CC BY
10BEAM PARAMETERS MONITOR AND CONTROL SOFTWARE TOOLS FOR VEPP-5 INJECTION COMPLEX DAMPING RING
V. Balakin*'**, F. Emanov*'***, D. Berkaev*
*Budker Institute of Nuclear Physics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (BINP SB RAS) 630090, Novosibirsk, Russia "Novosibirsk State Technical University, 630073, Novosibirsk, Russia ***Novosibirsk State University, 630090, Novosibirsk, Russia
DOI: 10.24412/2073-0667-2022-2-27-43 EDN: EATUQJ
Description of beam parameters control and operation software tools for VEPP-5 injection complex damping ring is given in this article.
Software consists of two key parts („orbit" and „knob"), each of them includes three types of programs: daemon, service and user GUI-applications, the latter intended for injection complex
operational staff. "
only one choosed parameter (beam betatron tunes, for instance). Discussed in the article are features
"
"
"
"
betatron tunes and turn-bv-turn beam position measurements from choosed BPM and beam positions inside vacuum chamber along damping ring perimeter, collected from 16 BPM installed on accelerator.
Moreover, this software part is intended for damping ring response matrix measurements and creating "
this matrix.
Key words: software tools, beam parameters control, response matrix, knob.
References
1. Astrelina K. V. et al. Production of intense positron beams at the VEPP-5 injection complex /7 JETP, 2008, Vol. 106, P. 94 114.
2. Maltseva Yu. et al. VEPP-5 Injection Complex: New Possibilities for BINP Electron-Positron Colliders /7 in Proc. IPAC'18, Vancouver, Canada, Paper MOPMKOll, DOI: 10.18429/JACoW-IPAC2018-MOPMKOH.
3. Zhuravlev A. N. et al. Status of VEPP-4 accelerator complex /7 Pepan Letters. 2020, Vol. 17, N 7 232, P. 876 893.
The reportod study was funded by RFBR, project number 20-32-90082.
4. Shatunov P. et al. High luminosity at VEPP-2000 collider with new injector //in Proc. IPAC'17, Copenhagen, Denmark, Paper WEPIK029, DOI: 10.18429/JACoW-IPAC2017- WEPIK029.
5. Shen G. et. al. Prototype of beam commissioning environment and its application for NSLS-II // in Proc. IPAC10, Kyoto, Japan, Paper WEPEB026, DOI: 10.18429/JACoW-IPAC2010- WEPEB026.
6. Romanov A. L. Nastrojka orbitv i elektronno-opticheskoj strukturv nakopitelva VEPP-2000 metodom matric otklikov / dissertaciva na soiskanie uchenoj stepeni kandidata fiziko-matematicheskih nauk, g. Novosibirsk, 2011.
7. SHatunov P. Yu. Magnitnava sistema nakopitelva s elektron-pozitronnvmi vstrechnvmi puchkami VEPP-2000 / dissertaciva na soiskanie uchenoj stepeni kandidata fiziko-matematicheskih nauk, g. Novosibirsk, 2011.
8. Rogovskv Yu. A., Bekhtenev E. A. Pickup beam measurement system at the VEPP-2000 collider // in Proc. DIPAC2011, Hamburg, Germany, Paper MOPD68, DOli 10.18429/JACoW-DIPAC2011-MOPD68.
9. Jacquet D. et al. LSA-the high level application software of the LHC and its performance during the first 3 years of operation //in Proc. ICALEPCS2013, San Francisco, CA, USA, Paper THPPC058, DOI: 10.18429/JACoW-ICALEPCS2013- THPPC058.
10. Miller G. J. et al. Toolchain for online modeling of the LHC // in Proc. ICALEPCS2011, Grenoble, France, Paper MOPMNOI8, DOI: 10.18429/JACoW-ICALEPCS2011- MOPMNOI8.
11. Bolkhovitvanov D., Emanov F. A. VEPP-5 injection complex control system base software upgrade // in Proc. RuPAC2018, Protvino, Russia, Paper THPSC07, DOI: 10.18429/JaCOW-RUPAC2018-THPSC07.
12. Bolkhovitvanov D., Cheblakov P., Emanov F. A. CXv4, a modular control system //in Proc. ICALEPCS2015, Melbourne, Australia, Paper WEPGF093, DOI: 10.18429/JACoW-ICALEPCS2015-WEPGF093.
13. Safranek J. Experimental determination of storage ring optics using orbit response measurements // Nucl. Instrum. Methods. 1997. A. 388, P. 27.
ПРОГРАММНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА НАКОПИТЕЛЯ-ОХЛАДИТЕЛЯ ИНЖЕКЦИОННОГО
КОМПЛЕКСА ВЭПП-5
В. В. Балакин*'**, Ф.А. Еманов*'***, Д. Е. Беркаев*
*Институт ядерной физики им. Г, И, Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН), 630090, Новосибирск, Россия **Новосибирский государственный технический университет, 630073, Новосибирск, Россия ***Новосибирский государственный университет, 630090, Новосибирск, Россия
УДК 004.67, 004.622
Б01: 10.24412/2073-0667-2022-2-27-43
ЕБХ: ЕАТиСУ
В данной статье приведен обзор созданных программных инструментов контроля и управления параметрами пучка накопителя-охладителя инжскционного комплекса ВЭПП-5. Программное обеспечение состоит из двух ключевых блоков („орбита" и „ручки"), которые в свою очередь включают в себя три типа программ: службы, административные графические
приложения и приложения для операторов комплекса. "
изолированное смещение одншх) выбранншх) параметра (например, только частот бетатроных
"
пользовательского приложения, либо высылая запрос в командный канал системы управления,
"
инжекционным комплексом. "
пучка накопителя-охладителя, отображение мх) частот бетатронных колебаний, пооборотных измерений координат пучка и мх) положения в вакуумной камере вдоль периметра накопителя-
охладителя, собранные со всех 16 датчиков. Кроме тшх), этот блок предназначен для измерения
"
изменения параметров пучка по итогам обработки этой матрицы.
Ключевые слова: программное обеспечение, контроль параметров пучка, матрица отклика, ручки.
Введение. В Институте ядерной физики им. Будкера СО РАН, г. Новосибирск, развивается инжекционный комплекс ВЭПП-5 (ПК) |1, 2|, Основное назначение этого ускорительного комплекса — производство электронов и позитронов с высоким темном, их
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-3290082.
(с) В. В. Балакин, Ф.А. Еманов, Д. Е. Беркаев, 2022
Рис. 1. Схема ПК ВЭПП-5 и коллайдоров
Рис. 2. Схема инжекционного комплекса ВЭПП-5
ускорение, а также транспортировка для использования в целях проведения фундаментальных исследований па двух действующих в ИЯФ СО РАН коллайдерах: ВЭПП-4М |3| и ВЭПП-2000 |4|.
Ключевым параметром любого инжекционного комплекса является его производительность, измеряемая в количество частиц того или иного тина в секунду. В последних экспериментах производительность ИК ВЭПП-5 составляет 1010 позитронов в секунду. Этого достаточно дня обеспечения текущих экспериментальных программ па обоих коллайдерах. Однако, дня их развития, повышения светимости, а также дня повышения надежности работы всего ускорительного комплекса ИЯФ СО РАН требуется дальнейшее увеличение производительности инжекционного комплекса.
Важными аспектами работы инжекционного комплекса являются темны накопления частиц и стабильность выпуска пучка в канал транспортировки. Дня увеличения темпов накопления необходимо провести калибровку оптики накопителя-охладителя и подобрать оптимальные дня инжекции координаты пучка и соотношение бетатроппых частот ускорителя. Для этого были разработаны инструменты дня контроля и управления параметрами пучка, которые, помимо прочего, позволяют производить измерение матриц отклика, являющихся основным средством анализа параметров ускорителя, как с помощью моде.ньпо-пезависимого подхода, так и моделыю-зависимого,
1. Инжекционный комплекс ВЭПП-5. Ипжекциоппый комплекс (ПК) является частью комплекса электрон-позитронных коллайдоров ВЭПП-4-ВЭПП-2000 для проведения экспериментов но физике высоких энергий, ядерной физике и экспериментов с применением сипхротроппого излучения. Схема комплекса представлена па рис. 1.
Инжекционный комплекс (рис, 2) состоит из электронной пушки (где формируются пучки электронов), двух линейных ускорителей (в которых полученные пучки частиц ускоряются до нужной энергии), конверсионной системы (где, при необходимости, происходит производство антиматерии — позитронов), накопителя-охладителя (синхротрона, цель которого — накопление пучков частиц и уменьшение их поперечных размеров, т, н, охлаждение) и транспортных каналов [1].
2. Постановка задачи. Положение пучка в вакуумной камере ускорителя возможно измерять с точностью до нескольких микрон, что позволяет проводить вариационные измерения ускорительных оптических функций. Примером является измерение изменения положения пучка в вакуумной камере в зависимости от слабого возмущения отклоняющего магнитного поля или изменения бетатронных частот в зависимости от силы линз. Подобные данные помогают решать множество ускорительных задач: калибровку модели ускорителя; коррекцию положения бетатронных частот пучка, оптических функций накопителя-охладителя; измерение физической апертуры вакуумной камеры и многое другое.
Для систематического проведения вышеперечисленных процедур требуется программное обеспечение, способное, во-первых, проводить обработку данных, поступающих со станций датчиков положения пучка. Ввиду того, что результаты обработки уже дают существенную информацию о текущем состоянии накопителя-охладителя ПК, они должны отображаться на пультовых компьютерах и быть доступны оператору комплекса.
Во-вторых, для калибровки моделей и операций с ускорителем на основе модельно-независимого анализа необходимо получать т, п. матрицу отклика накопителя-охладителя, вследствие чего нужно иметь программу, выполняющую ряд необходимых для этого процедур, Это приложение должно давать оператору возможность выбирать элементы магнитной системы, с которых измеряется отклик, следить за корректностью изменения тока этих элементов в процессе и иметь доступ к измеренным координатам пучка для последующего формирования искомой матрицы.
