Аппаратно программный комплекс автоматизации экСпериментов на быстром выводе уНК ТВН-ИТЭФ

АППАРАТНО ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА

БЫСТРОМ ВЫВОДЕ УНК ТВН-ИТЭФ.

А.В. КАНЦЫРЕВ, Е.М. ЛАДЫГИНА

А.А. ГОЛУБЕВ, В.С. ДЕМИДОВ, Л.М. ШЕСТОВ,

Н.В. МАРКОВ, А.Д. ФЕРТМАН, В.И. ТУРТИКОВ,

Г.Н. СМИРНОВ, К.Е. ГУСЕВ, ХУДОМЯСОВ А.В.

Государственный Научный Центр Российской Федерации

Институт Теоретической и Экспериментальной Физики, г. Москва

[email protected]

Ускорительно-накопительный комплекс ТВН-ИТЭФ (УНК ТВН-ИТЭФ)

Бустерны й синхротрон УК,13 Тл м, 20 Гц

Медицинский протонный

пучок

Ускоритель-накопитель У-1034 Тл м

,

П р ото нны й ин ж е кто р И -2 , 2 5 M э В . 2 0 0 м А

Лазерный источник ионов,

С ,Al ,Со ,4+ 10+ 17+ Zn ,U20+ 29+

Канал многократной инжекции

Пучки от внутренних мишеней и медленного

вывода протонов и

ионов

Канал быстрого вывода,

~10 , 0,7 ГэВ/н, 100 кДж/100 нс

1 3

Пучки от внутренних

мишеней протонов и

ионов,p, , ,K,

10 -10 1/c,до 10 ГэВ

p р6 11

Ионопровод И -3/У-10, И -3/УК

Ионный инжектор И-3, 1-2 М эВ/н

Медицинский ионный пучок

C 6 +

Ионный инжектор И-4, 7 MэВ/н,100 мА

Лазерный источник ионов,

С , Al ,Со ,5+ 10+ 17+ Zn20+

БЭЗ

ЭМЗ

КБИ

Канал быстрого вывода ионов и протонов: •Физика высокой плотности энергии в веществе•Радиобиология на ионах углерода•Радиография

Экспериментальный зал и линия транспортировки пучка быстрого вывода

Вакуумная линия транспортировки заряженных частиц раздваивается на две, после второго поворотного магнита B2. Одна линия, номер 511, предназначена для транспортировки ионов углерода C+6 с энергией 200-400 Мэв/нуклон и проведения экспериментов по радиобиологии, биофизике, ионной радиографии и разработке методов диагностики пучка. Другая линия, номер 512, предназначена для транспортировки пучков протонов с энергией до 800 Мэв и проведения экспериментов по ионной радиографии с использованием магнитной оптики.

Длительность пучка <1 мкс.Частота сбросов <0.25 Гц.

Интенсивность за сброс:Ионы C+6 < 5*10+9 частиц Протоны <10+11 частиц

Давление в канале ~ 10-9 торрВн. диаметр канала 145 мм Длина канала ~ 80 м

Ускорительно-накопительный комплекс ТВН-ИТЭФ (УНК ТВН-ИТЭФ)

Экспериментальная программа :

•Радиобиология на пучке ионов углерода

•Диагностика параметров динамических мишеней методом ионной радиографии

•Измерение профиля энергетических потерь ионов

•Плазменная линза для острой фокусировки пучка ионов на экспериментальной мишени

•Методы невозмущающей диагностики пучков

Ускорительно-накопительный комплекс ТВН-ИТЭФ (УНК ТВН-ИТЭФ)Экспериментальный зал и линия транспортировки пучка быстрого вывода

Схема аппаратной части

Аппаратное обеспечение:•Микроконтроллерный Блок Управления сбросами Пучка частиц МБУП•Осцилллографы Tektronix и Lecroy•ПЗС камеры SDU-285, сцинтилляторы Bicron•Генераторы импульсов SRS DG535 и др.•Манипуляторы мишеней и детекторов•Детекторы пучка: пояс Роговского, ионизационные камеры , полупроводниковый детектор пучка (ППД)

Аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов

Программное обеспечение аппаратно-программного комплекса (АПК) автоматизации экспериментов

АПК состоит из отдельных аппаратно-программных модулей (АПМ), обслуживающих отдельный прибор или функцию обработки данных. Обмен данными между отдельными АПМ осуществляется через сеть Ethernet с применением интерфейса Socket. Программы комплекса написаны на языке программирования Delphi 7.0 в среде Windows XP.


