Контрольно-измерительные системы для установок газообеспечения в экспериментах STAR, PHENIX и поляризованной газовой мишени ANKE
![Диссертация: Контрольно-измерительные системы для установок газообеспечения в экспериментах STAR, PHENIX и поляризованной газовой мишени ANKE](https://gugn.ru/work/2502938/cover.png)
С помощью разработанной распределенной контрольно-измерительной системы выполнены оптимизационные исследования источника поляризованных атомов водорода в Исследовательском Центре Юлих, Германия. В частности, проведена оптимизация вакуумной системы для обеспечения максимальной скорости откачки в первой ступени источника. Ряд измерений, проведенных с помощью системы автоматизации, позволил… Читать ещё >
Содержание
- Список иллюстраций
- Список таблиц
- 1. Основные принципы построения контрольно-измерительных систем
- 1. 1. Выбор операционной системы
- 1. 2. Программное обеспечение
- 1. 3. Элементы языка UML
- 1. 4. Законы регулирования
- 1. 5. Аппаратное обеспечение
- 2. Рециркуляционные системы газообеспечения и управление ими
- 2. 1. Рециркуляционные газовые системы
- 2. 2. Газовая система STAR ТРС
- 2. 2. 1. Описание детектора STAR ТРС
- 2. 2. 2. Система газообеспечения детектора STAR ТРС
- 2. 2. 3. Особенности управления газовой системой STAR ТРС
- 2. 2. 4. Прибор для измерения атмосферного давления
- 2. 2. 5. Многоканальный термометр
- 2. 2. 6. Экспериментальные результаты
- 2. 3. Газовые системы в эксперименте PHENIX
- 2. 3. 1. Описание детекторов PHENIX
- 2. 3. 2. Система газообеспечения детекторов PHENIX DC/PC
- 2. 3. 3. Система газообеспечения детектора PHENIX TEC/TRD
- 2. 3. 4. Особенности управления газовыми системами DC/PC и TEC/TRD
- 2. 3. 5. Система газообеспечения детектора PHENIX МиШ
- 2. 3. 6. Особенности управления газовой системой детектора МиШ
- 2. 3. 7. Экспериментальные результаты
- 2. 4. Система газообеспечения для тестирования детектора ATLAS CSC
- 2. 5. Системы управления
- 2. 5. 1. Автоматическая микропроцессорная система блокировки «ALARM»
- 2. 5. 2. Компьютерная система управления
- 2. 5. 3. Выводы
- 3. 1. Описание установки
- 3. 2. Система управления
- 3. 3. Программное обеспечение для автоматизации измерений
- 3. 4. Оптимизация вакуумной системы ABS
- 3. 5. Измерения с монитором потока атомарного водорода
- 3. 6. Измерения магнитного поля постоянных секступольных магнитов
- 3. 6. 1. Введение
- 3. 6. 2. Постоянные секступольные магниты
- 3. 6. 3. Измерения магнитного поля
- 3. 6. 4. Влияние конечных размеров датчика Холла
- 3. 6. 5. Влияние сдвига датчика Холла
- 3. 7. Выводы
Контрольно-измерительные системы для установок газообеспечения в экспериментах STAR, PHENIX и поляризованной газовой мишени ANKE (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Современные экспериментальные установки в ядерной физике и физике высоких энергий представляют собой сложные комплексы, состоящие из разнообразного оборудования. Как правило, по функциональным признакам они разделяются на подсистемы, такие, как системы охлаждения, газообеспечения, юстировки, высоковольтного питания, и т. п. В этих условиях важной задачей является автоматическое управление каждой из таких «малых» физических установок и взаимодействие контрольно-измерительных систем между собой для обеспечения стабильной работы вСсги комплекса, а делом.
При работе на ускорителях важную роль играет высокая стоимость ускорительного времени. Она и определяет основное требование к контрольно-измерительным системам детекторов: они должны быть максимально надежны, чтобы свести к минимуму потери ускорительного времени из-за сбоев в работе детекторов.
Наряду со сложными физическими комплексами не теряют своей актуальности небольшие экспериментальные установки. Характерной их особенностью в сравнении с подсистемами крупных детекторов является то, что, несмотря на кажущуюся простоту, управление ими осложнено разнородностью используемого оборудования. Это обусловлено отсутствием узкой специализации таких установок и широким кругом экспериментов, проводимых с их помощью. Часто задача автоматического управления такими системами совмещается с автоматизацией измерений и оптимизацией многочисленных параметров. Это накладывает дополнительные требования на надежность как программного, так и аппаратного обеспечения установки.
