Дипломная работа на тему Система удаленного управления элементами системы стохастического охлаждения ускорителя Нуклотрон ОИЯИ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Факультет автоматики и электроники

Кафедра электроники

Пояснительная записка к дипломному проекту

на тему: Система удаленного управления элементами системы стохастического охлаждения ускорителя Нуклотрон ОИЯИ

Москва, 2013

Аннотация

Настоящий документ содержит Пояснительную записку к Техническому проекту «Система удаленного управления системой стохастического охлаждения ускорителя Нуклотрон ОИЯИ».

Введение

Объединённый институт ядерных исследований приступил к созданию уникального ускорительно-коллайдернего комплекса NICA – Nuclotron-based Ion Collider fAcility, который планируется ввести в эксплуатацию в 2017г. Светимость коллайдера, которая должна поддерживаться на рекордно высоком уровне , по расчетам, будет постепенно уменьшаться, главным образом, из-за эффекта внутрипучкового рассеяния. Поэтому для поддержания высокого уровня светимости необходимо включить в базовый проект ускорителя систему охлаждения. Из двух методов охлаждения, наиболее часто применяемых в настоящее время для пучков тяжелых ионов – электронного и стохастического, – наиболее привлекательным представляется стохастическое охлаждение. Однако в России отсутствуют опыт разработки и эксплуатации таких систем. Поэтому в настоящее время на ускорителе Нуклотрон готовится к проведению эксперимент по стохастическому охлаждению для знакомства с техникой и возможностями метода.

Стохастическое охлаждение – это процесс уменьшения амплитуд бетатронных колебаний или энергетического разброса пучка частиц (соответственно, охлаждение поперечной и продольной степеней свободы) с помощью системы обратной связи. Общая идея метода такова: в некоторой точке кольца ускорителя измеряется поперечная координата или отклонение энергии частиц от номинального значения с помощью пикап-электродов. Затем сигнал обрабатывается, усиливается и воспроизводится импульсным корректирующим устройством – кикером, расположенным на некотором расстоянии от пикапа по ходу движения пучка. Время задержки распространения сигнала в линии обратной связи подбирается таким образом, чтобы оно оказалось равным времени пролета частицы с номинальной энергией от пикапа до кикера. При охлаждении поперечных степеней свободы дополнительно накладывается условие на величину набега фазы поперечных колебаний при движении частиц от пикапа до кикера.

Время охлаждения распущенного пучка можно грубо оценить по следующей формуле (1.1) [1]:

, (1.1)

где ф – это время охлаждения; W – ширина полосы пропускания линии обратной связи; Nколичество частиц в ускорителе; М – фактор перемешивания частиц при пролете от пикапа до кикера и – при пролете от кикера до пикапа соответственно; Uотношение мощностей шум/сигнал; Zзаряд иона.

Параметры М и означают следующее: все частицы в ускорителе двигаются с различными скоростями, соответственно, они обгоняют друг друга и, таким образом, перемешиваются.

Параметры N и Zхарактеристика пучка. Чем больше заряд иона Z, тем сильнее амплитуда сигнала, наведенного на электродах пикапа, и тем эффективнее охлаждение. W – характеристика частотного диапазона линии обратной связи. Для уменьшения времени охлаждения желательно иметь полосу пропускания системы как можно шире, однако для каждой энергии подбирается свой оптимальный диапазон ширины полосы частот, и он не должен быть максимально большим.

Выбор полосы частот системы стохастического охлаждения определяется следующими соображениями. Пикап и кикер – резонансные устройства, их проектируют на среднюю частоту полосы пропускания, при этом чувствительность симметрично «спадает» при больших и меньших частотах. Для обеспечения приемлемой чувствительности во всем диапазоне частот верхняя частота, как правило, выбирается в 2 раза больше нижней. Хорошо освоенным в мировой практике и в то же время не представляющим серьезных радиотехнических трудностей является диапазон 2-4 ГГц, т.е. полоса 2 ГГц.

