Станция стабилизации положения пучка СИ.

(канал 7, ответственный за станцию с.н.с. М.Г. Федотов, тел. 329-4553)

1. НАЗНАЧЕНИЕ СТАНЦИИ.

Назначение системы - стабилизация в зоне размещения экспериментальных станций положения в вертикальной плоскости (по углу и координате) пучка синхротронного излучения вигглера накопителя ВЭПП-3.

При этом используется особенность 7-го канала СИ - выведение одновременно пучков как из вигглера, так и из поворотного магнита - поскольку одновременное измерение положений обоих пучков СИ позволяет определить вертикальную координату и угол орбиты электронного пучка в вигглере. Данная возможность связана с наличием между этими источниками магнитной линзы, переводящей отклонение пространственного положения точки излучения одного источника в изменение угла излучения другого источника.

2. ОБЩИЙ ВИД И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СТАНЦИИ.

Станция включает собственно детектор (рис.1, левая часть), размещенный в радиационном отсеке 7-го канала СИ, и крейт КАМАК с электроникой управления (рис.1, правая часть).

Рис. 1. Общий вид детектора (слева) и крейта электроники управления (справа).

Рентгеновские пучки СИ двух источников (вигглера и поворотного магнита) поступают через бериллиевое окно выходного фланца (1) канала СИ в вакуумный объем (2) детектора, где их интенсивности выравниваются двумя фильтрами-ослабителями, и далее преобразуются в свет на люминесцентном экране (45-градусная алюминиевая призма с покрытием Ga2O2S:Tb).

Через вакуумно-плотное оптическое окно и объектив (3) изображения пучков проецируются на два 2000-элементных линейных фотоприемника (приборы с зарядовой связью - ПЗС типа ILX511 фирмы Sony), размещенных в радиационно-защищенном блоке (4).

Электоромеханический затвор (5) позволяет выводить из детектора неиспользуемую часть пучка вигглера; автомат откачки (6) (содержащий дифференциальный манометр и электромагнитный клапан) служит для подсоединения откачиваемого объема детектора к вакуумной магистрали.

Выходные сигналы ILX511 обрабатываются в модуле управления линейными ПЗС Б0604 (7), преобразуются в цифровую форму АЦП-101S (8), и далее обрабатываются в КАМАК-микроЭВМ "Одренок" (9). Вычисленные в микроЭВМ положения центров тяжестей обоих пучков СИ и их ширины передаются через модуль связи Ethernet (10) в управляющую ЭВМ комплекса ВЭПП-3.

Как детектор, так и вся электроника обрамления и программное обеспечение станции (включая микроЭВМ и операционную систему) созданы в ИЯФ СО РАН.

3. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

Работа системы стабилизации орбиты выполняется следующим образом. После ускорения электронного пучка и выхода накопителя в режим работы с СИ запускается программа, выполняющая предварительную глобальную коррекцию орбиты по измерениям сигналов с пикапов. После этого открывается радиационный затвор канала СИ № 7 для пропуска пучков СИ на детектор, и автоматически начинают работать программы, измеряющие положения пучков СИ и реализующих обратную связь по коррекции орбиты.

При этом программа в КАМАК-микроЭВМ циклически опрашивает каждый ПЗС, усредняя считанные изображения по 5-10 раз (настраиваемый параметр), и производит обработку усредненных изображений, вычисляя положения центров тяжести пучков, площадей и полных ширин пучков на полувысоте. Координаты пучков СИ определяются как положения центров тяжести их изображений с обрезанным по уровню 0.9 пьедесталом. Результаты обработки заносятся в буфер программы, откуда они считываются и передаются в управляющую ЭВМ накопителя ВЭПП-3. Длительность полного цикла измерения (период обновления) координат пучков составляет около 2.5 сек. В буфер информации в каждом цикле измерения записываются также сжатые до 256 точек зарегистрированные изображения, которые могут быть переданы в управляющую ЭВМ по специальному запросу.

В управляющей ЭВМ комплекса производится сравнение измеренных и опорных (записанных в памяти ЭВМ) положений центров пучков СИ. При появлении расхождения программа рассчитывает и вводит добавки токов в корректоры системы управления орбитой. После нескольких итераций (за время порядка 20 сек) измеренные положения пучков СИ "подтягиваются" к установленным опорным значениям и удерживаются около них до следующей инжекции пучка (несколько часов).