Таким образом, можно выделить два типа малых физических экспериментальных установок:
• подсистемы крупных детекторов,.
• отдельные «лабораторные» установки, которые могут применяться как в составе больших комплексов (например, мишени для ядерных экспериментов), так и отдельно.
Контрольно-измерительные системы обоих типов установок должны работать в полностью автоматическом режиме без участия оператора, все измеряемые параметры должны сохраняться для последующего анализа наряду с историей событий, 8 произошедших в системе. Кроме того, в малых физических установках первого типа наиболее важные параметры должны пересылаться в центральную систему управления экспериментального комплекса и записываться вместе с общим потоком физических данных детектора.
Применение новейших технологий позволяет значительно снизить стоимость и сроки разработки и создания контрольно-измерительных систем. Появляется возможность создания универсальных программно-аппаратных комплексов, которые могут быть использованы для автоматизации управления экспериментальными установками обоих типов. Особенно важным является тесное взаимодействие с разработчиками самих оиьекшв управления. Как правили, арисктиривание таких СЛОЖНЫХ СйСТёМ Происходит параллельно, при этом и физическая установка, и система управления постоянно модифицируются.
Основная цель данной работы заключалась в разработке и создании контрольно-измерительных систем для установок газообеспечения ряда больших детекторов, установленных на ускорителе RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхэвенской Национальной Лаборатории, СШАа также в автоматизации измерений, проводимых на источнике поляризованных атомов водорода (дейтерия) в научном центре FZJ (Forschungszentrum Julich), Юлих.
Основные результаты опубликованы в работах [22, 23, 25, 26, 27, 35, 38, 39, 48, 49, 51,54, 56, 60,61,62, 64,71,72].
Благодарности.
Все перечисленные работы выполнены в Лаборатории Криогенной и Сверхпроводящей Техники ПИЯФ. Я благодарен всем сотрудникам лаборатории, а особенно ее руководителям, — Чернову Николаю Николаевичу и Никанорову Анатолию Григорьевичу, — за атмосферу свободы и равенства, созданную ими. Особая благодарность Леониду Михайловичу Коченде и Александру Анатольевичу Васильеву за теплое отношение и неиссякаемую энергию в работе, благодаря которой многие проекты успешно завершены.
Огромное спасибо Виктору Алексеевичу Трофимову и Сергею Михайловичу Козлову, разработавшим всю электронику, за дружеское участие и неоценимую помощь в работе.
Хочу выразить благодарность иностранным коллегам, а именно Howard Wieman и Blair Stringfellow из BNLHellmut Seyfarth, Frank Rathmann и Harald Kleines из Froschungszentrum Julich за понимание проблем и ценные советы.
Особенно хотелось бы поблагодарить всех коллег из ЛКСТ, коллаборации STAR и группы ABS. В их коллективе всегда было очень приятно работать.
Заключение
.
На базе проведенных исследований разработан универсальный программно-аппаратный комплекс автоматического управления системами газообеспечения следующих детекторов на ускорителе RHIC в Брукхэвенской Национальной Лаборатории, США:
• Time Projection Chamber (ТРС) в эксперименте STAR,.
• Drift Chamber и Pad Chamber в эксперименте PHENIX,.
• Time Expansion Chamber в эксперименте PHENIX,.
• Muon Identification detector в эксперименте PHENIX.
Кроме того, аналогичная система управления применена для тестовых испытаний секторов детектора CSC для эксперимента ATLAS в ЦЕРНе. Несмотря на отличия газовых систем, применение объектно-ориентированного подхода при разработке программ и удачной многозадачной модели комплекса в целом позволило ускорить процесс адаптации программного обеспечения к новым газовым системам, одновременно обеспечив высокую надежность управления установками. В программном обеспечении сведена к минимуму зависимость от электроники управления и съема данных, что также упрощает его адаптацию к новой аппаратной базе.
Применение современных технологий разработки программного обеспечения значительно ускорило процесс создания программ управления и позволило сделать их более гибкими в настройке и не требующими присутствия разработчика. Программы могут быть адаптированы к новым условиям работы самим оператором.