Нуклотрон – сверхпроводящий синхротрон с периметром 251,5 м и магнитной жесткостью до 45 Тл·м – работает в ОИЯИ начиная с 1993 г. Ускоритель предназначен для ускорения тяжелых многозарядных ионов с энергией до 6 ГэВ/нукл. (для отношения заряда к массе z/A = Ѕ), пучков протонов и поляризованных пучков дейтронов. Магнитная структура состоит из восьми суперпериодов, каждый содержит три регулярных периода типа ФОДО и один период без дипольных магнитов (большой прямолинейный промежуток). Регулярный период включает в себя фокусирующую и дефокусирующую квадрупольные линзы, четыре дипольных магнита и два малых свободных промежутка, предназначенных для размещения мультипольных корректоров и устройств диагностики пучка. Большие прямолинейные промежутки используются для размещения устройств ввода и вывода пучка, ВЧ-ускоряющих станций, устройств диагностики и т.п.

Пикап системы стохастического охлаждения должен находиться при криогенной температуре (от 4 до 15 К), что позволяет уменьшить мощность теплового шума с пикапа. Для его размещения оптимальным является третий промежуток. Диаметрально противоположно третьему промежутку находится единственный «теплый» большой прямолинейный промежуток (седьмой по ходу пучка, начиная с точки инжекции), в котором располагается станция внутренних мишеней (рис 1.1). В этом же промежутке достаточно места для размещения кикера, который должен находиться при комнатной температуре (ввиду того, что в нем выделяется достаточно большая тепловая мощность).

Рис. 1.1. Схема кольца Нуклотрона с выбранным расположением элементов системы охлаждения: пикапа (PU) и кикера (K).

Созданный на Нуклотроне канал стохастического охлаждения планируется последовательно использовать для проверки методов охлаждения продольной и поперечной степеней свободы распущенного и сгруппированного пучка.

Структурная схема канала охлаждения для Нуклотрона выглядит, как показано на Рис 1.2. Сигнал снимается с пикапа, комбинируется на ключах – таким образом, определяется тип снимаемого сигнала – затем проходит через фидерный кабель, линию системной задержки, режекторный фильтр (в случае, если выбран продольный вид охлаждения), усилитель и применяется на кикере. Для диагностики радиотехнической линии и наблюдения эффекта охлаждения в схему на разных участках включены ответвители, которые отделяют от основного сигнала небольшую его часть для измерений с помощью спектрального анализатора.

Рис 1.2. Структурная схема канала охлаждения для Нуклотрона.

1. Постановка задачи

Необходимо разработать систему удаленного управления, которая бы позволила управлять элементами системы стохастического охлаждения. К элементам системы относятся: модуль пикапа, модуль системной задержки, модуль режекторного фильтра, модуль аттенюатора, модуль замкнутой/разомкнутой цепи, модуль кикера. Для реализации системы управления необходимо разработать:

· Систему управления режимами работы пикапа;

· Систему управления системной задержкой;

· Систему управления задержкой режекторного фильтра;

· Систему управления аттенюатором;

· Систему управления ключом замкнутой/разомкнутой цепи;

· Систему управления режимами работы кикера;

2. Реализация

Для удаленного управления элементами системы стохастического охлаждения была разработана программа «Управляющая программа». Было принято решение писать программу на языке C# в среде программирования Microsoft Visual Studio 2012 Express. Данный язык был выбран по причине того, что на C# очень легко реализуется работа с последовательным портом (практически все устройства, используемые в системе стохастического охлаждения: ключи на кикере, управление системной задержкой, задержкой фильтром, а также аттенюатор, управляются через этот порт), а также с COM-объектами (это технологический стандарт от компании Microsoft, предназначенный для создания программного обеспечения на основе взаимодействующих компонентов, каждый из которых может использоваться во многих программах одновременно), которые поставляются в комплекте с ключом на пикапе и ключом, позволяющим размыкать/замыкать цепь. Далее о самой программе.

Блок-схема управляющей программы представлена на рис. 3.1. Как видно, программа состоит из трех основных частей: клиента, сервера и модуля управления пикапом. Эти части программы «общаются» друг с другом посредством LAN (Local Area Network). С помощью клиента осуществляется удаленное управление всеми устройствами системы стохастического охлаждения. Модуль управления пикапом отделен от основного сервера по причине того, что сам пикап находится на большом расстоянии от сервера.