В-третьих, часто возникает необходимость изолированного изменения одного выделенного параметра ускорителя, что достигается, например, комбинацией нескольких элементов магнитной системы с индивидуальными для каждого элемента изменением тока. Элемент интерфейса, проводящий такие изолированные изменения далее называется ..ручкой". Возможность создавать и пользоваться „ручками", решающими вышеописанную задачу, необходимо предоставить не только оператору ускорительного комплекса, но и другим пользовательским приложениям,
3. Существующие программные решения. Решение вышеперечисленных задач является обязательным практически для любого ускорителя.
Так, например, при проектировании программного обеспечения верхнего уровня для \Si.S-iI изначально требовались пользовательские приложения, которые давали бы наиболее полную информацию о состоянии ускорителя, включая контроль положения пучка в вакуумной камере и пооборотных измерений с датчиков положения пучка [5], Приложения для управления параметров пучка должны были решать следующие задачи: оптимизация положения пучка, измерение и коррекция бетатронных частот и хроматизма, измерение матриц отклика для поперечных частот колебаний пучка, хроматизма и положения пучка.
Аналогичные средства контроля и управления реализованы на коллайдере ВЭПП-2000,
"
матриц отклика и рассчитывать псевдообратную по заданным сингулярным числам. На
основе этих вычислений могут быть определены искажения для корректировки положения пучка или оптических функций коллайдера, „Ручки" для изолированного управления одним параметром на ВЭПП-2000 приведены в работе [7], а положения пучка в коллайдере и его параметры при инжекции измеряются с помощью 4-х датчиков положения пучка [8], Однако, все эти приложения являются разрозненными программами, не объединенными в общую экосистему, и реализованы на разных языках программирования.
На большом адронном колайдере (БАК) эти вопросы также не обходят стороной. На базе LSA (LHC software architecture) [9] как основы для работы с подсистемами ускорителя был создан инструментарий для онлайн моделирования и коррекции параметров пучка БАК [10]. Его функционал включает в себя интерфейс для определения параметров коллайдера и его дальнейшего моделирования в MAD-X без необходимости использования непосредственно синтаксиса MAD-X и создания его специфических входных файлов,
"
простое GUI-приложения для выбора, генерации и загрузки оптики коллайдера и опре-
"
конфигурируютея MAD-X для изменения основных параметров ускорителя, таких как частоты бетатронных колебаний пучка и хроматизм, или создания локальных искажений положения пучка в заданной области коллайдера. Имеющийся еканнер параметров пучка
полезен для уменьшения величины бета-функции БАК в местах встречи пучков (процесс
"
каннн заданных настроек ускорителя, К минусам такого подхода можно отнести зацик-ленность перечисленных программных средств на MAD-X, что не позволяет использовать их напрямую при работе с другими инструментами моделирования параметров пучка и оптических функций ускорителей,
4. Описание устройства инструментов программного контроля и управления параметрами пучка. Датчики положения пучка (ДПП) — один из основных инструментов диагностики пучков заряженных частиц на ускорителе, которые позволяют определить отклонение положения пучка относительно их электромагнитного центра. Устанавливая такие датчики по периметру синхротрона (либо вдоль линейного ускорителя или канала транспортировки), можно отслеживать координаты пучка в местах расположения датчиков, а также изменения этих координат, траектории или оптических функций.
Сбор и систематизация данных с датчиков дает возможность получить информацию о параметрах пучка и его откликах на изменения в магнитной системе.
Для реализации возможностей, которые предоставляют датчики положения пучка, было разработано программное обеспечение (ПО), позволяющее проводить сбор, обработку, отображение и хранение данных. Такое ПО позволяет проводить работы по калибровке и настройке ускорителя, повышению его стабильности.
Программное обеспечение, реализованное на языке Python, состоит из трех типов программ:
1) Службы: orbitd — предобработка данных, полученных со станций датчиков поло-
""
одного выбранного параметра системы),
2) Графические приложения для оператора ускорительного комплекса: orbit — отображение и хранение координат пучка накопителя-охладителя в разных режимах работы инжекционного комплекса; turns — отображение измерения тока и координат (а также их
ГГТ1Г
ОГО С
Рис. 3. Блок-схема программного обеспечения
Фурье преобразования) с выбранного датчика; tunes — отображение и храпение дробных частей бетатроппых частот накопителя-охладителя (ДЧБЧ).
3) Административные графические приложения: rme — измерение матрицы отклика накопителя-охладителя; magn — намагничивание элементов магнитной системы накопителя-охладителя; knob — пользовательское приложение для создания „ручек " и управления ими магнитной системой комплекса; inj_resp — измерение зависимости числа захваченных накопителем-охладителем частиц от бетатроппых частот; rmc_proc — обработка измеренной матрицы отклика, создание „ручек" по результатам обработки.
Принципиальная схема программного обеспечения представлена па рис. 3.
Из рис. 3 видно, что ПО разбивается на 2 ключевые части. Первая — программы дня обработки собранных с датчиков положения пучка (orbitd) данных и отображения результатов обработки дня оператора комплекса па пультовых компьютерах (turns, tunes
и orbit), а также административная программа дня измерения матрицы отклика (гтс.).