Система управления показала себя надежной и удобной в эксплуатации. В ходе многочисленных экспериментальных сеансов (максимальное время непрерывной работы 6 месяцев) не выявлено серьезных недостатков, которые могли бы привести к сбоям в работе газовых систем.
Разработанные алгоритмы и методы построения систем управления реализованы в виде универсальных программ и приборов на базе однокристальной микро-ЭВМ семейства Intel 8051, представляющих самостоятельный интерес, поскольку их применение не ограничивается газовыми системами.
В рамках данной работы созданы следующие приборы:
• Цифровой барометр. Прибор отображает на индикаторе и передает в ЭВМ текущее атмосферное давление в различных единицах измерения.
• Многоканальный термометр предназначен для измерения температуры в 16 точках с помощью платиновых термометров сопротивления Pt-100. В приборе реализована дополнительная возможность — четырехканальный коммутатор RS-232.
• Универсальная система автоматической блокировки «ALARM» предназначена как для автономной работы с программированием логики аварийных ситуаций с помощью ЭВМ, так и в качестве электроники для сбора данных и управления с помощью компьютера. Гибкость настройки позволяет использовать ее для управления широким кругом экспериментальных установок.
• Модуль КАМАК для управления микропроволочным монитором атомарного потока водорода для использования в составе системы управления поляризованного источника в эксперименте HERMES.
С помощью разработанной распределенной контрольно-измерительной системы выполнены оптимизационные исследования источника поляризованных атомов водорода в Исследовательском Центре Юлих, Германия. В частности, проведена оптимизация вакуумной системы для обеспечения максимальной скорости откачки в первой ступени источника. Ряд измерений, проведенных с помощью системы автоматизации, позволил значительно повысить интенсивность источника. В настоящее время источник продемонстрировал самую большую в мире интенсивность поляризованного водорода.
Прецизионные измерения магнитного поля постоянных секступольных магнитов, выполненные с помощью созданного программного комплекса, впервые экспериментально подтвердили наличие гармоник высших порядков в формуле Хальбаха, описывающей поле секступоля, собранного из сегментов. Они стали возможными благодаря использованию датчика Холла с малыми геометрическими размерами и проведенным исследованиям влияния конечных размеров и сдвига датчика Холла на измеряемую величину магнитного поля.
Список литературы
- С. Сорокин, «Как много ОСРВ хороших.», Современные Технологии Автоматизации, 2 (1997).
- С. Ющенко, «QNX», Современные Технологии Автоматизации, № 2 (1997).
- А. Халявка, «OS-9», Современные Технологии Автоматизации, № 2 (1997).
- D. Rogerson, «Inside COM,» Microsoft Press, 1997.
- Д. Теркель, «OLE for Process Control свобода выбора,» Современные Технологии1. Автоматизации, 3 (1999).
- Jeffrey Richter, «Advanced Windows,» 3rd edition, Microsoft Press, 1997.
- С. Сорокин, «Windows», Современные Технологии Автоматизации, № 2 (1997).
- Eric Harmon, «Delphi COM Programming,» Macmillan Technical Publishing, 2000.
- M. Грабер, «Введение в SQL,» ЛОРИ, 1997.
- UML Notation Guide Version 1.1, September, 1997. Rational Corp, et. al. Submitted to the1. OMG.
- B.P. Douglass, «Doing Hard Time: Using Object Oriented Programming and Software Patterns in Real Time Applications», Reading, MA: Addison-Wesley-Longman, 1998.
- B.P. Douglass, «Real-Time UML: Efficient Objects for Embedded Systems», Reading, MA:
- Addison-Wesley-Longman, 1997.
- Jeffrey Yoas, «Software Qualitys Eight Greatest Myths», IEEE Software, September/October 1999, 118.
- К. Острем, Б. Витенмарк. «Системы управления с ЭВМ,» М.: Мир, 1987.
- Т. Barczewski et al. «Gas System For ALEPH TPC,» NIM A289 (1990), 176−184.
- M. Acciarri et al. (For the L3 Collaboration) «The Construction of the L3 Experiment,» NIMA289 (1990), 35−102.
- D. Peach, «The L3 Argon/Ethane Gas System,» (1990).