К серверу подключены: кикер, аттенюатор, задержка фильтра и системная задержка. Все вышеперечисленные устройства управляются сервером через последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных, определяемый стандартом EIA RS-232-C и рекомендациями V.24 CCITT (спецификация представлена в табл. 1).

Табл. 1. Спецификация RS-232C.

Стандарт

EIA RS-232-C, CCITT V.24

Скорость передачи

До 115 Кбит/с

Расстояние передачи

До 15 м

Характер сигнала

несимметричный по напряжению

Количество драйверов

1

Количество приемников

1

Схема соединения

полный дуплекс, от точки к точке

Интерфейс RS-232-C (описание контактов представлено в табл. 2) соединяет два устройства. Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс).

кольцо нуклотрон охлаждение пикап

Табл 2. Описание контактов интерфейса RS-232C

Наименование

Направление

Описание

Контакт

DCD

IN

Carrie Detect (Определение несущей)

1

RXD

IN

Receive Data (Принимаемые данные)

2

TXD

OUT

Transmit Data (Передаваемые данные)

3

DTR

OUT

Data Terminal Ready (Готовность терминала)

4

GND

System Ground (Корпус системы)

5

DSR

IN

Data Set Ready (Готовность данных)

6

RTS

OUT

Request to Send (Запрос на отправку)

7

CTS

IN

Clear to Send (Готовность приема)

8

RI

IN

Ring Indicator (Индикатор)

9

В языке C# для управления последовательным портом используется класс SerialPort. В «Управляющей программе» (интерфейс программы представлен на рис. 3.2) используются следующие свойства данного класса:

· BaudRate – получает или задает скорость передачи для последовательного порта (в бодах);

· DataBits – получает или задает стандартное число битов данных в байте;

· Handshake – получает или задает протокол установления связи для передачи данных через последовательный порт;

· IsOpen – получает значение, указывающее состояние объекта SerialPort – открыт или закрыт;

· NewLine – получает или задает значение, используемое для интерпретации окончания вызова методов ReadLine и WriteLine;

· Parity – получает или задает протокол контроля четности;

· DtrEnable – получает или задает значение, включающее поддержку сигнала готовности терминала (DTR) в сеансе последовательной связи;

· RtsEnable – получает или задает значение, показывающее, включен ли сигнал запроса передачи (RTS) в сеансе последовательной связи;

· ReadTimeout – получает или задает срок ожидания в миллисекундах для завершения операции чтения;

· WriteTimeout – получает или задает срок ожидания в миллисекундах для завершения операции записи;

· StopBits – получает или задает стандартное число стоповых битов в байте;

· PortName – получает или задает последовательный порт, в частности, любой из доступных портов COM.

Также используются следующие методы:

· Close – закрывает соединение порта, присваивает свойству IsOpen значение false и уничтожает внутренний объект Stream;

· GetPortNames – получает массив имен последовательных портов для текущего компьютера;

· Open – открывает новое соединение последовательного порта;

· WriteLine – записывает указанную строку и значение NewLine в выходной буфер;

· Write(String) – записывает указанную строку в последовательный порт;

· ReadExisting – считывает все непосредственно доступные байты в соответствии с кодировкой из потока и из входного буфера объекта SerialPort.

Рис. 3.2. Скриншот интерфейса «Управляющей программы».

«Управляющая программа» позволяет управлять всеми модулями системы стохастического охлаждения (кроме пикапа) и получать информацию о состоянии устройств. Управление модулем пикапа осуществляется через отдельную подпрограмму (интерфейс программы представлен на рис. 3.3). Ей можно управлять как из самого приложения, так и с сервера, либо с клиента. Программа позволяет управлять ключами пикапа и получать информацию об их состоянии.

Рис. 3.3. Скриншот интерфейса модуля управления пикапом.

Более подробно о модулях системы стохастического охлаждения и их программной реализации написано в главе 3 («Разработка элементов. Система удаленного управления»).

3. Разработка элементов. Система удаленного управления

3.1 Управление режимами работы пикапа

Пикап – устройство, предназначенное для снятия данных о пучке для их дальнейшей передачи в систему обратной связи.