"
службу для их обслуживания (knobd), обработку матрицы отклика (гтс_ргос) и получение числа инжектированных в накопитель-охладитель частиц в зависимости от бета"
inj_resp. Черные стрелки показывают связи частей программного обеспечения, у которых передача данных и команд друг другу происходит через СХ-сервер |11|.
Разделение программ на службы и графические приложения обусловливается необходимостью отделения непосредственно обработки данных от отображения и использования результатов этой обработки. С одной стороны, это позволяет независимо друг от друга изменять каждую из компонент ПО (логику или визуализацию), не затрагивая другую его часть, с другой — запуск нескольких копий программ дня отображения требует наличие всего лишь одной копии службы, обрабатывающей данные.
Система управления ипжекционного комплекса работает в среде операционных систем семейства Linux. Дня взаимодействия с системой управления ускорителя используется разработанный ранее в ИЯФ СО РАН фреймворк CXv4 |12|, основанный па классической
трехуровневой модели, состоящей из клиентского, серверного и аппаратного уровней, В (' X V I используется канальная абстракция данных, когда любое устройство представляется набором каналов — единиц ввода-вывода, для которых возможны чтение, запись, получение событий. Клиентские библиотеки фреймворка ('X v I написаны на языке С и, соответственно, могут быть напрямую использованы для написания программ на C/C++, Для работы с (' X V I существует и библиотека для языка Python — руех4 [11], которая предоставляет набор высокоуровневых классов для автоматизации работы с каналами и их событиями. Эта библиотека может быть использована в основном цикле приложений i'.vQl I ") или собственном основном цикле CXv l с большой степенью унификации кода между этими вариантами. Таким образом, библиотека подходит для разработки графических приложений на PvQt и служб, автоматизирующих процессы. Описанные в статье программы реализованы на языке Python с применением руех4,
5. Детальное описание блоков программного обеспечения. Обработка данных с датчиков положения пучка. Служба orbitd получает от станций ДПП массив данных, в котором содержится информация о координатах и токе пучка с каждого из 16 датчиков за заданное количество оборотов, Orbitd анализирует этот массив, формирует по измерениям координат массив отклонений пучка от электростатических центров датчиков в накопителе, а также выделяет в отдельные массивы измеренные координаты пучка с выбранного оператором датчика и выполняет дискретное преобразование Фурье этих координат. После этой предобработки данные отсылаются на хранение на СХ-сервер, где они становятся доступны другим программам: tunes, turns и orbit, предназначенным для отображения соответствующих данных пользователям.
Обработка данных, их сохранение и загрузка из файловой системы (или базы данных в будущих реализациях) реализуется в orbitd, пользовательские приложения лишь формируют команду и передают ее службе посредством протокола (' X v I и его библиотеки
Задача программы tunes — это отображение текущих ДЧБЧ накопителя-охладителя в каждом из четырех режимов работы (рис, 4),
Бетатронные частоты являются ключевой характеристикой настройки магнитной системы синхротрона. Их случайные изменения могут приводить к значительным потерям частиц на всех этапах работы комплекса. Данное же приложение дает оператору возможность отслеживать их расположение и отклонение на резонансной сетке, где приближение к линиям сетки означает близость к резонансу, приводящему к потерям частиц пучка или полной его гибели.
Каждый из четырех цветов ярлыков вверху пользовательского окна (бирюзовый, пурпурный, зеленый и красный) отвечает за частоты в каждом режиме работы инжекцион-ного комплекса (электроны или позитроны на ВЭПП-4 или ВЭПП-2000), этому же цвету соответствуют крестообразные метки на резонансной сетке. Серые ярлык и метка — это текущие измерения частот.
По изменению бетатронных частот можно проводить измерения усредненной бета-функции в местах расположения корректоров [13], Известно, что малое изменение фокусирующей силы линзы ведет к следующему смещению частоты Av = Ak • в(s)ds, отсюда, усредняя значение бета-функции по линзе, получаем усредненное значение искомой величины: < в >~ Kk ■ Проведя измереие зависимости бетатронных частот пучка от силы линзы, возможно, через аппроксимацию зависимости v(k) вычислить значение
Tunes Plot
e2v4 p2v4 e2v2 p2v2 | CURRENT
0.0 1 0,0 0.0 | 0.0 0.0 1 0.0 0.409 | 0.682 0,446 | 0.713
_i-i-i-i—
О 0.2 0.4 0,6 0.8 1
2021-05-1В 09:10:05 tunes save
Рис. 4. Пример отображения значений дробных частей ботатронных частот на резонансной сетке в
пользовательском окне программы times
а значит, и < в >■ Результаты измерений, проведенных на накопителе-охладителе, представлены на рис. 5 и 6.
При анализе результатов становится ясно, что предсказание модели (сплошная зеленая .линия) и поведение пучка в ускорителе отличаются. Имея данные измерений, становится осуществимо проведение корректировки модели накопителя.
Не менее важной задачей является отображение положения пучка в вакуумной камере накопите.ля-ox.ладите.ля. Оно влияет па то, как пучок захватывается магнитной системой НО во время ипжекдии и па его выпуск в транспортный капал К-500, Отклонение координаты или угла пучка при выпуске может привести к частичной или даже полной его потере при перепуске, а потому необходимо удерживать эти параметры постоянными и при необходимости проводить их коррекцию. Приложение orbit предназначено для этого (рис. 7) и оно не только отображает текущее положение пучка, по и некоторое сохраненное, которое посчитали оптимальным для работы в данном режиме.
