Автоматизация экспериментов - Физика высокой плотности

АППАРАТНО ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС
АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА
БЫСТРОМ ВЫВОДЕ УНК ТВН-ИТЭФ.
А.В. КАНЦЫРЕВ, Е.М. ЛАДЫГИНА
А.А. ГОЛУБЕВ, В.С. ДЕМИДОВ, Л.М. ШЕСТОВ,
Н.В. МАРКОВ, А.Д. ФЕРТМАН, В.И. ТУРТИКОВ,
Г.Н. СМИРНОВ, К.Е. ГУСЕВ, ХУДОМЯСОВ А.В.
Государственный Научный Центр Российской Федерации
Институт Теоретической и Экспериментальной Физики, г. Москва
kantsyrev@itep.ru
Ускорительно-накопительный комплекс ТВН-ИТЭФ (УНК ТВН-ИТЭФ)
Протонный инжектор И-2, 2 5 M э В. 200 мА
Ускоритель-накопитель У-10,
34 Тл м
Ионный инжектор И-4,
7 MэВ/н,100 мА
Лазерный источник
ионов,
С5+, Al10+,Со17+,Zn20+
Медицинский
ионный пучок
C6+
Бустерный синхротрон УК,
13 Тл м, 20 Гц
КБИ
Медицинский
протонный
пучок
Пучки от
внутренних
мишеней
протонов и
ионов,
p,p,р,K,
106-10111/c,
до 10 ГэВ
БЭЗ
ЭМЗ
Канал быстрого
вывода,
Канал быстрого вывода ионов и протонов:
~10 , 0,7 ГэВ/н,
100 кДж/100 нс
•Физика высокой плотности энергии в веществе
•Радиобиология на ионах углерода
•Радиография
Канал многократной
инжекции
13
Лазерный источник
ионов,
4+
10+
17+
20+
29+
С ,Al ,Со ,Zn ,U
Ионопровод И-3/У-10, И-3/УК
Ионный инжектор И-3,
1-2 МэВ/н
Пучки от
внутренних
мишеней и
медленного
вывода
протонов и
ионов
Ускорительно-накопительный комплекс ТВН-ИТЭФ (УНК ТВН-ИТЭФ)
Экспериментальный зал и линия транспортировки пучка быстрого вывода
Длительность пучка <1 мкс.
Частота сбросов
<0.25 Гц.
Интенсивность за сброс:
Ионы C+6
< 5*10+9 частиц
Протоны
<10+11 частиц
Давление в канале ~ 10-9 торр
Вн. диаметр канала 145 мм
Длина канала
~ 80 м
Вакуумная линия транспортировки заряженных
частиц раздваивается на две, после второго
поворотного магнита B2. Одна линия, номер 511,
предназначена для транспортировки ионов углерода
C+6 с энергией 200-400 Мэв/нуклон и проведения
экспериментов по радиобиологии, биофизике,
ионной радиографии и разработке методов
диагностики пучка. Другая линия, номер 512,
предназначена для транспортировки пучков протонов
с энергией до 800 Мэв и проведения экспериментов
по ионной радиографии с использованием магнитной
оптики.
Ускорительно-накопительный комплекс ТВН-ИТЭФ (УНК ТВН-ИТЭФ)
Экспериментальный зал и линия транспортировки пучка быстрого вывода
Экспериментальная программа :
•Радиобиология на пучке ионов углерода
•Диагностика параметров динамических мишеней методом
ионной радиографии
•Измерение профиля энергетических потерь ионов
•Плазменная линза для острой фокусировки пучка ионов на
экспериментальной мишени
•Методы невозмущающей диагностики пучков
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Схема аппаратной части
Аппаратное обеспечение:
•Микроконтроллерный
Блок
Управления сбросами Пучка
частиц МБУП
•Осцилллографы Tektronix и
Lecroy
•ПЗС
камеры
SDU-285,
сцинтилляторы Bicron
•Генераторы импульсов SRS
DG535 и др.