Пикап (рис. 4.1.1) состоит из 16 колец (рис. 4.1.2) с внутренней апертурой 90 мм. Каждое кольцо структуры имеет 8 короткозамкнутых позолоченных электродов, расположенных равномерно по азимуту. Сигналы с электродов, расположенных под одним азимутом на разных кольцах, собираются соединительными платами (рис. 4.1.3), которые имеют точно настроенные задержки для разных колец, чтобы сигнал в плате распространялся синхронно с пучком. Таким образом, структура имеет соответственно восемь выходов, которые затем можно произвольно комбинировать. Восемь выходных сигналов с соединительных плат пикапа, используя специальный СВЧ кабель с малыми потерями, выводятся из криостата через два высоковакуумных фланца с вваренными в проходной керамический изолятор разъемами типа SMA, по 4 шт. на каждый фланец.

Рис. 4.1.4. Комбинирование выходных сигналов с пикапа

Для реализации комбинирования сигналов, была разработана схема (рис. 4.1.5).

Рис. 4.1.5. Схема комбинирования сигнала на пикапе

Сигналы, поступающие с соединительных плат, попарно суммируются, как показано на рис. 4.1.5. Затем они передаются на гибридные ответвители, которые на выходах выдают сумму и разность входящих в них сигналов. Сигналы с выходов разности, обозначенных на схеме как D, передаются на Ключ 1, определяющий вид снимаемого сигнала (1С – горизонтальный, 2С – вертикальный). Ключ 2 определяет конечный вид снимаемого сигнала (продольный либо поперечный). Выход Ключа 1 соединятся с входом 1 Ключа 2, вход 2 Ключа 2 принимает сигналы с суммарных выходов гибридных ответвителей.

Для реализации схемы требовалось подобрать ключи 1 и 2 и разработать для них управляющую программу.

Оба ключа реализованы с помощью устройства Mini-Circuits’ USB-2SPDT-A18 (рис 4.1.6).

Рис.4.1.6. Внешний вид ключа на пикапе.

Mini-Circuits USB-2SPDT-A18 – RF-переключатель, управляемый посредством USB. Имеет в своём составе 2 электромеханических реле (рис. 4.1.7), рассчитанных на 100 млн. переключений.

Технические характеристики [6]:

· Входное напряжение – 24В;

· Входной ток – 400 (оба реле запитаны), 60 (оба реле обесточены);

· Время переключения – 25мс.

· Диапазон – до 18Ггц;

· Максимальная входная мощность – 10Вт.

Рис. 4.1.7. Блок-схема устройства.

Устройство может использоваться как однополюсный ключ на два направления (SPDT – single pole, double throw), двухполюсный ключ на два направления (DPDT – double pole, double throw) и однополюсный ключ на три направления (SP3T – single pole, triple throw) переключатель. На пикапе реализован 3-й вид переключателя (рис 4.1.8).

Рис. 4.1.8. Реализация SP3T-ключа

Выход 1А коммутатора соответствует выходу 2С ключа 2, выход 1В – выходу 1С ключа 1, а выход 2В – выходу 2С ключа 1 (см. рис. 4.1.5).

В комплекте поставляется динамическая библиотека (dll) для работы с устройством. В данной библиотеке реализованы следующие функции:

· Connect – подключение устройства;

· Disconnect – отключение устройства;

· Set_Switch – переключает реле;

· GetDeviceTemperature – получает температуру с устройства.

Управление Mini-Circuits’ USB-2SPDT-A18 осуществляется с помощью программы «Модуль управления пикапом» (скриншот программы представлен на рис. 4.1.9). Программа может работать в режиме ручного и удаленного управления.

Рис. 4.1.9. Интерфейс управляющей программы

В программе реализованы следующие функции:

· Connect – подключение устройства. Активируется при получении текстовой команды «connect» (при успешном завершении операции клиенту возвращается текстовый ответ «ok», иначе – «error»);

· Disconnect – отключение устройства. Активируется при получении текстовой команды «disconnect» (при успешном завершении операции клиенту возвращается текстовый ответ «ok», иначе – «error»);

· SetLong – включение устройства в продольный режим. Активируется при получении текстовой команды «longitudinal» (при успешном завершении операции клиенту возвращается текстовый ответ «ok», иначе – «error»);

· SetHor – включение устройства в горизонтальный режим. Активируется при получении текстовой команды «horizontal» (при успешном завершении операции клиенту возвращается текстовый ответ «ok», иначе – «error»);

· SetVert – включение устройства в вертикальный режим. Активируется при получении текстовой команды «vertical» (при успешном завершении операции клиенту возвращается текстовый ответ «ok», иначе – «error»);

· Server – функция, реализующая подключение и отключение клиентов;

· ProcessRequest – функция, обрабатывающая запросы, приходящие на сервер.