Также синей .линией па рис. 7 отображается апертура вакуумной камеры накопителя-охладителя, иод пей — схематическое изображение магнитной системы. Кнопки слова предназначены для установки датчиков положения пучка активными или неактивными (золеные и красные соответственно), еще .левое численно отображаются координаты пучка в место расположения датчиков.
Другая часть этого блока (turns) предназначена для отображения значений тока пучка, его координат и дискретного преобразования Фурье этих координат. Оператору предоставляется возможность выбирать датчик для наблюдения, количество измеряемых оборотов и диапазон, в котором определяются частоты поперечных колебаний пучка.
Horizontal
beta
Measured
Mode
ж«
Рис. 5. Изморенная и модельная (сплошная) горизонтальная бета-функция накопителя-охладителя Vertical
Measured
Mcrl-;
beta
Рис. 6. Измеренная и модельная (сплошная) вертикальная бета-функция накопителя-охладителя
Благодаря turns, появляется возможность отслеживать параметры пучка при ипжек-ции, влияние на пучок амплитуды и времени удара инфлекторов; имея модель ускорителя, можно измерить угол пучка и его координату на влете в накопитель-охладитель, при необходимости провести коррекцию. Аппроксимируя зависимость координат от номера оборота, можно также получить параметры огибающей пучка и целую часть бетатронной частоты.
Ввиду того, что многие операции при работе с ускорителем базируются на построенной теоретической модели поведения пучка в магнитной системе, необходимо иметь согласование этой модели с полученными экспериментальными данными. Дня этого проводится процесс калибровки, суть которого заключается в том, чтобы измерить с работающего ускорителя матрицу отклика и изменением параметров теоретической модели добиться равенства (с заданной точностью) измеренной матрицы и построенной на основе расче-
Матрица отклика — это таблица соответствия между изменением силы тока элементов магнитной системы и изменением координат пучка, представленная в виде матрицы.
Алгоритм измерения матрицы отклика выглядит следующим образом:
— Намагничивание элементов магнитной системы ускорителя, чтобы каждый раз находиться в одной ветке гистерезиса железа. Это обеспечивает повторяемость процедуры измерения и дальнейшего применения матрицы отклика.
p2v4
p2v2
Orbit Plot
Background 10 1 Discard
I is
boton botoff
40
J 4 4 4ÜL r1
0 —< Г i i-н - »—< 1 —4 < »— j , M t-t <
i—ia
I и , r
-40 и i_ 1 I u
Г1—- R№ i j RMS ■ ÍM7 J _L _J RM1 RM2 CAV RKiG RMt
С 2 10 12 14 16 IS 20 22 24 26 23 Position (m)
1—
1 , 1
20 1 | 1
0 и •4_ь. - (=
' 4М M 1
-20
1 | 1 ,
1 1
■ 1 ■ ■ 1_ ■ 1_ ■ J_ _J CAV R ■ ■
■ RM5 RMG ÍM7 =tM8 1 ■ • ■ RM1 RM2 liB RMi ' 1
12 14 16 Position (m)
X\Z
bpmOl None
bpm02 2.29 | 0.04
ЬртОЗ 2.34 | 0.55
bpm04 -0.39 | -1.24
bpm05 1.68 | 2.8
bpm07 1.79 \2.94
bpmOS 4.25 | 3.07
bpm09 3.23 | -0.1
bpmlO 0.04 | 1.2
bpmll 3.67 | -2.55
bpml2 2.7 | -3.92
bpml3 0.22 -1.49
bpml4 0.32 | 0.28
bpml5 2.26 | -1.11
bpml6 2.62 | -4.23
bpml7 2.43 | -1.9
Рис. 7. Отображение положения пучка накопителя-охладителя. Зеленый маркер последняя измеренная координата пучка с активного пикапа, синий сохраненная, красный неактивные датчики, на которых не происходит измерение координаты
— Выбор необходимых дня измерения матрицы элементов и задание параметров измерения матрицы. В зависимости от целой работы это могут быть квадрунольпые и дино.нь-ные корректоры или другие элементы магнитной системы.
— Для выбранных элементов нужно провести серию измерений положения пучка в зависимости от тока заданных элементов. Отдельно стоит отметить тот факт, что при изменении тока необходимо следить за тем, выдает .ни источник тока магнитного элемента заданное значение. Если да, то процесс идет дальше, иначе такой корректор отмечается неактивным и исключается из процесса измерения.
— Сформировать, но результатам измерений, матрицу отклика, матрицу с ошибками определения каждого элемента матрицы отклика и информацией об изначальных значениях токов элементов магнитной системы.
Приложение гтс. (рис. 8) предоставляет оператору интерфейс выбора элементов из дерева магнитных элементов накопителя-охладителя (слова) и задания параметров измерения матрицы (слова), информирует о текущем ходе выполнения процедуры (снизу), проводит обработку поступающих ей данных и следит за отработкой источника магнитных элементов заданных токов.
