Приборы и техника эксперимента, 2020, № 1, стр. 18-23

НОВАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПУЧКА В КАНАЛЕ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЭЛЕКТРОНОВ И ПОЗИТРОНОВ ИЗ НАКОПИТЕЛЯ ВЭПП-3 В КОЛЛАЙДЕР ВЭПП-4М

Г. В. Карпов a*, Е. А. Бехтенев a**, А. Н. Журавлев a***, П. А. Пиминов a****

a Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН
630090 Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11, Россия

* E-mail: G.V.Karpov@inp.nsk.su
** E-mail: E.A.Bekhtenev@inp.nsk.su
*** E-mail: A.N.Zhuravlev@inp.nsk.su
**** E-mail: P.A.Piminov@inp.nsk.su

Поступила в редакцию 17.06.2019
После доработки 17.06.2019
Принята к публикации 01.07.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Обсуждается новая система измерения положения пучка в импульсном транспортном канале от накопителя ВЭПП-3 до коллайдера ВЭПП-4М, обеспечивающая измерение положения и интенсивности пучка электронов или позитронов за один пролет. Для надежной работы экспериментального комплекса необходимо непрерывно контролировать траекторию движения пучка неразрушающим образом, а также измерять возможные потери заряда пучка. В 2018 г. были разработаны, изготовлены и установлены в канале транспортировки новые датчики и новая электроника системы измерения положения пучка, обеспечивающая значительно большую точность по сравнению со старой системой. В новой системе удалось практически полностью избавиться от помех и достичь точности измерений лучше 0.02 мм, что более чем достаточно для оптимальной настройки оптики канала и достижения высокой эффективности перепуска. Описывается конструкция датчика, структура и основные особенности построения электроники, анализируется точность измерений, приведены некоторые результаты работы новой системы в канале.

ВВЕДЕНИЕ

Накопитель ВЭПП-4М [1] предназначен для проведения экспериментов на встречных электрон-позитронных пучках, пучках синхротронного излучения и выведенных γ-квантов в области энергий от 1 до 5 ГэВ. В качестве бустера для ВЭПП-4М используется накопитель ВЭПП-3, в котором два сгустка электронов или позитронов ускоряются до энергии 1–1.9 ГэВ. Ускоренные пучки переводятся в ВЭПП-4М через канал транспортировки длиной ~60 м (рис. 1).

Рис. 1.

Положение датчиков в канале транспортировки.

Оптика транспортного канала является достаточно сложной, в том числе из-за трехмерной геометрии канала – накопители ВЭПП-3 и ВЭПП-4М расположены в разных плоскостях с перепадом высот ~4 м. Так как в ВЭПП-4М электроны и позитроны движутся по одной магнитной дорожке навстречу друг другу, финальная часть транспортного канала разделяется на две ветки – электронную и позитронную, каждая из которых осуществляет поворот на 90° в горизонтальной плоскости и 14° в вертикальной. Из-за разной геометрии траекторий для электронов и позитронов оптика транспортного канала также различна для каждого типа частиц.

Питание магнитных элементов транспортного канала – импульсное, что является причиной появления сильных помех. Цикл работы накопителя ВЭПП-3, включающий в себя накопление частиц, их ускорение и перепуск, составляет ~15 мин. В связи с этим крайне важно иметь к.п.д. перепуска не ниже 90%, вследствие чего к надежности работы всех систем транспортного канала предъявляются жесткие требования.

Одной из ключевых систем является система измерения положения пучка, позволяющая измерять траекторию пучка вдоль канала, а также возможные потери интенсивности пучка. Требуемая точность измерения координат ~0.1 мм, заряда пучка ~5% в диапазоне 2–40 нКл. Система используется и как инструмент при настройке оптики транспортного канала, и при регулярной работе в качестве контроля стабильности работы всех систем.

В процессе настройки оптики канала участвует также система измерения положения пучка накопителя ВЭПП-4М [2], включающая в себя 54 датчика и работающая в пооборотном режиме. Она позволяет наблюдать амплитуды и частоты колебаний пучка, раскогеренчивание колебаний, искажение замкнутой орбиты, потери интенсивности пучка и т.д. Запуск пооборотных измерений положения пучка в накопителе и запуск измерений в транспортном канале осуществляются от одного импульса синхронизации.

Старая система измерения положения пучка [3] в транспортном канале не позволяла обеспечить требуемую точность измерений, главным образом, из-за высокого уровня помех, наводимых на датчики и электронику. Основным источником помех в канале являются быстрые кикеры – инфлектор и дефлектор, на которые при перепуске пучка подаются импульсы напряжения гауссовой формы длительностью 60–80 нс (по уровню 0.5) и амплитудой до 25 кВ. Новая система, разработанная в ИЯФ им. Г.И. Будкера, позволяет измерять положение пучка с точностью лучше 0.02 мм, что с достаточным запасом удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям.

