Система управления электронным пучком и излучением лазера на свободных электронах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Середняков, Станислав Сергеевич

• Середняков, Станислав Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Середняков, Станислав Сергеевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система управления электронным пучком и излучением лазера на свободных электронах»

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 диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Середняков, Станислав Сергеевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Середняков, Станислав Сергеевич, 2005 год

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.