По завершении процесса пользователь получает измеренные матрицы отклика со всей необходимой информацией. Полученные данные можно использовать как дня проведения калибровки модели ускорителя, так и для изменения координат (или других параметров пучка) без привязки к модельным расчетам.
Response Collecting
Correctors list
" % ring orbit cor ■
- ^ x_ring_car
■ C3f2_x
■ C2f3_x
■ c3fl_x
ШЗ еггпб
■ Clf2_x
■ crml
Ш clf3_x
S3 elfl_x
Ш C4f3 X
BS c2fl_x
■ c2f2_x
■ crm8
Ш СГГП5
BS c4f2_x
BS crm4
Ш C4fl_x
m crm7
■ c3f3_x
m СГГПЗ
...... •
Processing log
RM file name default name
И И
ALL 100 ; ;
Cor name RM step St. per side •
1 4f3_x 20,000 - 5,000
2 2fl_x 100,000 с 3,000 С
3 rm5 120.000 4,000 ;
4 rm4 140,000 - 3,000 *
5 4fl_x 100,000 с 8,000 С
Б lf3_x 100,000 * 6,000
7 гпб 100,000 - 4,000 *
8 lfl_x 160,000 с 7,000 С
9 4f2_x 200,000 * 4,000
10 ГГП7 100,000 - 5,000 *
11 rm3 100,000 z 5,000 Z
Stop Procedure_|
Рис. 8. Главное окно программы rrnc по измерению матрицы накопителя-охладителя
5.1. Обслуживание „ручек". Нередко для корректировки параметров ускорителя требуется задавать изменение тока не одного магнитного элемента, а нескольких, где шаг у каждого является строго индивидуальным. Когда подобная операция происходит часто, то появляется необходимость иметь службу (knobd), регулярно выполняющую создание и работу т. н, „ручек".
На рис. 9 отображено окно управления программы knob, которое позволяет пользователю из дерева устройств инжекционного комплекса (слова) выбрать нужные и задать
персональное изменение тока при шаге (область сверху в центре).
""
"
можно получить информацию об элементах и шагах, содержащихся в ней (сверху справа), а также выполнить процесс сдвига в двух вариантах: либо на единичный шаг, либо на
произвольный, с заданным множителем (снизу).
"
"
таблица, содержащая ее, будет обновлена у всех пользовательских приложений.
Именно такой возможностью пользуется гтс_ргос — обработка измеренной матрицы отклика. В окне этого приложения (рис. 10) выбирается матрица, отображаются ее сингулярные числа и но выбранным пользователем числам происходит вычисление нсевдооб-
"
выно.иняющая сдвиг, и передается в knobd.
softDev И) vacuum
Thermostabilization t4 scopes
л ic
> Й ¡c_«F
> Îfsyn
> чрф linac
* kickers " Л ring
ringmag 0 ringorbitcor »-# ringquadcor Л ring sy id ringsx tp| ringRF 9 ringDiag И K500 И) unused
Lens name Delta per step
1 dim 0.000 z
2 qdl 0,000 z
3 qfln2 0.000
4 qf4 0.000 z
5 qd2 0,000 z
6 qd3 0,000 ;
7 qf3 0.000 ;
Handle info
Name: clF4_z -119.0
Name; c2F4_z -1286.0 Name: c4f3_x -1149.0 Name: c3f3_x -134,0
Name: c4d3_z Name: c3d3_z 1243.0
Name: c4F4_z 184.0 Name: clf3_x -286.0
Name: cld3_z 1231.0 Name: c2f3_x -1525.0 Name: c2d3_z 458.0
I Step:
I Step:
I Step:
I Step:
I Step: -15.0 I Step:
I Step:
I Step:
I Step:
I Step:
I Step:
°el I
Handle name Description
l orbit СОГГ e2v4 orbit
2 nux +0.001 nux +0.001 nuy 0 fl,2 dl
3 qf3 +0.1 qf3 +0.1 step
4 qd3 +0.1
5 nuy -0.003 nuy -0.003 Sofya experiment
6 nuy 0.0055 nuy 0.0055 Sofya experiment
7 nux 0.0055 nux 0.0055 Sofya experiment
В nuy +0.003... nuy step up +0.003 base current
С°РУ « I |t |_
Рис. 9. Главное окно программы knob для создания «ручек»
В данном случае „ручка" представляет собой список магнитных элементов, варьированием которых измерялись матрица отклика и соответствующий ей список шагов каждого элемента, значение которых было получено умножением нсевдообратпой матрицы па столбец заданных смещений.
"
плекса, по и другие программы. Один из таких примеров — re.sp, которая измеряет
зависимость захваченных накопителем-охладителем частиц от бетатроппых частот пако-
"
(которых) будут изменяться бетатроппые частоты, и регистрировать изменение захватываемого количества частиц при каждом сдвиге. Таким образом, получается двумерное
"
тированных частиц, и но нему можно определить, не существует .ни поблизости от текущих значений ДЧБЧ других, где в процессе ипжекции захват будет лучше.