•Манипуляторы мишеней и
детекторов
•Детекторы
пучка:
пояс
Роговского,
ионизационные
камеры , полупроводниковый
детектор пучка (ППД)
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Программное обеспечение аппаратно-программного
комплекса (АПК) автоматизации экспериментов
АПК состоит из отдельных аппаратно-программных модулей (АПМ), обслуживающих
отдельный прибор или функцию обработки данных. Обмен данными между отдельными
АПМ осуществляется через сеть Ethernet с применением интерфейса Socket. Программы
комплекса написаны на языке программирования Delphi 7.0 в среде Windows XP.
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Основные Аппаратно Программные Модули
N
1
2
Назначение АПМ
Управление сбросами пучка и
синхронизация
Считывание и обработка высокочастотных
сигналов от детекторов
3
Контроль, поддержание температур
4
Формирование программируемых задержек
и импульсов
Оцифровка изображений свечения
сцинтилляторов, математическая обработка
Позиционирование мишеней и детекторов
относительно пучка
5
6-8
Прибор
Блок МБУП
Программа
Beam Control
Цифровые
осциллографы Tektronix
3000 серии
OWEN TPM-138, TPM202
Генератор импульсов
Stanford DG-535
ПЗС камеры SDU-285
PTek
Med-OWEN
PGen
SDU-ITEP
Манипуляторы Standa,
Mclennan, NipponBearing
Standa-ITEP,
Stop-Tar, ROTOM
Ионизационные камеры
PTW с блоком
считывания
Приборы и детекторы
фирмы ЗАО НПП ДОЗА.
PTW-ITEP
9
Измерение интенсивности пучка/дозы
10
Контроль радиационного фона
11
Управление и контроль блокировкой пучка
Пневмомеханический
блокиратор пучка
BeamStop
12
Считывание измерений малых токов и
управление блоком питания
Keithley 237
Raps-ITEP
УИМ
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Подключение приборов с использованием драйвера TekVISA
При проведении экспериментальных
работ используется широкий круг
приборов, таких как осциллографы,
генераторы,
измерители
токов
и
напряжений и т.п., причем эти приборы
обладают различными интерфейсами:
RS232, GPIB, USB, LAN и производятся
различными компаниями. Для обмена
данными между программами АПК и
различными приборами был выбран
универсальный драйвер
TekVISA
фирмы Tektronix.
Для упрощения доступа к функциям
обмена данными с прибором в комплект
программ TekVisa входит ActiveX
компонент, позволяющий ускорить
разработку программ пользователя.
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Модуль синхронизации запуска оборудования и управления сбросом пучка
Микроконтроллерный
блок
управления
пучком
(МБУП)
обеспечивает отправку на ускоритель
сигнала запроса на пучок, прием
синхросигнала
от
ускорителя,
генерацию
сигналов
(с
программируемой задержкой) для
запуска измерительных приборов,
измерение уровня накопления ионов в
кольце ускорителя. Блок МБУП
построен на основе микроконтроллера
AT89S53 фирмы Atmel. Программа
для
микроконтроллера
МБУП
написана на языке Си ProView. Для
управления сбросами пучка с ПК,
написана программа BeamControl.
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Средства считывания и обработки сигналов от детекторов
Медленноменяющиеся
сигналы : модули
L-CARD, приборы OWEN
Высокочастотные сигналы:
Осциллографы: TDS3034B,
TDS2024B, Lecroy 9362
Программа Ptek позволяет:
• Автоматически считывать и сохранять данные
оcциллограмм с применением драйвера TekVISA
• Автоматически
проводить
математическую
обработку осциллограмм.
•Вычислять интенсивность пучка заряженных частиц
в случае использования токового детектора пучка
•Передавать данные другим программам АПК
Измерение интенсивности пучка
Программа Ptek
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Средства визуализации и обработки изображений
При проведении экспериментов, по взаимодействию пучков
заряженных частиц с веществом, появляется необходимость
проводить диагностику пространственного профиля пучка.
Для настройки и диагностики пучка используются цифровые
камеры SDU-285:
• Время экспозиции
7мкc-4.5 мин
• ПЗС Матрица
Sony ICX285AL (1392х1032)
• Разрядность АЦП
12 бит
• Спектр
290-1100 нм
•Интерфейс
USB 2.0
Регистратор пучка : сцинтилляторы Bicron BC-408, ВС412
толщиной 1-5 мм
Программа SDU-ITEP позволяет:
Программа SDU-ITEP
• Считывать и сохранять изображения в
формате 16 битного TIF файла
• Автоматически
проводить
сохранение
изображений
•Проводить построение и математическую
обработку
пространственных профилей по
изображению
•Проводить
математическую
обработку
изображений с применение удаленного сервера
limon.itep.ru
•Передавать обработанные данные другим
программам АПК
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Средства позиционирования детекторов и мишеней
Позиционирование раковых клеток и ППД детектора в
водном фантоме. 3-х коодинатное устройство.