Основные Аппаратно Программные Модули


N Назначение АПМ Прибор Программа1 Управление сбросами пучка и

синхронизацияБлок МБУП Beam Control

2 Считывание и обработка высокочастотных сигналов от детекторов

Цифровые осциллографы Tektronix

3000 серии

PTek

3 Контроль, поддержание температур OWEN TPM-138, TPM-202

Med-OWEN

4 Формирование программируемых задержек и импульсов

Генератор импульсов Stanford DG-535

PGen

5 Оцифровка изображений свечения сцинтилляторов, математическая обработка

ПЗС камеры SDU-285 SDU-ITEP

6-8 Позиционирование мишеней и детекторов относительно пучка

Манипуляторы Standa, Mclennan, NipponBearing

Standa-ITEP, Stop-Tar, ROTOM

9 Измерение интенсивности пучка/дозы Ионизационные камеры PTW с блоком считывания

PTW-ITEP

10 Контроль радиационного фона Приборы и детекторы фирмы ЗАО НПП ДОЗА.

УИМ

11 Управление и контроль блокировкой пучка Пневмомеханический блокиратор пучка

BeamStop

12 Считывание измерений малых токов и управление блоком питания

Keithley 237 Raps-ITEP

Подключение приборов с использованием драйвера TekVISA

При проведении экспериментальных работ используется широкий круг приборов, таких как осциллографы, генераторы, измерители токов и напряжений и т.п., причем эти приборы обладают различными интерфейсами: RS232, GPIB, USB, LAN и производятся различными компаниями. Для обмена данными между программами АПК и различными приборами был выбран универсальный драйвер TekVISA фирмы Tektronix.

Для упрощения доступа к функциям обмена данными с прибором в комплект программ TekVisa входит ActiveX компонент, позволяющий ускорить разработку программ пользователя.


Модуль синхронизации запуска оборудования и управления сбросом пучка

Микроконтроллерный блок управления пучком (МБУП) обеспечивает отправку на ускоритель сигнала запроса на пучок, прием синхросигнала от ускорителя, генерацию сигналов (с программируемой задержкой) для запуска измерительных приборов, измерение уровня накопления ионов в кольце ускорителя. Блок МБУП построен на основе микроконтроллера AT89S53 фирмы Atmel. Программа для микроконтроллера МБУП написана на языке Си ProView. Для управления сбросами пучка с ПК, написана программа BeamControl.


Средства считывания и обработки сигналов от детекторов

Измерение интенсивности пучка

Медленноменяющиеся сигналы : модулиL-CARD, приборы OWEN

Высокочастотные сигналы:Осциллографы: TDS3034B,TDS2024B, Lecroy 9362

Программа Ptek

Программа Ptek позволяет:• Автоматически считывать и сохранять данные оcциллограмм с применением драйвера TekVISA• Автоматически проводить математическую обработку осциллограмм. •Вычислять интенсивность пучка заряженных частиц в случае использования токового детектора пучка •Передавать данные другим программам АПК


Средства визуализации и обработки изображений

При проведении экспериментов, по взаимодействию пучков заряженных частиц с веществом, появляется необходимость проводить диагностику пространственного профиля пучка. Для настройки и диагностики пучка используются цифровые камеры SDU-285:• Время экспозиции 7мкc-4.5 мин• ПЗС Матрица Sony ICX285AL (1392х1032) • Разрядность АЦП 12 бит• Спектр 290-1100 нм •Интерфейс USB 2.0 Регистратор пучка : сцинтилляторы Bicron BC-408, ВС412 толщиной 1-5 мм

Программа SDU-ITEP позволяет:• Считывать и сохранять изображения в формате 16 битного TIF файла• Автоматически проводить сохранение изображений •Проводить построение и математическую обработку пространственных профилей по изображению •Проводить математическую обработку изображений с применение удаленного сервера limon.itep.ru•Передавать обработанные данные другим программам АПК


Программа SDU-ITEP

Средства позиционирования детекторов и мишенейАппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов

Позиционирование постоянных магнитных линз4-х координатное устройство . Контроллер L-CARD

Программа PROTOM

Позиционирование раковых клеток и ППД детектора в водном фантоме. 3-х коодинатное устройство.