Промежуток времени между итерациями в настоящее время составляет около 5 сек, но при необходимости может быть сокращен. Опорные значения положений пучков СИ выбираются по согласованию с потребителями СИ, и, при необходимости, они также могут быть изменены оператором накопителя.

В качестве примера функционирования системы стабилизации на рис. 2a показано изменение со временем силы магнитных корректоров 4Z5 и 4Z7 для случая, когда до начала измерений накопитель в течение примерно 12 час был выключен. При этом никаких других изменений в магнитной системе накопителя в это время не производилось, т.е. монотонное изменение сил корректоров связано с изменением теплового режима накопителя. Рис. 2b демонстрирует соответствующие изменения орбиты электронного пучка, измеренной двумя ближайшими к вигглеру пикапами. Аналогичные измерения для случая, когда ВЭПП-3 до этого работал более суток практически в постоянном режиме на энергии 2 ГэВ, приведены на рис. 2c и 2d. Отчетливо прослеживается разница в поведении сил корректоров и положений пучков по пикапам в зависимости от предыстории работы накопителя. Видно также, что, если бы система стабилизации опиралась на измерения орбиты пучка электронов по пикап-электродам, она не могла бы удерживать в постоянном положении пучки СИ на экспериментальных станциях.

Рис. 2 Изменения со временем сил магнитных корректоров (a,c), участвующих в стабилизации орбиты, и соответствующие изменения орбиты электронного пучка (b,d), измеренной двумя ближайшими к вигглеру пикапами, для случаев, когда перед измерениями накопитель в течение 12 час был выключен (a,b) и когда до этого в течение суток работал в постоянном режиме (c,d).

4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Тестирование измерительной системы при регистрации модельных оптических изображений (создаваемых светоизлучающими диодами) показало, что шум определения координаты в этом случае составляет 1-5 мкм в зависимости от ширины и яркости изображения.

При измерении координат пучков СИ этот шум возрастает примерно до 10 мкм. Это связано с большой шириной изображений (характерные ПШПВ изображений пучков составляют около 3 мм), с возмущениями из-за некоторого "быстрого дрожания" пучков СИ (в частности, из-за пульсаций токов, питающих магнитные элементы накопителя) и из-за помех, возникающих на регистрируемых изображениях при поглощении в ПЗС фотонов рассеянного рентгеновского излучения.

Выполненный пересчет ошибок измерений положений пучков СИ к соответствующим ошибкам в координате и угле орбиты электронов в вигглере показал, что при данных ошибках измерений положений пучков СИ (10 мкм), ошибка определения вертикальной координаты орбиты пучка в вигглере не превышает 1.5 мкм, а ошибка определения вертикального угла - 1 мкрад.

5. ОГРАНИЧЕНИЯ НА РАБОТУ СИСТЕМЫ

Первый вариант детектора системы стабилизации (на основе люминесцентного экрана ZnS и двух линейных 2000-элементных ПЗС 1200ЦЛ2 производства НПО "Пульсар") был запущен в 1998 году. Однако, из-за быстрого "выгорания" люминофора (размещенного в первом варианте на воздухе), в 1999 году был разработан и установлен новый вариант детектора с люминесцентным экраном Ga2S2O:Tb, размещенном в вакуумированном отсеке.

Эксплуатация в течение примерно полутора лет данного варианта выявила нарастающую деградацию ПЗС 1200ЦЛ2 (имеющих поверхностный канал) под действием рассеянного и флуоресцентного рентгеновского излучения. Поэтому детектор был модернизирован для использования высокочувствительных линейных ПЗС ILX511 фирмы Sony (имеющих скрытый канал и, соответственно, повышенную радиационную стойкость). Кроме того, было усилено радиационное экранирование отсека ПЗС.

Этот вариант детектора продемонстрировал хорошие эксплуатационные характеристики (в т.ч. высокую надежность) и без существенных изменений используется по настоящее время. Тем не менее, и в данном варианте выявлены определенные ограничения.

Это, во-первых, потемнение стекол оптического тракта системы под воздействием рентгеновского флуоресцентного излучения люминофора. Для компенсации потемнения приходится уменьшать поглощение в рентгеновских фильтрах-ослабителях, что увеличивает радиационную нагрузку на систему.

