Система пикапов ВЭПП-3/ВЭПП-4М

На накопителях электронов/позитронов Института ядерной физики им. Будкера применяется система диагностики пучка с пооборотной регистрацией сигналов пикап-электродов. Такими системами оснащены накопители ВЭПП-4М и ВЭПП-3, а также накопитель - источник СИ "Сибирь-2" (РНЦ "Курчатовский институт", Москва).

Устройство и работа системы

Пикапы, распределенные по азимуту накопительного кольца, объединены в систему "Орбита" и предназначены для измерения равновесной орбиты пучка, дисперсионной функции, амплитудных и фазовых функций бетатронных колебаний. Пикапы объединены в группы, пикапы одной группы опрашиваются путем поочередного подключения к общему кабелю.

При измерении орбиты электроды выбранного пикапа по очереди подключаются к общему измерительному каналу с помощью ключей, и сигнал с выхода измерительного канала регистрируется интегрирующим АЦП. Вычисление координат с нормировкой на интенсивность пучка и с учетом различных поправок производится в управляющем компьютере. Для измерения структурных функций также используется последовательный опрос электродов, при этом на каждом такте регистрируется массив пооборотных сигналов с помощью быстрого АЦП с памятью.

Система "Впуск" состоит из двух пикапов) и четырех параллельных измерительных каналов, аналогичных тому, что используется в системе "Орбита". Система "Впуск" используется для пооборотного измерения тока и координат инжектируемого пучка, параметров бетатронных и синхротронных колебаний, а также для измерения соотношения токов в отдельных сгустках. Обработка данных, поставляемых системой "Впуск", с применением различных алгоритмов позволяет изучать многие аспекты динамики пучка.

Для ввода измеренных данных в компьютер, в котором производится их обработка, конечная функция измерительного канала должна быть преобразованием характерного сигнала пикап-электрода в аналоговый сигнал, пригодный для оцифровки с помощью АЦП. В описываемой системе в качестве оконечного устройства измерительного канала используется преобразователь "выборка/хранение", выходной сигнал которого пропорционален пиковому напряжению импульсов, наведенных пучком на пикап-электроды.

Структурная схема базового комплекта аппаратуры системы "Орбита" изображена на рисунке 1. Первичная обработка сигналов пикап-электродов производится электроникой пикап-станций, расположенных в ускорительном зале, в непосредственной близости от пикапа. Для получения сигнала, форма и длительность которого пригодна для работы преобразователя "выборка/хранение" S&H, короткий импульс (~0.5нс), наведенный пучком на пикап-электрод, проходит последовательность фильтров нижних частот LPF1, LPF2 и RC-цепочек, которые удлиняют импульс. На выходе пикап-станции имеется буферный усилитель A, передающий этот сигнал в кабель.

Аппаратура для обработки сигналов пикап-электродов.

Выходной сигнал пикап-станции имеет вид колоколообразного импульса длительностью 40 нс на полувысоте с последующим выбросом обратной полярности, экспоненциально затухающим с постоянной времени около 200 нс (рисунок 2).

Выходной сигнал пикап-станции.

В пикап-станцию встроен также формирователь F тестового сигнала, имитирующего сигнал пучка интенсивностью примерно 10¹⁰ частиц.

Сигнал от пикап-станции передается по кабелю на измерительный канал, аппаратура которого располагается вне ускорительного зала. Сигнал поступает на основной широкополосный усилитель MA, коэффициент усиления которого может устанавливаться в пределах 0-60 дБ с шагом 10 дБ. Для обеспечения оптимального уровня выходного сигнала в широком диапазоне интенсивности пучка используется алгоритм автоматической установки усиления, реализованный в управляющих программах.

Усиленный сигнал поступает на преобразователь "выборка/хранение" S&H (длительность выборки 10 нс), который в момент прихода строб-импульса преобразует входной сигнал в квазипостоянное напряжение, присутствующее на выходе до следующего строб-импульса. Совмещение по времени строб-импульса с пиком сигнала каждой пикап-станции, производится с помощью блока задержки D опорного сигнала, поступающего от ВЧ-системы. Опорный сигнал представляет собой импульсы, следующие с частотой обращения пучка и привязанные к нулевой фазе ускоряющего ВЧ-напряжения.

Пикап-станция системы "Впуск" состоит из четырех одинаковых входных цепей, аналогичных цепи LPF1 - RC-цепочка - LPF2 - A. Сигналы с выходов четырех буферных усилителей A передаются, каждый по отдельному кабелю, на четыре параллельных измерительных канала, аналогичных тем, что используются в системе "Орбита".

Для оцифровки сигнала применены АЦП двух типов: быстрый АЦП-101S для пооборотных измерений и медленный АЦП-20 интегрирующего типа для диагностики медленного движения с высоким координатным разрешением.

Программное обеспечение системы пикапов

Управление системой пикапов, сбор и обработка данных выполняются с помощью комплекта прикладных программ, работающих в микрокомпьютере "Одренок" BEAMV4, включенных в сеть системы управления комплексом ВЭПП-4М. Информация, необходимая для работы программ - адреса КАМАК-блоков, масштабные и калибровочные коэффициенты пикапов и т.п. - содержится в базе данных. Программы работают в реальном времени, синхронизация программ и аппаратуры осуществляется посредством внешних прерываний, генерируемых системой синхронизации ускорительного комплекса ВЭПП-4М.

Пользовательский интерфейс программ в "Одренке" BEAMV4 сделан предельно простым и единообразным для всех программ. Ввод всех запрашиваемых программами параметров снабжен предвыводом, выбранная уставка подтверждается пробелом, отказ или возврат на шаг назад - по косой черте "/". При начальной загрузке программ всем параметрам присваиваются по умолчанию наиболее типичные значения.

Список программ

Оперативный контроль работоспособности системы диагностики, ее калибровка, а также измерение разрешения, долговременной стабильности и т.д. осуществляется с помощью программы #PIC4.

Ниже приведен ряд задач диагностики пучка, типичных на ускорительном комплексе ВЭПП-4М.

Типы пикапов ВЭПП-4М

Пикапы	Расположение электродов	Апертура	Количество
NRP*, SRP*		65 x 35 мм	34
STP*, NTP*, SIP1, NIP1, SEP4, SEP5, NEP4, NEP5		D 102 мм	12
SEP0, NEP0		D 125 мм	2
SEP3, NEP3		306 x 104 мм	2
SEP1, NEP1		245 x 104 мм	2
SIP2		95 x 35 мм	1
NIP3		110 x 35 мм	1