Таких результатов удалось достичь благодаря нескольким ключевым решениям, заложенным в новой системе. Во-первых, вместо старых датчиков тока изображения [3] были использованы полосковые датчики, более устойчивые к помехам. Во-вторых, в новой электронике для измерения выделена часть спектра сигнала в полосе частот 136–144 МГц, где помехи очень слабы. В старой системе использовалась низкочастотная часть спектра, 0.1–20 МГц, где уровень помех максимален. В-третьих, для компенсации неодинаковости и нестабильности коэффициентов передачи каналов обработки сигналов с датчика использована специальная схема калибровки.

ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ ПУЧКА

Датчик положения пучка состоит из цилиндрического корпуса, являющегося частью вакуумной камеры, и четырех электродов, представляющих собой короткозамкнутые на одном из концов 50‑омные полосковые линии длиной 95 мм (рис. 2). Другие концы линий, на которых появляется сигнал от пучка, выведены на разъемы N-типа. Два электрода расположены в горизонтальной плоскости, два – в вертикальной.

Рис. 2.

Датчик положения пучка полоскового типа.

Расчетный спектр сигнала с электрода датчика с учетом реальной длины пучка ~10 см показан на рис. 3. Там же показана та область спектра, которая используется в данной системе при обработке сигнала.

Рис. 3.

Расчетный спектр сигнала с электрода пикапа при длине пучка 10 см.

Принцип работы системы основан на измерении амплитуд сигналов Ui с четырех электродов датчика, по соотношению которых затем вычисляются поперечные координаты пучка в соответствии со следующими формулами:

(1)
$X = {{G}_{X}}{\text{\;}}\frac{{{{U}_{4}} - {{U}_{2}}}}{{{{U}_{4}} + {{U}_{2}}}} - {{X}_{0}};\quad Y = {{G}_{Y}}{\text{\;}}\frac{{{{U}_{1}} - {{U}_{3}}}}{{{{U}_{1}} + {{U}_{3}}}} - {{Y}_{0}}.$
Здесь GX, GY – горизонтальный и вертикальный геометрические факторы, составляющие для всех датчиков около 10 мм. Постоянные X0 и Y0 описывают геодезическое смещение датчика относительно расчетной траектории пучка и смещение нуля самого датчика.

Помимо поперечных координат пучка, по сумме сигналов с электродов датчика можно с точностью 3–5% измерить заряд пучка.

Всего в канале транспортировки из ВЭПП-3 в ВЭПП-4 установлено 10 полосковых датчиков. Положение датчиков в канале показано на рис. 1.

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

На рис. 4 представлена функциональная схема электроники. Она состоит из четырех идентичных аналоговых каналов, вентильной матрицы FPGA, схемы калибровки и Ethernet интерфейса. Каждый аналоговый канал включает в себя усилитель с регулируемым коэффициентом усиления УРУ, полосовой фильтр ПФ и аналого-цифровой преобразователь АЦП.

Рис. 4.

Функциональная схема электроники системы измерения положения пучка. УРУ – усилитель с регулируемым усилением: ФНЧ – фильтр нижних частот; ПФ – полосовой фильтр; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; FPGA – вентильная матрица.

УРУ обеспечивает регулировку коэффициента передачи аналогового канала в диапазоне 0–28 дБ, что позволяет при разных зарядах перепускаемого пучка в диапазоне 2–40 нКл обеспечить “комфортную” амплитуду сигнала на входе АЦП, составляющую от 30 до 70% его максимальной шкалы (±1 В). УРУ состоит из цепочки усилительных блоков типа ADL5535 фирмы Analog Devices и регулируемых аттенюаторов типа PE4305 фирмы Peregrine Semiconductor.

Усилительные блоки ADL5535 имеют фиксированное усиление ~16 дБ в полосе частот 20–1000 МГц, хорошие шумовые характеристики (коэффициент шума ~3 дБ), относительно высокую температурную стабильность коэффициента усиления (~3 ⋅ 10–4/°С) и хорошую линейность амплитудной характеристики (OIP3 ≈ 45 дБм, P1dB ≈ 19 дБм). Последний параметр важен для минимизации зависимости результата измерения от заряда пучка. Аттенюаторы PE4305 имеют диапазон регулировки 0–15.5 дБ с шагом 0.5 дБ и управляются 4-разрядным цифровым кодом. Коэффициент передачи всего аналогового канала задается 8-разрядным кодом усиления Ку.