Во-вторых, попадание в высокочувствительные ПЗС даже одиночных рентгеновских фотонов (рассеянного и флуоресцентного излучения) приводит к стохастическому появлению отдельных ячеек (рис. 3) с сигналами, соизмеримыми по амплитудам с регистрируемым изображением. Причем уровень собственного шума ILX511 настолько мал, что накопление в микроЭВМ статистики по амплитудам этих одиночных событий позволяет формировать рентгеновские спектры и использовать данные ПЗС как рентгеновские спектрометры.

Рис. 3. Фрагмент одной реализации выходного сигнала ПЗС (первые 128 ячеек) при регистрации рентгенофлуоресцентного излучения экрана ZnS (объектив снят).

Примеры полученных спектров излучения Zn и Br двух флуоресцентных мишеней приведены на рис. 4. ПШПВ рентгеновских линий, регистрируемых "теплым" (неохлаждаемым) ПЗС составляло 300-400 эВ.

Рис. 4. Сспектры излучения Zn (A) и Br (B) флуоресцентных мишеней , полученных "теплым" ПЗС ILX511.

К сожалению, попадание в ПЗС системы стабилизации даже отдельных рентгеновских квантов может вносить дополнительные ошибки в определении положения пучков СИ.

6. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ

В настоящий момент наиболее очевидным путем улучшения качества системы стабилизации было бы использование в выходном оптическом окне вакуумного объема детектора радиационно-стойкого стекла и размещение между этим окном и объективом легко заменяемого поглотителя (пластины свинцового стекла). Такая модернизация сняла бы оба рассмотренных выше ограничения.

Кроме того, существенное повышение надежности системы может быть обеспечено путем замены регистрирующей электроники стандарта КАМАК специализированной ПЗС-камерой, предназначенной для регистрации одномерных изображений (данная камера с линейными ПЗС ILX511/ILX554 сконструирована на основе ранее разработанной цифровой камеры с Ethernet-интерфейсом). Однако такая замена потребует как некоторой переделки механики детектора (узлов крепления и юстировки ПЗС), так и разработки полностью нового программного обеспечения.

Альтернативой применению линейных ПЗС является их замена цифровой камерой с матричным приемником. В этом случае, при обработке регистрируемых изображений в достаточно мощной (по сравнению с "Одренком") ЭВМ можно, практически без ухудшения качества вертикальной стабилизации, так же реализовать стабилизацию пучков в радиальной плоскости - например, путем наблюдения края пучка (т.е. тени коллиматора).

7. ОРГАНИЗАЦИИ, УЧАСТВОВАВШИЕ В СОЗДАНИИ СИСТЕМЫ

Институт ядерной физики СО РАН,
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН.

8. СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1) А.Н. Алешаев, С.И. Мишнев, В.Е. Панченко, В.Ф. Пиндюрин, Б.П. Толочко, М.Г. Федотов. Система стабилизации пучка в вигглере накопителя ВЭПП-3 по датчикам рентгеновской компоненты синхротронного излучения. // Тезисы докладов 17-го совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино, 2000.

2) S.A. Aleshaev, M.G. Fedotov, S.I. Mishnev, V. F. Pindurin, V.E Panchenko, N.G. Gavrilov, I.V. Poletaev, B.P. Tolochko. Stabilization system of synchrotron radiation beams at the VEPP-3 storage ring. // Nuclear instruments and methods in physics research, 2001, V. 470, p.p.94-100.

3) А.М. Батраков, В.Р. Козак. Регистратор формы импульсных сигналов серии S. // Препринт ИЯФ СО АН СССР 85-9, Новосибирск, 1985. Новосибирск, 1985

4) Г.С. Пискунов, С.В. Тарарышкин. Двадцатичетырехразрядная ЭВМ в стандарте CAMAC. // Автометрия, 1986, N4, с.32.

5) А.Н. Алешаев Программное обеспечение для микроэвм Одренок. Операционная система ОДОС. // Препринт ИЯФ СО АН СССР 89-67, Новосибирск, 1989.

6) M.G. Fedotov, A.N. Selivanov, S.M. Pischenuk. Progressive-scan digital television camera for the particle beam.monitoring. // Proceedings of RuPAC 2006 International Conference, http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/r06/PAPERS/MODP03.PDF