Рис. 4.1.10. Схема тестового стенда

Программа была успешно протестирована и введена в эксплуатацию.

3.2 Управление режимами работы кикера

Кикер – устройство, предназначенное для применения сигнала коррекции на пучок.

Для кикера использовалась аналогичная пикапу радиотехническая сборка.

Схема, используемая для комбинирования сигнала на кикере, аналогична пикапу (рис. 4.2.1).

Рис. 4.2.1. Схема комбинирования сигнала на кикере

Ключ 1 определяет, каким будет охлаждение – продольным или поперечным. Далее, в зависимости от положения ключа 1, сигнал либо разделяется на 8 частей и отправляется на кикер (положение NC), либо на ключ 2 (положение NO), который определяет вид поперечного охлаждения – горизонтальное (положение NC) или вертикальное (положение NO), после чего сигнал также разделятся на 8 частей.

Таким образом, схема управления кикером выполняет операции, обратные схеме управления пикапом. Однако, ключи, которые применяются на пикапе, в данном случае не подходят из-за большой мощности сигнала (порядка 50-60Вт). Для реализации схемы управления кикером было необходимо подобрать подходящие ключи и разработать программу для удалённого управления.

Технические характеристики [7]:

· Время переключения – 15мс;

· Потребляемый ток – 380мА;

· Максимальная входная мощность – 80Вт;

· Интерфейс управления – RS-232.

Ключи соединены между собой следующим образом: разъём NC одного ключа подключен к разъёму C другого. Первый ключ определяет вид применяемого сигнала коррекции (продольный или поперечный), а второй – вид поперечного сигнала коррекции (вертикальный или горизонтальный – NC и ND соответственно).

Ключи соединяются с ПК при помощи последовательного (COM) порта. Принимают следующие команды:

· «x02R1P0x03» – переключение реле в позицию NC;

· «x02R1P1x03» – переключение реле в позицию ND;

· «x02STx03» – получение статуса устройства. Ответ: «R1P0» или «R1P1».

Управление ключами на кикере осуществляется с помощью «Управляющая программа» (скриншот интерфейса представлен на рис. 4.2.3).

Рис. 4.2.3. Интерфейс управляющей программы

Модуль программы «Управляющая программы» для управления кикером содержит следующий набор функций:

· Connect – открывает COM порты (подключает устройства). При успешном завершении операции (если оба устройства успешно подключились) возвращает true, иначе – false;

· Disconnect – закрывает COM порты (отключает устройства). При успешном завершении операции (если оба устройства успешно отключились) возвращает true, иначе – false;

· SetToLongitudinal – отправляет в первый ключ команду «x02R1P0x03». При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· SetToHorizontal – отправляет в первый ключ команду «x02R1P1x03», а во второй – «x02R1P0x03». При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· SetToVertical – отправляет в первый и второй ключи команду «x02R1P1x03». При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· CheckStatus – отправляет в оба ключа команду «x02STx03», получает ответ. При успешном завершении операции возвращает true и вид применяемого сигнала коррекции, иначе – false;

При успешном завершении вышеперечисленных функций текст статуса с «N/A» меняет свой текст на «ЧЧ:ММ:СС OK», а цвет – на зелёный, иначе – «ЧЧ:ММ:СС N/A», цвет – красный.

Вид сигнала коррекции задаётся путём нажатия на соответствующие кнопки: Longitudinal – продольное охлаждение, Horizontal – поперечное горизонтальное, Vertical – поперечное вертикальное.

Выбор COM портов для устройств осуществляется при нажатии на кнопку Connections Settings. Работа с устройствами ведётся в асинхронном режиме (т.е. запись и чтение данных происходят в разных потоках, что позволяет избежать зависания программы при чтении/записи).

Рис. 4.2.5. Схема тестового стенда.