Один из примеров использования inj_ re.sp приведен ниже. Была измерена зависимость захваченных накопителем-охладителем позитронов от бетатроппых частот в режиме работы па коллайдер ВЭПП-2000 (рис. 12). Четко видно, что в непосредственной близости от текущих бетатроппых частот есть другая точка, с большой величиной захвата частиц (при этом также происходило уменьшение биений бетатроппых колебаний пучка).
Ввиду того, что сканирование но частотам выполнялось при помощи созданных „ру-"
получив увеличение инжектированных позитронов в НО.
[=1 RM calc л _ □ X
Load Matrix Cale Reverse Save Reverse |reverse_matrix_name Orbit shift
Named ef_h_n a me Save Handle -2,0 Z 0,0 ;
Description defhdescr 2,0 : 0,0 |C Ii I.II 1.
O.Ol 0.008 0.006 0.004 0.002 0 2,0 ; -1,0 ;
• o.o |t o.o : -l.o : -l.o : o.o : 0,5 : 2.0 : l.o : -2,0 : o.o : 0.0 |î 1,2 ; 1,0 ; 0,0 ; -l.o ; o,o ; -l.o ; 5,4 :
• 2,o ; 2,i :
î.o : o.o :
0 4 8 10 12 14 16 18 20 2 î.o : o.o :
Matrix loaded
Рис. 10. Главное окно программы гтпс_ргос по обработке измеренной матрицы отклика
InjResp a _ □ X
Handle #1 Handle #2 n shots 13 С n mesh 3 : Start
Handle name Description -
1 d3 +0.5 d3 +0.5
2 f3 +0.5 f3 +0.5 -
3 + 0.003 nux,.. Handle for nux step +0.003 groups D3, F3
4 orbit p2v2 orbit corr
5 def_h_name def_h_descr
6 nux +0.001 rux +0.001 njy 0 fl,2 dl
7 qf3 +0.1 qf3 +0.1 step
nH3 +{] 1 »
Progress 0% 1
Рис. 11. Окно программы т.чр, позволяющее выбрать одну или две ручки для снятия карты ннжекцнн. количество циклов для усреднения и количество узлов сетки
Заключение. Для ипжекциошюго комплекса ВЭПП-5 (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) было реализовано программное обеспечение но контролю параметров пучка и созданы службы, позволяющие автоматизировать работу с ускорителем. Они покрывают широкий спектр задач, начиная от обработки данных с датчиков положения пучка и их отображения, заканчивая измерением матрицы отклика накопителя-охладителя и формированием „ручек". Эти инструменты позволяют проводить эксперименты по изучению параметров пучка, влиянию па них подсистем ускорителя, что опосредованно можно использовать и как способ дня изучения самих этих подсистем. Также разработанное программное обеспечение облегчает решение ключевых задач при наладке ускорителя, таких как изменение рабочей энергии накопителя-охладителя комплекса, создание локальных искажений положения пучка в вакуумной камере накопителя-охладителя, изменение его бетатроппых частот.
Точка с лучшей
Текущая
рабочая точка
Рис. 12. Зависимость захваченных накопителем-охладителем позитронов от бетатронных частот накопителя-охладителя в режиме работы на коллайдер ВЭПП-2000
Как итог, созданными программными инструментами была измерена зависимость захваченных накопителем-охладителем позитронов в режиме работы на коллайдер ВЭПП-2000 и были обнаружены значения бетатронных частот, соотвествующих большому числу инжектированных частиц. Сейчас нободные измерения и последующие корректировки магнитной системы могут проводиться регулярно и стать неотъемлемой частью процесса настройки инжекционного комплекса.
Список литературы
1. Astrelina К. V. ct al. Production of intense positron beams at the VEPP-5 injection complex /7 JETP, 2008, Vol. 106, P. 94 114.
2. Maltseva Yu. ct al. VEPP-5 Injection Complex: New Possibilities for BINP Electron-Positron Colliders /7 in Proc. IPAC'18, Vancouver, Canada, Paper MOPMKOll, DOI: 10.18429/JACoW-1РАС2018-МОРМКОП.
3. Zhuravlcv A. N. ct al. Status of VEPP-4 accelerator complex /7 Pep an Letters. 2020, Vol. 17, N 7 232, P. 876 893.
4. Shatunov P. ct al. High luminosity at VEPP-2000 collider with new injector /7 in Proc. IPAC'17, Copenhagen, Denmark, Paper WEPIK029, DOI: 10.18429/.JACoW-IPAC2017- WEPIK029.
5. Shen G. ct. al. Prototype of beam commissioning environment and its application for NSLS-II /7 in Proc. IPAC10, Kyoto, .Japan, Paper WEPEB026, DOI: 10.18429/.JACoW-IPAC2010- WEPEB026.
6. Романов А. Л. Настройка орбиты и электронно-оптической структуры накопителя ВЭПП-2000 методом матриц откликов / диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, г. Новосибирск, 2011 г.
7. Шатунов П. Ю. Магнитная система накопителя с алектрон-позитронными встречными пучками ВЭПП-2000 / диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, i\ Новосибирск, 2011 г.
8. Rogovskv Yu. A., Bekhtenev Е. A. Pickup beam measurement system at the VEPP-2000 collider /7 in Proc. DIPAC2011, Hamburg, Germany, Paper MOPD68, DOI: 10.18429/.JACoW-DIPAC2011-MOPD68.