- D. Thiessen, «The Gas System for the HERMES Transition Radiation Detector,» Master of1. Science thesis (1996).
- J. Harris, «Relativistic Heavy Ion Physics and the Relativistic Heavy Ion Collider», Prepared for Lake Louise Winter Institute: Quantum Chromodynamics, Lake Louise, Alberta, Canada, 1998.
- L.Kotchenda, M. Strikhanov, R. Wells, H. Wieman, P. Kravtsov, S. Kozlov, V. Trofimov, A. Markov, «STAR TPC Gas System,» preprint PNPIEP-5−1998 N 2219. 22p.
- Л. Коченда, П. Кравцов, С. Козлов, В. Трофимов, А. Марков, М. Стриханов, Р. Веллс,
- X. Вайман, «Система газообеспечения для детектора ТРС в эксперименте STAR,» материалы конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», 181, С-Петербург, 1998.
- AJ. Kozubal et al. Experimental Physics and Industrial Control System, ICALEPCS89 Conference Proceedings, Vancouver, 1989, 288.
- J. Lin, F. Bieser, M. Bordua, M. Cherney, J. Chrin, I. Ferguson, V. Ghazikhanian, J. Gross,
- G. Harper, M. Howe, S. Jacobson, P. Kravtsov, C. Lionberger, C. McParland, T. McShane, J. Meier, I. Sakrejda, E. Yamamoto, W. Zhang, «Hardware Controls For The STAR Experiment at RHIC,» proceedings of the IEEE RT99 conference, to be published in NIM.
- D. Reichhold, F. Bieser, M. Bordua, M. Cherney, J. Chrin, I. Ferguson, V. Ghazikhanian, J.
- С. Козлов, Jl. Коченда, П. Кравцов, «Цифровой барометр для установок «медленного"контроля», ПТЭ 2000, N 3, с. 166−167.
- MCS-51 Intel Family of Single-Chip Microcomputers. User’s manual. Intel Corp., 1981. Сташин В., Урусов А., Мологонцева О., «Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах», М.: Энергоатомиздат, 1990.
- Solid-state pressure sensors handbook. SenSym Inc., 1993.
- D.P. Morrison et al. (for the PHENIX Collaboration), «The PHENIX experiment at RHIC»,
- Nucl.Phys.A638, 565−570,1998.
- P. Nilsson, D. Silvermyr, «The pad chambers in the PHENIX experiment», 9th Nordic Meeting in Nuclear Physics, Jyvaskyla, Finland, August 4−8, 1998.
- B. Libby et al., «Particle identification in TEC/TRD prototypes for the PHENIX detector at
- RHIC», Nucl. Inst, and Meth. A367 (1995) 240.
- E. O’Brien et al., «A transition radiation detector which features accurate tracking and dE/dxparticle identification», IEEE Trans, in Nucl. Sci 40 (1993), 153.
- V. Cianciolo for the PHENIX Collaboration MUID Team, «Design/Construction of the PHENIX Muon Identifier», DNP97, October 5−8,1997, Whistler, B.C.
- L.Koichcnda, P. Kravtsov, V. Trofimov, A.Markov. A. Nikanorov, G. Tretiakov, M. Vznuzdaev, E. O'Brien, «Gas Systems of PHENIX Central Tracking Detectors,» PNPI Annual Report 1999.
- Atlas Muon Spectrometer, Technical Design Report, 1997, 201−221.
- ATLAS experiment at CERN. http://atlasinfo.cern.ch.
- L.Kotchenda, P. Kravtsov, V. Trofimov, «Universal Microprocessor interlock system,» Instruments and Experimental Techniques 43, 4 (2000), pp. 504−505.
- Kotchenda, P. Kravtsov, V. Trofimov, «Alarm/Interlock Of Gas Systems For Phenix Experiment,» Preprint PNPI EP-31−2000 N 2374, 13p.
- L.Kotchenda, P. Kravtsov, V. Trofimov, «Alarm/Interlock System For Phenix Gas Systems,"1. PNPI Annual Report 1999.
- Tips for using the ads78xx family of a/d converters, Burr-Brown Application Note AB-95.
- G. Booch, «Object-Oriented Analysis and Design with Applications,» 2nd edition, Addison1. Wesley, 1994.
- A. Cohen, M. Woodring, «Win32Multithreaded Programming» O’Reilly, 1998.