Программа была успешно протестирована и введена в эксплуатацию.

3.3 Управление режимами работы ССО(замкнутая/разомкнутая цепь)

Для настройки АЧХ и ФЧХ системы используется процедура, которая называется «измерения с разомкнутой цепью». Её суть состоит в следующем: цепь перед усилителем размыкается, в неё включается сетевой анализатор, который подаёт сигнал в полосе частот на кикер. По измеренной ФЧХ настраивается задержка распространения сигнала по цепи, а по совокупности АЧХ и ФЧХ можно судить о качестве системы и необходимости её коррекции с помощью эквалайзеров.

Для проведения измерений с разомкнутой цепью была разработана схема (рис. 4.3.1). Для её реализации требовалось подобрать ключи, позволяющие замыкать и размыкать цепь, и написать для них программу управления.

Рис. 4.3.1. Схема переключателя замкнутой/разомкнутой цепи.

В качестве ключа было выбрано то же устройство, которое используется на пикапе — Mini-Circuits’ USB-2SPDT-A18, но в данном случае, оно работает как DPDT (двухполюсный ключ на два направления) переключатель (т.е. оба реле, находящиеся в устройстве, переключаются одновременно).

Управление ключом осуществляется с помощью программы Control program (скриншот интерфейса представлен на рис. 4.3.2).

Рис. 4.3.2. Интерфейс управляющей программы

Модуль программы Control program для управления переключателем открытой/закрытой цепи содержит следующий набор функций:

· Connect – подключает устройство и запрашивает значения температур с датчиков устройства. При успешном завершении операции возвращает true и значения температур датчиков, иначе – false;

· Disconnect – отключает устройство. При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· SetLoopToOpen – переключает ключ в состояние разомкнутой цепи;

· SetLoopToClose – переключает ключ в состояние замкнутой цепи.

При успешном завершении вышеперечисленных функций (возвращающих true или false) текст статуса с «N/A» меняет свой текст на «ЧЧ:ММ:СС OK», текст статуса сенсоров – на «ЧЧ:ММ:СС XXC» (где XX – значение температуры), а цвет – на зелёный, иначе – «ЧЧ:ММ:СС N/A», цвет – красный.

Устройство было проверено в лаборатории и введено в эксплуатацию.

3.4 Управление коэффициентом системы обратной связи

Для более гибкой настройки системы стохастического охлаждения (для изменения времени охлаждения пучка, проведения измерений с разомкнутой цепью) необходимо иметь возможность изменять коэффициент усиления. Для этих целей в систему стохастического охлаждения перед основным усилителем был добавлен переменный аттенюатор (рис. 4.4.1), позволяющий изменять мощность усиливаемого сигнала.

Рис. 4.4.1. Схема включения аттенюатора.

Основные характеристики Aeroflex Weinschel 3406:

· Количество входов: 6;

· Диапазон ослабления/шаг ослабления: 55/1;

· Затухание по входам: 1дБ, 2дБ, 4дБ, 8дБ, 16дБ, 24дБ;

· Точность: 0 – 3ГГц ? ±0.3дБ, 3 – 6ГГц ? ±0.4дБ;

· Вносимые потери: 0 – 3ГГц ? 2.6дБ, 3 – 6ГГц ? 3.8дБ;

· Рабочее напряжение: +12В (+13В – максимум; +9В – минимум).

Он имеет в своем составе порт USB, посредством которого производится подключение к ПК (после установки соответствующего драйвера, модуль определяется ОС Windows как виртуальный последовательный (COM) порт), а также 4 электромагнитных реле, рассчитанных на подключение высоковольтной нагрузки. Поскольку понижать сигнал больше, чем на 15дБ не имеет смысла (т.к. при увеличении коэффициента затухания больше, чем на 15дБ, время охлаждения становится слишком большим (рис. 4.4.4, 4.4.5)), а это значение достигается включением первых 4-х входов аттенюатора, то количество электромагнитных реле, находящихся на Ke-USB24R, удовлетворяет потребностям.