Контроллер STANDA
Позиционирование постоянных магнитных линз
4-х координатное устройство . Контроллер L-CARD
Программа PROTOM
Программа ITEP-Standa
Клиновой механизм (мишень переменной толщины)
Вертикальная координата . Контроллер AT89S53
Программа STOP-TAR
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Средства радиационного контроля и обеспечения безопасности
Для
контроля
за
радиационным фоном в
экспериментальном
зале
создана автоматизированная
система дозиметрического
контроля
на
основе
детекторов
фирмы ЗАО
НПП “ДОЗА”.
Для обеспечения безопасности персонала,
при установке мишеней на ось пучка
частиц, было создано механическое
устройство (Beam Stop), представляющее
собой массивный цилиндр (длинна 500 мм,
диаметр 140 мм) из нержавеющей стали,
устанавливаемый (в вакууме) на оси
прохождения пучка частиц в начальной
части вакуумной линии транспортировки
частиц. Управление блокировкой пучка
связано с концевиками входных дверей в
экспериментальный зал и аварийных
кнопок.
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Средства обмена данными в сетях Ethernet/Internet
Обмен данными между программами АПК с применением
интерфейса Sockets библиотек Synapse
WWW страница контроля АПК
(раздел профили)
Использование удаленного сервера limon.itep.ru
для математической обработки профилей
изображений
Обмен данными между программами АПК и
Web сервером http:\\plasma.itep.ru
Использование АПК в экспериментах по радиобиологии
Для исследования воздействия ионов углерода на
культуры опухолевых клеток, требуются поля больших
размеров 4080 мм. Контроль равномерности дозного
поля в плоскости облучения осуществлялся с помощью
ППД детектора и сканирования зоны облучения.
Схема установки: 1 – водный фантом,
2
механизм
перемещения
ППД
,
3 – ППД полупроводниковый детектор пучка
частиц (плоскость установки облучаемых раковых
клеток), 4 - предусилитель, 5 – монитор (ИД)
(ионизационная камера и/или пояс Роговского),
6 – пучок частиц.
Схема системы контроля и поддержания
температуры воды (клеток)
Использование АПК в экспериментах по радиобиологии
Результаты измерений, полученных с помощью
описанного
аппаратно-программного
комплекса,
представлены в виде профилей. Относительное
значение
дозы
оценивалось
как
отношение
интегрального сигнала с ППД детектора и сигнала с
мониторного датчика (ИД) (пояс Роговского для
интенсивностей 10+7 - 5*10+9 частиц, ионизационная
камера для интенсивностей <10+7 ) , установленного
перед водным фантомом. Перед каждым циклом
облучения раковых клеток необходимо проводить
измерения профилей дозных полей.
Распределение дозы в поперечном
сечении пучка в зоне облучения
Профиль энереговыделения пучка ионов
углерода 12С+6 с энергией
216 МэВ/а.е.м в воде
Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов
Заключение
•Создан и успешно эксплуатируется более 2 лет аппаратнопрограммный комплекс автоматизации экспериментов (АПК) на
быстром выводе пучка УНК ТВН-ИТЭФ
•АПК включает в себя 12 аппаратно-программных модулей
позволяющих
считывать,
сохранять
и
обрабатывать
экспериментальные данные в режиме реального времени
•Разработано 5 основных конфигураций АПК для экспериментов
по радиографии, радиобиологии, управлению плазменной линзой
для фокусировки пучка ионов, измерению остаточных пробегов в
твердых мишенях.
•Из модулей АПК собрано 3 лабораторных стенда для проведения
тестирования полупроводниковых детекторов (алмазных и SiPM)
и поля фокусирующих постоянных магнитов.
• Дальнейшее развитие комплекса будет направлено на
совершенствование системы управления токами линз и магнитов
ионопровода транспортировки пучка частиц
Спасибо за внимание…