Ключевым элементом аналогового канала является узкополосный полосовой фильтр на основе поверхностных акустических волн типа TB0320A фирмы Golledge. Полоса пропускания данного фильтра по уровню –3 дБ составляет 136–144 МГц. Такая узкая полоса фильтра позволяет растянуть сигнал по времени до ~180 нс, что при частоте выборок АЦП ~ 120 МГц делает практически независимым результат измерения от соотношения между моментами пролета пучка и моментами выборок АЦП. Основная мощность помех в канале лежит в диапазоне частот 0–100 МГц, вблизи частоты 140 МГц уровень помех крайне мал. В связи с этим применение данного фильтра позволяет практически полностью исключить влияние помех на точность измерений. Вид сигнала от пучка и его спектр на выходе ПФ показаны на рис. 5.

Рис. 5.

Сигнал от пучка (слева) и его спектр (справа) на выходе полосового фильтра.

14-разрядный АЦП типа AD9246BCPZ-125 фирмы Analog Devices преобразует сигнал в цифровой вид с частотой выборок ~120 МГц. Далее сигнал в цифровом виде поступает в вентильную матрицу EP3C40Q240 фирмы Altera, где записывается в ее внутреннюю память. Запись в память начинается по приходу внешнего синхроимпульса Впуск, связанного с моментом перепуска пучка.

Окончательная обработка сигнала осуществляется в компьютере и включает в себя умножение массива сигнала на “окно” гауссовой формы и длительностью, примерно равной длительности самого сигнала, что по своему воздействию близко к “оптимальной” фильтрации [4], а также нахождение мощности сигнала.

СХЕМА КАЛИБРОВКИ

Неодинаковость коэффициентов передачи аналоговых каналов при разных кодах, записываемых в аттенюаторы, может достигать 1.5 дБ, что соответствует сдвигу нуля, вызванному электроникой, 0.7 мм. Для компенсации этого сдвига нуля в принципе можно было бы откалибровать аналоговую электронику с помощью тестовых сигналов с генератора импульсов, составив в результате таблицу поправочных коэффициентов для каждого кода усиления Ку. Проблема в том, что существует значительная температурная нестабильность коэффициентов передач аналоговых каналов, причем наибольшую нестабильность вносят полосовые фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Для компенсации неодинаковости и нестабильности коэффициентов передачи аналоговых каналов использована схема калибровки, которая включает в себя формирователь калибровочного импульса длительностью ~2 нс, программируемый аттенюатор с диапазоном регулировки ослабления 0–31 дБ, ключ К1, разветвитель сигналов и 4 направленных ответвителя (см. рис. 4). На этапе калибровки импульс длительностью ~2 нс и амплитудой, зависящей от кода усиления, через разветвитель типа SCA-4-10 фирмы Mini-Circuits и 4 направленных ответвителя с коэффициентом направленности –20 дБ типа TCD-20-4 той же фирмы подается на вход каждого из четырех аналоговых каналов. На основе четырех измеренных напряжений калибровочного сигнала ${{U}_{{{{K}_{i}}}}}$ вычисляются калибровочные коэффициенты К1, К2, К3, К4 по формуле:

${{К}_{i}} = {{U}_{{КСР}}}{\text{/}}{{U}_{{{{К}_{i}}}}},$
где ${{U}_{{KCP}}} = ({{U}_{{{{K}_{1}}}}} + {{U}_{{{{K}_{2}}}}} + {{U}_{{{{K}_{3}}}}} + {{U}_{{{{K}_{4}}}}}){\text{/}}4$.

На этапе измерения напряжения сигналов от пучка с датчика ${{U}_{Д}}_{{_{i}}}$ умножаются на соответствующие калибровочные коэффициенты:

${{U}_{i}} = {{U}_{Д}}_{{_{i}}}{{K}_{i}}.$

Координаты пучка вычисляются на основе напряжений Ui.

Стадия калибровки начинается через ~80 мкс после запуска цикла измерения, т.е. после регистрации сигналов с электродов датчика. Учитывая, что перепуски пучка из ВЭПП-3 в ВЭПП-4 осуществляются достаточно редко – не чаще, чем один раз в 15 мин, в промежутках между перепусками выполняются периодические внутренние (программные) запуски цикла измерения с регистрацией калибровочного сигнала. Суммируя полученные массивы калибровочного сигнала, мы тем самым значительно увеличиваем отношение сигнала к шуму для калибровочного сигнала. Обычно для вычисления поправочных коэффициентов используется порядка нескольких десятков калибровочных сигналов.

КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЕЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ В КАНАЛЕ

Вся электроника системы измерения положения пучка в канале состоит из десяти блоков обработки сигналов с датчиков (“BPM Processor”) и разветвителя синхросигналов. Каждый блок обработки сигналов размещен в корпусе евромеханики высотой 1U и глубиной 280 мм и предназначен для работы с одним датчиком.

Вся электроника размещена в тоннеле канала. Каждый блок обработки сигналов расположен около своего датчика и соединен с ним через разъемы типа SMA на задней панели четырьмя короткими (длиной ~1 м) коаксиальными кабелями. Через разъем SMA на передней панели в блок поступает внешний синхроимпульс Впуск, связанный с моментом перепуска пучка. Через разъем RJ-45 на передней панели блок подключен к локальной сети Ethernet, через которую осуществляется его взаимодействие с одним из компьютеров системы управления накопителем.

ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

Относительная точность измерения положения пучка характеризуется следующими основными параметрами:

1) разрешением измерений;

2) зависимостью результата измерения от температуры (температурной нестабильностью);

3) зависимостью результата измерения от заряда пучка.

Погрешность измерения координат определяется погрешностями измерения амплитуд сигналов с датчика. Допустим, амплитуда с одного из четырех электродов датчика измерена с относительной погрешностью δU. Тогда, учитывая формулы (1), погрешность измерения координаты δXY будет примерно равна 0.5δUGXY.

Все приведенные выше основные параметры точности измерений были экспериментально определены. В процессе этих измерений тестовый сигнал с генератора импульсов через разветвитель одновременно подавался на 4 входа блока обработки сигналов. Амплитуда импульсов пересчитывалась через заряд пучка после калибровки блоков электроники на канале с реальным пучком.

Разрешение измерений, равное среднеквадратичному отклонению измеренной координаты от среднего значения, определяется амплитудным шумом аналогового канала и временным шумом (“джиттером”) частоты выборок, подаваемой на АЦП. Экспериментально снятая зависимость разрешения от заряда пучка приведена на рис. 6. При этом количество суммируемых калибровочных сигналов равнялось 30-ти.

Рис. 6.

Экспериментально снятая зависимость разрешения от заряда пучка.

Зависимость результата измерения от температуры определялась как с использованием калибровочного сигнала, так и без него. Для испытанных десяти блоков обработки сигналов коэффициент, определяющий зависимость измеренной координаты пучка от температуры, при использовании калибровочного сигнала был в пределах 0.5–1 мкм/°С, а без его использования – 2–3 мкм/°С, т.е. в среднем примерно в 3–4 раза выше.

Зависимость результата измерения от заряда пучка определяется нелинейностями АЦП и усилителей блока обработки сигналов. Экспериментально получено, что для диапазона заряда пучка 2–40 нКл данная погрешность не превышает 10 мкм.

Ниже приведены основные параметры, характеризующие точность измерения положения пучка в канале:

Разрешение измерений для заряда пучка:  
 2 нКл ~15 мкм
 15 нКл ~3 мкм
Зависимость результата измерения от заряда пучка для диапазона заряда 2–40 нКл ~10 мкм
Зависимость результата измерения от температуры <1 мкм/°C

Можно утверждать, что при зарядах перепускаемого пучка более 5 нКл, что чаще всего имеет место, суммарная погрешность измерений положения пучка не превышает 20 мкм.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Для управления новой электроникой системы измерения положения пучка в канале разработано программное обеспечение на основе EPICS [5]. В промежутках между перепусками пучка рабочая программа осуществляет непрерывные измерения калибровочного сигнала в режиме внутреннего запуска. Перед перепуском пучка система переключается на работу от внешнего запуска. После перепуска вычисляются поперечные координаты и заряд пучка для каждого датчика. На рис. 7 показана измеренная траектория пучка электронов вдоль транспортного канала.

Рис. 7.

Траектория пучка в канале после очередного перепуска.

Программное обеспечение полностью автономно и не требует участия оператора для своего функционирования. Координаты пучка и его заряд для каждого датчика, а также другая служебная информация доступны в виде PV (process variable) системы EPICS и могут быть использованы в программах системы управления комплекса ВЭПП-4. В частности, координаты и интенсивности пучка на каждом перепуске записываются в базу данных комплекса, где хранятся данные всех систем для последующего анализа, поиска неисправностей и т.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новая система измерения положения пучка в канале транспортировки из ВЭПП-3 в ВЭПП-4М была установлена и введена в эксплуатацию в сентябре–октябре 2018 г. Достигнутые точности измерений положения пучка (лучше 0.02 мм) и заряда пучка (3–5%) с достаточным запасом удовлетворяют предъявляемым к данной системе требованиям. За время работы данная система позволила обеспечить оптимальную настройку оптики канала и достичь эффективности перепуска пучка из ВЭПП-3 в ВЭПП4М на уровне 90%.

Список литературы

  1. Левичев Е.Б. // Письма в ЭЧАЯ. 2016. Т. 13. № 7. С. 1365.

  2. Бехтенев Е.А., Карпов Г.В., Пиминов П.А. // ПТЭ. 2017. № 5. С. 74. https://doi.org/10.7868/S0032816217050044

  3. Cherepanov V.P. // Proc. of DIPAC 1995. Travemunde, Germany, 1995. P. 142.

  4. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Советское радио, 1966.

  5. https://epics-controls.org/

Дополнительные материалы отсутствуют.