытания всех систем криокомплекса детектора КЕДР.

4. Смонтирована и налажена электросистема управления криокомплексом детектора КЕДР, осуществлена настройка исполнительных устройств и калибровка измерительных преобразователей.

5. Создана локальная вычислительная сеть для организации надёжной работы системы управления криокомплексом, его информационного обмена с информационными серверами детектора КЕДР и сетью Интернет.

6. Изучена специфика криокомплекса детектора КЕДР, разработаны и внедрены методики осуществления его технологических режимов.

7. Внесены различные изменения и дополнения в технологические схемы криогенного комплекса, позволившие упростить управление ним, а также снизить эксплуатационные издержки.

8. Осуществлены ряд модернизаций отдельных модулей управления, а также вычислительной платформы управляющей ЭВМ — с разработкой соответствующего программного обеспечения.

9. Созданы электронные приборы (контроллеры) и модули (в том числе в стандартах КАМАК и ВИШНЯ) для построения автоматизированных систем управления криогенными установками: контроллер микропроцессорного управления агрегатом поршневого детандера, микропроцессорный контроллер для системы пневмоуправления, модуль программируемого генератора тока в стандарте КАМАК для питания криогенных датчиков температуры во всех диапазонах рабочих температур, 8-канальный модуль в стандарте ВИШНЯ для управления силовыми цепями приводов электромеханических криогенных клапанов и другие.

10. Доработаны газовая и электрическая системы дистанционного пневмоуправления регулируемыми и запорными пневмоприводными клапанами.

11. Достигнуты основные проектные параметры функционирования криокомплекса детектора КЕДР.

12. На основе созданной системы управления введён в действие криокомплекс детектора КЕДР и в течение более 15 лет обеспечивает надёжное функционирование жидкокриптонового калориметра и сверхпроводящих магнитов в цикле ведущихся и осуществлённых — по

измерению с высокой или лучшей в мире точностью параметров целого ряда элементарных частиц: т-лептона, мезонов: Щ, ф', ijj", D°, D+, D" — экспериментов.

Основные результаты диссертации опубликованы:

1. Анашин В.В. Детектор КЕДР / В.В.Анашин, А.К.Барладян, ... И Физика элементарных частиц и атомного ядра. - 2013. - № 4.

2. Анашин, В.В. Детектор КЕДР / В.В.Анашин, ... , А.КБарладян, ...II Препринт ИЯФ 2010-40. - г.Новосибирск, 2010.

3. Barladyan A., Dorohov D., Tararyshkin S. Controller'of the piston-type expander mashine for cryogenic system of the KEDR detector [Электронный ресурс] / A. Barladyan, D. Dorohov, S. Tararyshkin // Proceedings of RuPAC 2006, Novosibirsk, Russia - 2006. - Режим доступа: http : // accelconf.web.cern.ch / AccelConf / r06 / PAPERS / MODP05.PDF, свободный. - Яз. англ.

4. Аульченко, В.М. Пространственное разрешение калориметра на жидком криптоне детектора КЕДР / В.М. Аульченко, ... , А.К.Барладян, ... // Препринт ИЯФ 2004-29. - г.Новосибирск 2004.

5. Anashin, V.V. Status of the KEDR superconducting magnet system / V.V.Anashin, ... , A.K.Barladyan, ... // Nucl. Instr. and Meth. - 2002. - Vol. A494. - P.p.266-269.

6. Anashin, V.V. The superconducting solenoid for the KEDR detector / V.V.Anashin, ... , A.K.Barladyan, ... // IEEE Transaction on Applied Superconductivity. - 2002. - Vol. 12, No 1 - P.p. 337-340.

7. Anashin, V.V. Status of the KEDR detector / V.V.Anashin, ... , A.K.Barladyan, ... // Nucl. Instr. and Meth. - 2002. - Vol. A478 — P.p.420-425.

БАРЛАДЯН Александр Константинович

Управление криогенным комплексом детектора КЕДР

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 31.03. 2015 г. Сдано в набор 1.04. 2015 г. Формат 60x90 1/16. Объем 1.0 печл., 0.8 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 4_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11