Приборы и техника эксперимента, 2021, № 3, стр. 152-154

Линейный ускоритель электронов ЛИНАК-200 в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) предназначен для проведения исследований в области физики и техники ускорителей, разработки и создания детекторов элементарных частиц, а также фундаментальных и прикладных исследований в области материаловедения и радиобиологии [1].

Для фокусировки и коррекции положения пучка, необходимых, главным образом, для уменьшения потерь частиц во время ускорения, применяются магнитные элементы. Фокусировка осуществляется с помощью соленоидальных и квадрупольных линз. Для настройки положения пучка относительно оси ускорителя применяются корректирующие магниты.

Питание магнитных элементов обеспечивается источниками KORAD KA3005P и KA6003P. Модификации (KA3005P/6003P) отличаются диапазоном значений токов и напряжений (0–30 В, 0–5 А и 0–60 В, 0–3 А соответственно) и выбираются исходя из мощности, потребляемой конкретным элементом магнитной системы ускорителя.

Выбор данных источников питания обусловлен возможностью достижения требуемой точности установки напряжения (10 мВ) и тока (1 мА) при их относительно невысокой стоимости. Управление осуществляется посредством команд, которые источник питания принимает в формате строки символов. Из интерфейсов удаленного управления имеются USB и RS-232.

Для управления ускорителем используется автоматизированная система на основе инструментария Tango Controls [2]. Однако интеграция источников питания магнитных элементов в эту систему затрудняется тем, что интерфейсы USB и RS-232 непригодны для передачи данных в пультовую ускорителя (расстояние порядка 50 м), а встроенное программное обеспечение источников не позволяет присваивать каждому источнику уникальный адрес для его однозначной идентификации. Таким образом, стоит задача разработки технического решения, позволяющего удаленно и независимо управлять сетью источников питания KORAD KA3005P/6003P.

Для решения вышеописанной проблемы были разработаны интеллектуальные интерфейсные модули КПИ-11 (контроллеры-преобразователи интерфейсов). Основой модулей КПИ-11 является 16-разрядный микроконтроллер семейства PIC24HJ, в микропрограмме которого реализована система команд источника питания KORAD KA3005P/6003P. На контроллере происходит периодический процесс обмена данными с источником питания (включая управление его параметрами при получении соответствующих команд от сервера Tango). Протокол обмена данными с сервером Tango – Modbus RTU over TCP. Модули КПИ-11 содержат энергонезависимую память, что позволяет сохранять и восстанавливать настройки ведомых устройств и значения установленных параметров. Для удобства смены полярности тока в обмотках магнитных элементов предусмотрено управление блоком релейных переключателей. На рис. 1 изображена конфигурация из двух модулей КПИ-11, обеспечивающая управления двумя источниками питания соответственно.

Рис. 1.

Конфигурация модулей КПИ-11: 1 – преобразователь интерфейсов Ethernet/RS-485; 2 – модули КПИ-11.

Микропрограмма модулей КПИ-11 построена на основе операционной системы реального времени FreeRTOS [3]. Программно создано два потока с алгоритмами управления: поток взаимодействия с источником питания KORAD и поток, реализующий поддержку протокола Modbus RTU.

Модули сгруппированы исходя из количества источников питания на каждой ускорительной станции. Схема подсистемы управления магнитными элементами представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Схема подсистемы управления магнитными элементами.

Следует отметить, что модули КПИ-11 являются универсальными устройствами, на основе которых можно построить распределенную систему управления практически любым оборудованием с интерфейсом RS-232. Это достигается путем реализации системы команд ведомого блока внутри модуля КПИ-11 и передачи на верхний уровень всех необходимых параметров по протоколу Modbus.

Программное обеспечение (п.о.) Tango для управления магнитными элементами можно разделить на две части – серверную и клиентскую.

На серверном уровне осуществляется обмен данными с модулями КПИ-11. Серверная часть п.о. реализована на языке Python с использованием PyTango [4] и PyModbus [5].

Клиентский уровень, п.о. которого реализовано на языке C++ с использованием фреймворка Qt5 и библиотеки QTango [6], предоставляет графический интерфейс для управления магнитными элементами. Клиентская часть п.о. позволяет управлять основными параметрами источников питания, формировать конфигурационный файл с этими параметрами, а также осуществлять мониторинг стабильности обмена данными между модулями КПИ-11 и источниками питания.

Таким образом, на основе интеллектуальных интерфейсных модулей КПИ-11 и программного обеспечения Tango разработана система автоматизированного управления магнитными элементами для фокусировки и коррекции положения пучка линейного ускорителя электронов ЛИНАК-200.

Работа выполнена при поддержке Объединения молодых ученых и специалистов ОИЯИ (грант № 20-203-05).