- K.CouIter et al., Proposal DESY-PRC 90/01 (1990).
- B.V.Przewoski et al., Phys. Rev. C 58, 1897 (1998).
- H.O.Meyer et al., Phys. Rev. Letters 81, 3096 (1998).
- S.V. Dshemuchadze et al., COSY Exp. Proposal no.20, spokesperson: V. Komarov.
- O.Grebenyuk and V. Koptev, Annual Rep IKP 1994, Report Jul-3035 (Julich, 1995).
- F.Rathmann, S. Dymov, R. Engels, P. Jansen, A. Kacharava, F. Klehr, H. Kleines, V. Komarov,
- M. Mikirtychiants, «Measurements of degree of dissociation at the polarized Atomic Beam
- Source for ANKE Spectrometer at the COS Y-Julich Accelerator,» Diploma Thesis, Julich 1999.
- M. Nekipelov, «Device for Absolute Atomic Beam Intensity Measurements at the ANKE
- Atomic Beam Source,» Diploma Thesis, Julich 1999.
- H. Kleines, R. Baldauf, P. Kravtsov, M. Mikirtytchiants, M. Nekipelov, F. Rathmann, J.
- Sarkadi, H. Seyfarth, A. Vassiliev, K. Zwoll, «The Slow Control of the Atomic Beam Source at ANKE/COSY An industrial approach Based on WinCC and S7 PLCs,» proceedings of the ICALEPCS99, 359−363.
- S. Zhang, «Fieldbus technology overview and its impact on industrial automation,» FieldComms USA, Boston, USA, June 1997.
- А. Локотков, «Что должна уметь система SCADA,» Современные Технологии Автоматизации, № 3 (1998).
- A. Кузнецов, «SCADA системы: программистом можешь ты не быть.», Современные Технологии Автоматизации, № 1 (1996).
- R. Srinivasan, Sun Microsystems, Network Working Group RFC 1014 and RFC 1832 (1995).
- J. Pastel, Network Working Group RFC 768 (1980)
- P.Kravtsov, R. Baldauf, H. Kleines, M. Mikirtytchiants, M. Nekipelov, F. Rathmann, J. Sarkadi,
- H.Seyfarth, A. Vassileiev, K. Zwoll, «The Slow Control System for the ANKE ABS,» Proc. Int. Workshop on Polarized Sources and Targets (PST99), Erlangen, 1999, p.474−477.
- R.Emmerich, R. Engels, E. Kitanina, F. Klehr, H. Kleines, V. Koptev, P. Kravtsov, J. Ley,
- V. Koptev, A. Kovalev, P. Kravtsov, F. Rathmann, H. Seyfarth, A. Yassiliev, «Optimization
- Of The Vacuum System Of The Atomic Beam Source,» preprint PNPI EP-52−1998 N 2266, 17p.
- A. Vassiliev, «Two dimensional On-line Monitor of the Hydrogen (Deuterium) Flow,» Preprint PNPI- 2260, 1998, 29p.
- MAFIA, CST GmbH, Buedinger Str. 2a, D-64 289 Darmstadt, Germany, http://www.cst.de
- Rare-Earth Permanent Magnets, VACODYM, VACOMAX, Company Information Booklet
- PD-002, Vacuumschmelze GmbH, P.O.B. 2253, 63 412 Hanau, Germany, p. 12.
- Sumitomo Special Metals Company Ltd., Egawa, Shimamotocho, Mishimagun, Osaka 618,1. Japan.
- L. G. Isaeva et al» R. J. Holt, andM. A. Miller, AIP Conf. Proc. 421,109 (1998).146
- D. Krischel, M. Schillo, A. Hobl, H. Grunberg, and H.-J. Hergesell, Rev. Sei. Instr. 69, 6 771 998).
- K. Halbach, Nucl. Instrum. Methods 169,1 (1980).
- A. Vassiliev, V. Ne.lvnhin. V Kontev. P. Kravtsov. B. Lorentz, H. J. Marik, 1. V j — t i. ' '
- M. Mikirtytchiants, M. Nekipelov, F. Rathmann, H. Paetz gen. Schieck, H. Seyfarth, E. Steffens, «24 segment high field permanent sextupole magnets.» Rev. Sei. Instr. 71, 9 (2000).