Основные характеристики Ke-USB24R [5]:

· Число управляемых реле: 4;

· Напряжение питания модуля: 5В (можно питать как от USB, так и внешним источником питания);

· Реле: максимальное коммутируемое постоянное напряжение: 48В;

· Реле: максимальный коммутируемый постоянный ток: 7А;

· Реле: максимальное коммутируемое переменное напряжение: 250В;

· Реле: максимальный коммутируемый переменный ток: 10А.

Схема подключения устройств Aeroflex Weinschel 3406 и Ke-USB24R показана на рис. 4.4.6.

Рис. 4.4.6. Схема подключения аттенюатора Aeroflex Weinschel 3406 и модуля KE-USB24R.

Центральные выходы клемм всех реле соединены между собой и подключены к питанию аттенюатора. Правые выходы клемм подключены к входам аттенюатора (все входы аттенюатора соединены с землей). Левые выходы клемм отключены. Таким образом, для того, чтобы включить вход аттенюатора, нужно замкнуть 2 и 3 (центральный и правый) выходы клемм реле, а для отключения – 1 и 2 (левый и центральный).

Модуль программы Control program для управления аттенюатором содержит следующий набор функций:

· Connect – открывает COM порт (подключает устройство). При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· Disconnect – закрывает COM порт (отключает устройство). При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· WriteData – Задаёт значение затухания. Отправляет в COM порт команду «#KE,REL,x,y», где x – номер реле, y – «0» или «1» («0» – замкнуть центральный и левый выходы реле, «1» – центральный и правый). При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· CheckStatus – проверяет статус устройства. Отправляет в COM порт команду «#KE,RDR,ALL», затем ожидает ответа от устройства (вида «#RDR,ALL,x,x,x,x», где x принимает значения «0» или «1»). При получении ответа проверяет его, затем, превращает в число, обозначающее заданное, на данный момент, значение затухания. Пример: при ответе «#RDR,ALL,1,1,1,1», функция возвратит значение, равное 15.

При успешном завершении вышеперечисленных функций текст статуса с «N/A» меняет свой текст на «ЧЧ:ММ:СС OK», а цвет – на зелёный, иначе – «ЧЧ:ММ:СС N/A», цвет – красный.

Задавать значение затухания можно двумя путями: либо вручную ввести желаемое значение и нажать кнопку Enter, либо изменять значение с помощью стрелок (±1дБ).

Выбор COM порта для устройства осуществляется при нажатии на кнопку Connections Settings. Работа с устройством ведётся в асинхронном режиме (т.е. запись и чтение данных происходят в разных потоках, что позволяет избежать зависания программы при чтении/записи).

3.5 Управление системной задержкой

Для того чтобы сигнал, прошедший через систему стохастического охлаждения, применился к нужной части пучка необходимо, чтобы время прохождения сигнала и пролета пучка по ускорителю были одинаковые. Для этого в систему обратной связи вводится системная задержка, позволяющая регулировать время прохождения сигнала. Поскольку предполагается работать с широким диапазоном частиц и энергий (в целях эксперимента), необходимо иметь возможность изменять задержку системы, как минимум, до 10-20 нс. Ограничение на точность задержки, следующее из результатов моделирования и мировой практики, составляет порядка 10 пс.

Для реализации системной задержки была разработана схема, представленная на рис. 4.5.1. Требовалось выбрать устройство для удалённого управления с точностью до единиц пикосекунд.

Рис. 4.5.1. Схема системной задержки

Технические характеристики [8]:

· Диапазон задержки: 0-560пс;

· Точность задержки: ±0.001пс;

· Управление: приборная панель или через интерфейс RS-232;

· Питание: 12В/1А.

Модуль программы Control program для управления системной задержкой содержит следующий набор функций:

· Connect – открывает COM порт (подключает устройство). При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· Disconnect – закрывает COM порт (отключает устройство). При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· WriteData – записывает данные в порт, проверяет входные данные на соответствие диапазону значений. При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false.

При успешном завершении вышеперечисленных функций текст статуса с «N/A» меняет свой текст на «ЧЧ:ММ:СС OK», а цвет – на зелёный, иначе – «ЧЧ:ММ:СС N/A», цвет – красный.

Выбор COM портов для устройств осуществляется при нажатии на кнопку Connections Settings. Работа с устройством ведётся в асинхронном режиме (т.е. запись и чтение данных происходят в разных потоках, что позволяет избежать зависания программы при чтении/записи).