Контроллер STANDA

Программа ITEP-Standa

Клиновой механизм (мишень переменной толщины)Вертикальная координата . Контроллер AT89S53

Программа STOP-TAR

Средства радиационного контроля и обеспечения безопасности

Для контроля за радиационным фоном в экспериментальном зале создана автоматизированная система дозиметрического контроля на основе детекторов фирмы ЗАО НПП “ДОЗА”.

Для обеспечения безопасности персонала, при установке мишеней на ось пучка частиц, было создано механическое устройство (Beam Stop), представляющее собой массивный цилиндр (длинна 500 мм, диаметр 140 мм) из нержавеющей стали, устанавливаемый (в вакууме) на оси прохождения пучка частиц в начальной части вакуумной линии транспортировки частиц. Управление блокировкой пучка связано с концевиками входных дверей в экспериментальный зал и аварийных кнопок.


Средства обмена данными в сетях Ethernet/Internet

Обмен данными между программами АПК с применением интерфейса Sockets библиотек Synapse

Обмен данными между программами АПК и Web сервером http:\\plasma.itep.ru


Использование удаленного сервера limon.itep.ru для математической обработки профилей

изображений

WWW страница контроля АПК(раздел профили)

Использование АПК в экспериментах по радиобиологии

Схема установки: 1 – водный фантом, 2 - механизм перемещения ППД , 3 – ППД полупроводниковый детектор пучка частиц (плоскость установки облучаемых раковых клеток), 4 - предусилитель, 5 – монитор (ИД) (ионизационная камера и/или пояс Роговского), 6 – пучок частиц.

Для исследования воздействия ионов углерода на культуры опухолевых клеток, требуются поля больших размеров 4080 мм. Контроль равномерности дозного поля в плоскости облучения осуществлялся с помощью ППД детектора и сканирования зоны облучения.

Схема системы контроля и поддержания температуры воды (клеток)

Использование АПК в экспериментах по радиобиологии

Результаты измерений, полученных с помощью описанного аппаратно-программного комплекса, представлены в виде профилей. Относительное значение дозы оценивалось как отношение интегрального сигнала с ППД детектора и сигнала с мониторного датчика (ИД) (пояс Роговского для интенсивностей 10+7 - 5*10+9 частиц, ионизационная камера для интенсивностей <10+7 ) , установленного перед водным фантомом. Перед каждым циклом облучения раковых клеток необходимо проводить измерения профилей дозных полей.

Распределение дозы в поперечном сечении пучка в зоне облучения

Профиль энереговыделения пучка ионов углерода 12С+6 с энергией

216 МэВ/а.е.м в воде

Заключение


•Создан и успешно эксплуатируется более 2 лет аппаратно-программный комплекс автоматизации экспериментов (АПК) на быстром выводе пучка УНК ТВН-ИТЭФ

•АПК включает в себя 12 аппаратно-программных модулей позволяющих считывать, сохранять и обрабатывать экспериментальные данные в режиме реального времени

•Разработано 5 основных конфигураций АПК для экспериментов по радиографии, радиобиологии, управлению плазменной линзой для фокусировки пучка ионов, измерению остаточных пробегов в твердых мишенях.

•Из модулей АПК собрано 3 лабораторных стенда для проведения тестирования полупроводниковых детекторов (алмазных и SiPM) и поля фокусирующих постоянных магнитов.

• Дальнейшее развитие комплекса будет направлено на совершенствование системы управления токами линз и магнитов ионопровода транспортировки пучка частиц

Спасибо за внимание…

Documents

Аппаратно программный комплекс автоматизации экСпериментов на быстром выводе уНК ТВН-ИТЭФ