Программное обеспечение для системы определения положения пучка в АСУ Tango комплекса Nica

Данная работа выполнена в Лаборатории физики высоких энергий Объединенного Института Ядерных Исследований в рамках создания “Комплекса сверхпроводящих колец на встречных пучках тяжелых ионов» (Комплекс NICA – Nuclotron based Ion Collider fAcility), предусмотренного государственной программой Российской Федерации «Развитие науки и технологий» на 2013–2020 гг., мероприятие 4.2 «Реализация на территории Российской Федерации проектов создания крупных научных установок класса мегасайенс». Планируемая программа исследований включает в себя несколько научных направлений: физика тяжелых ионов высоких энергий, радиобиология, радиационная медицина. Выполнение этой программы требует применения современных математических и информационных технологий.
Комплекс NICA включает в себя две вновь создаваемые циклические ускорительные установки:
• Бустер Нуклотрона (синхротрон со сверхпроводящей магнитной системой периметром 210 м.)
• Установку для экспериментов на встречных пучках (два сверхпроводящих кольца коллайдера периметром 500 м.).
Для контроля положения пучка в бустере планируется использовать систему 24-х датчиков положения пучка на основе емкостных электродов, считывание сигнала с которых планируется осуществлять при помощи устройств Libera Hadron компании Instrumentation Technologies. В качестве системы управления ускорительным комплексом NICA используется система автоматического управления высокого уровня Tango Controls, применяемая на многих ускорительных комплексах.
Интегрирование системы датчиков положения пучка в систему управления комплексом является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.
.
Постановка задачи
Целью работы является настройка и отладка управления устройством Libera Hadron через систему Tango Controls для получения данных с датчиков положения пучка в Бустере комплекса NICA.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
• Изучить методы диагностики пучков
• Изучить устройство Libera Hadron, его спецификацию, а также внутренние команды управления и настройки.
• Изучить систему управления Tango Controls.
• Изучить алгоритм написания приложения для Tango Controls с использованием встроенных утилит.
• Настроить управление устройством Libera Hadron через систему Tango Controls.
• На основе изученных материалов написать необходимые классы устройств для работы с внутренними модулями устройства Libera Hadron на языке программирования С++.
• Написанные классы интегрировать в систему управления Tango Controls и протестировать их для дальнейшей работы устройства Libera Hadron в автоматической системе управления комплекса NICA.
Обзор литературы
Проект NICA [1] реализуется в ОИЯИ с 2009 года, материалы представлены во многих журнальных публикациях, наиболее полно официальная информация приведена в [2]. Фундаментальные исследования в данном проекте сосредоточены на следующих направлениях:
“-Природа и свойства сильных взаимодействий между элементарными составляющими Стандартной модели физики частиц — кварками и глюонами
-Поиск признаков фазового перехода между адронной материей и КГП, поиск новых состояний барионной материи
-Изучение основных свойств сильного взаимодействия и КГП-симметрии” [1]
Диагностика пучков в синхротронах рассматривается в некоторых учебниках [3] и в материалах ускорительных школ [4], где приводится принцип действия емкостных датчиков положения пучка. ”Электромагнитный датчик пучка заряженных частиц представляет собой систему проводников, в которых пролетающий пучок, отдавая часть своей энергии, возбуждает электромагнитное поле, являющееся сигналом. Величина и временная зависимость поля несут информацию об интенсивности пучка и его геометрических характеристиках, которая может быть извлечена путем детектировании сигнала. Возбуждаемое поле, в зависимости от устройства системы, может иметь характер поля излучения, стоячих или бегущих волн.”[3]
Для обработки сигналов датчика положения пучка на многих ускорительных комплексах используется устройство Libera Hadron. Libera Hadron обеспечивает обработку сигналов пучка и высокоточные измерения для адронных и тяжело-ионных синхротронов [5], поэтому оно было выбрано для использования в составе комплекса NICA. Устройство оптимизировано для работы с входными сигналами от пикапов конструкции “обувная коробка” и кнопочных пикапов. Руководство по работе с устройством можно получить, заполнив форму на официальном сайте фирмы [6] . Принцип действия устройства следующий: “The signal from the pick-ups is processed in the signal processing chain, which is composed of analog signal processing, digitalization on fast ADCs and digital signal processing.”[6]
В качестве основы управления комплекса NICA выбрана система Tango Controls [7-9]. На официальном сайте системы её достоинства характеризуются следующим образом: ”Tango Controls is a toolkit for connecting hardware and software together. It is a mature software which is used by tens of sites to run highly complicated accelerator complexes and experiments 24 hours a day.”[7] Описание внутренней структуры и утилит приводится в [8], описание программной реализации в [9].
Внедрение системы Tango Controls на ускорительном комплексе ОИЯИ началось в 2013 г. Этапы развития системы, принятые технические решения неоднократно докладывались на российских и международных специализированных конференциях, например [10]. Наиболее полное описание интеграции системы представлено в журнальной публикации [11]. Реализация диагностики пучков ускорительного комплекса NICA представлена в [12].