9. Jaequet D. ct al. LSA-thc high level application software of the LHC and its performance during the first 3 years of operation /7 in Proc. ICALEPCS2013, San Francisco, CA, USA, Paper THPPC058, DOI: 10.18429/JACoW-ICALEPCS2013- THPPC058.
10. Miller G. .J. ct al. Toolchain for online modeling of the LHC /7 in Proc. ICALEPCS2011, Grenoble, France, Paper MOPMNOI8, DOI: 10.18429/JACoW-ICALEPCS2011- MOPMNQ18.
11. Bolkhovityanov D., Emanov F. A. VEPP-5 injection complex control system base software upgrade /7 in Proc. RuPAC2018, Protvino, Russia, Paper THPSC07, DOI: 10.18429/JaCOW-RUPAC2018-THPSC07.
12. Bolkhovityanov D., Cheblakov P., Emanov F. A. CXv4, a modular control system /7 in Proc. ICALEPCS2015, Melbourne, Australia, Paper WEPGF093, DOI: 10.18429/JACoW-ICALEPCS2015-WEPGF093.
13. Safranek .J. Experimental determination of storage ring optics using orbit response measurements /7 Nuel. Instrum. Methods. 1997. A. 388, P. 27.
B.B. Балакин ас-
пирант, старший .лаборант Института ядерной физики им. Г. Будкера и ассистент преподавателя Новосибирских) гоеударетвенно-IX) технических) университета, balakinvitalyv@gmail.com, vit.v.balakinO inp.nsk.su, тел. 8-953-859-1745.
Области научных интересов: физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника, автоматизация, разработка программного обеспечения для ускорительных и промышленных установок.
Основные научные достижения: изучение коллективных эффектов, приводящих к удлинению и искажению формы пучка на накопителе-охладителе инжекционного комплекса ВЭПП-5, построение модели продоль-Hoix) импеданса связи накопителя-охладителя, разработка программных инструментов контроля и управления параметрами пучка накопителя-охладителя инжекционного комплекса ВЭПП-5.
V. Balakin Budker institute of
nuclear physics PhD student and Novosibirsk state technical university teaching assistant, balakinvitalyvOgmail.com, vit.v.balakin® inp.nsk.su, +7-953-859-1745.
Research interests: physics of charged particle beams and accelerator technology, automation, software development for accelerator and industrial installations.
Main scientific achievements: the study of collective beam effects leading to the lengthening
and distortion of the beam shape on VEPP-5 injection complex Damping ring, building the the longitudinal coupling impedance model of the Damping ring, development of software tools for monitoring and controlling the beam parameters of the VEPP-5 injection complex Damping ring.
Ф. А. Еманов научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. Будкера и старший преподаватель Новосибирских) 1Х)сударственно1Х) университета, f . а. emanov@inp. nsk.su, тел. 8-913-379-73-62.
Области научных интересов: физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника, линейные ускорители, диагностика пучков заряженных частиц, автоматизация.
Основные научные достижения: получение интенсивных нозитронных пучков на инжекци-онном комлексе ВЭПП-5, разработка программных средств конфигурирования и группового управления устройствами ПК ВЭПП-5.
F. A. Emanov Budker institute of nuclear physics researcher and Novosibirsk state university senior teacher, f.a.emanov@inp.nsk.su, 8-913379-73-62.
Research interests: physics of charged particle beams and accelerator technology, linear accelerators, beam diagnostic, automation.
Main scientific achievements: production intense positron beam at the VEPP-5 injection complex, development of software for configuration and group control of the VEPP-5 injection complex devices.
Д. Е. Беркаев канд. физ.-мат. наук, заведующий сектором 5-12, заместитель директора Института ядерной физики им. Г. Будке-ра, d.e.berkaev@inp.nsk.su, +7(3832)394823.
Области научных интересов: физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника, физика высоких энергий, автоматизация.
Основные научные достижения: разработка и изучение кольца для поляризованных электронов в проекте cRHIC BNL (США), разработка и создание магнитных элементов для H-Laser Stripping Device для SNS ORNL, разработка электронного канала для Электронно-Ионного Коллайдера (EIC) в проекте FAIR (Германия), диссертация „Инжекция электронов и позитронов в коллайдер ВЭПП-2000", участие в разработке различных магнитных элементов кольца
CR в проекте FAIR (Германия), руководитель работ на Инжекционном комплексе ВЭПП-5.
D. Berkaev PhD in Physics and Math, head of sector 5-12, deputy director of Budker institute of nuclear physics, d.e .berkaev®inp. nsk.su, +7(3832)394823.
Research interests: physics of charged particle beams and accelerator technology, high energy physics, automation.
Main scientific achievements: development and study of the ring for polarized electrons in the project eRHIC BNL (USA), magnets development and creating for H-Laser Stripping Device for SNS ORNL, electron channel development for electron-ion collider (EIC) in FAIR project (Germany), PhD thesis „Injection of electrons and positrons into VEPP-2000", participation in development of different CR magnets in FAIR project (Germany), VEPP-5 injection complex supervisor.
Дата поступления 22.09.2021