Устройство было проверено в лаборатории и введено в эксплуатацию.

3.6 Управление задержкой гребенчатого фильтра

Гребенчатый фильтр – устройство, предназначенное для вырезания гармоники частоты обращения, соответствующей частоте обращения пучка на энергиях планируемого эксперимента, с инверсией фазы.

Метод фильтров – один из методов продольного стохастического охлаждения – основан на использовании гребенчатого фильтра (другие названия: периодический режекторный фильтр, notch filter). Общее решение типично для фильтров: сначала сигнал делится пополам, затем, в одной из веток, вставляется задержка на период обращения, затем сигнал одной ветки вычитается из сигнала другой ветки.

На основе этого была разработана структурная схема фильтра (рис. 4.6.1).

Рис. 4.6.1. Схема гребенчатого фильтра.

Аппаратная реализация управления гребенчатым фильтром аналогична системной задержке.

Модули программы Control program для управления задержками содержат следующий набор функций:

· Connect – открывает COM порт (подключает устройство). При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· Disconnect – закрывает COM порт (отключает устройство). При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false;

· WriteData – записывает данные в порт, проверяет входные данные на соответствие диапазону значений. При успешном завершении операции возвращает true, иначе – false.

При успешном завершении вышеперечисленных функций текст статуса с «N/A» меняет свой текст на «ЧЧ:ММ:СС OK», а цвет – на зелёный, иначе – «ЧЧ:ММ:СС N/A», цвет – красный.

Выбор COM портов для устройств осуществляется при нажатии на кнопку Connections Settings. Работа с устройством ведётся в асинхронном режиме (т.е. запись и чтение данных происходят в разных потоках, что позволяет избежать зависания программы при чтении/записи).

Заключение

Была разработана система удаленного управления, которая позволяет управлять элементами системы стохастического охлаждения на ускорителе Нуклотрон в ОИЯИ. Были разработаны следующие системы управления:

· Режимами работы пикапа;

· Системной задержкой;

· Задержкой гребенчатого фильтра;

· Аттенюатором;

· Ключом замкнутой/разомкнутой цепи;

· Режимами работы кикера.

Для реализации системы удаленного управления были выбраны следующие устройства:

· KRM SR-2 MIN-H для управления режимами работы кикера;

· MDL-002 для управления системной задержкой и задержкой режекторного фильтра;

· Ke-USB24R для управления аттенюатором;

· Mini-Circuits’ USB-2SPDT-A18 для управления ключом замкнутой/разомкнутой цепи и режимами работы пикапа.

Система была протестирована и успешно введена в эксплуатацию на ускорителе Нуклотрон в ОИЯИ.

Список литературы

1. D. Mohl, “Stochastic cooling for beginners”, CERN accelerator school, 1983.

2. D. Mohl, “The status of stochastic cooling”, CERN, 1998.

3. F. Caspers, “Design aspects for stochastic cooling system components”, proceedings of “Rare Isotope Physics at Storage Rings”, 2002.

4. Kobets et al., “Development of stochastic cooling technique for NICA project”, proceedings of RuPAC-2012.

5. Техническое описание модуля KernelChip Ke-USB24R.

6. Техническое описание модуля USB-2SPDT-A18В.

7. Техническое описание модуля SR-2 MIN-H.

8. Техническое описание модуля MDL-002.

9. Шилдт Герберт- C# Учебный Курс. 2003, 471 стр.

10. Шилдт Герберт. Полный справочник по C#. 2004, 744 стр.

Поделиться статьёй
Поделиться в telegram
Поделиться в whatsapp
Поделиться в vk
Поделиться в facebook
Поделиться в twitter
Михаил Потапов
Михаил Потапов
Я окончил горный университет, факультет переработки минерального сырья. О специальности работаю 12 лет, сам преподаю в университете. За это время написал 8 научных статей. В свободное время подрабатываю репетитором и являюсь автором в компании «Диплом777» уже более 7 лет. Нравятся условия сотрудничества и огромное количество заказов.

Ещё статьи

Нет времени делать работу? Закажите!
Вид работы
Тема
Email

Отправляя форму, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и обработкой ваших персональных данных.