Создано программное обеспечение для мониторинга и коррекции сбоев магнитной системы ускорительного комплекса СКИФ
Молодые ученые ЦКП «СКИФ» и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН разработали три метода и создали программы для измерения и коррекции ошибок магнитной системы в ускорительном комплексе ЦКП «СКИФ». Эти методы позволят получить проектные параметры магнитной системы накопителя, благодаря чему будет достигнут требуемый эмиттанс (фазовый объем пучка) и получена необходимая яркость излучения.
Ускорительный комплекс СКИФ включает в себя линейный ускоритель, где электроны рождаются, формируются в пучки, получают начальное ускорение и энергию 200 МэВ, бустерный синхротрон, где пучки электронов разгоняются до рабочей энергии 3 ГэВ, и основное накопительное кольцо, где электронные пучки, проходя через магнитное поле поворотных магнитов или специальных устройств генерации (вигглеров и ондуляторов), генерируют синхротронное излучение (СИ). Накопительное кольцо СКИФ включает в себя более 1000 элементов – фокусирующих и поворотных магнитов. Для того чтобы пучок был стабилен и соответствовал заявленным параметрам, все элементы по орбите кольца должны работать с высокой точностью. Неточности при изготовлении магнитов или ошибки в их геодезической выставке приводят к рассогласованию оптических функций накопителя.
«Несмотря на высокую машиностроительную точность при производстве магнитов, прецизионные магнитные измерения каждого из них, использование специальных систем для позиционирования всех элементов, этих усилий недостаточно для получения проектных параметров накопителя ЦКП «СКИФ». Наблюдение за периодическим движением пучка электронов позволит определить и скорректировать возможные источники возмущения в процессе работы установки. В данном случае сам пучок является сверхточным измерительным инструментом, так как система измерения его положения позволит определять орбиту пучка с точностью около 100 нм», - объясняет заместитель директора по научной работе ЦКП «СКИФ» к.ф.-м.н. Павел Пиминов.
Для измерения и коррекции магнитной структуры ускорителя ученые ЦКП «СКИФ» и ИЯФ СО РАН разработали методы и создали программы, которые, анализируя данные, получаемые с ускорителя, способны обнаружить возмущения в структуре, локализовать их положение, а затем компенсировать. Подобные методы используются и на других ускорителях, в том числе и на источниках СИ. Однако каждый ускоритель - уникальная научная установка, поэтому для достижения проектных параметров необходимо значительное усовершенствование и модернизация существующих методов.
Младший научный сотрудник ЦКП «СКИФ», аспирант Института ядерной физики СО РАН Расим Мамутов разработал программный комплекс для автоматизированной настройки бустерного и накопительного колец СКИФа. Программа получает данные о положении замкнутой орбиты пучка электронов при вариации дипольных корректирующих магнитов. Анализ этих данных позволяет восстановить магнитную структуру накопителя и определить источники возмущений. На основе проектной модели накопительного кольца СКИФ смоделированы первоначальный запуск установки и получение проектных параметров. Когда начнется работа с пучком, программа будет адаптирована к инфраструктуре реальной установки и начнет активно использоваться.
«В перспективе мы хотим, чтобы оператор принимал минимальное участие в процессе настройки и корректировки, потому что периметр накопительного кольца — 476 метров, в нем установлено более тысячи магнитных элементов, более 200 датчиков положения пучка. Вручную проследить за всеми данными и сделать вывод, где нужна коррекция, просто невозможно, особенно в условиях жесткой фокусировки. Соответственно, алгоритм сам должен контролировать работу и выставлять правильную конфигурацию магнитной структуры», — рассказывает разработчик программы Расим Мамутов.
Программа, разработанная научным сотрудником ЦКП «СКИФ» и ИЯФ СО РАН Иваном Морозовым, анализирует оптические функции ускорителя на основе положения пучка на каждом обороте кольцевого источника. При инжекции (впуске нового пучка электронов в накопитель) или однократном ударе по пучку, возникают его колебания относительно замкнутой орбиты, параметры этих колебаний позволяют восстановить оптические функции ускорителя и проанализировать работу магнитной системы.
«Моя программа позволяет выполнять быстрые измерения оптических функций на основе пооборотных положений пучка. Программа может работать в фоновом режиме и в реальном времени собирать данные с датчиков положения пучка, расположенных по всему периметру накопительного кольца. На начальном этапе работы анализировать данные измерений и при необходимости корректировать настройки системы будет оператор. После апробации алгоритма на СКИФе, программа будет дорабатываться и автоматизироваться», — рассказал автор разработки Иван Морозов.
Третий метод разработан младшим научным сотрудником ЦКП «СКИФ» и ИЯФ СО РАН Дарьей Дороховой. Программа направлена на определение оптических функций из пооборотных измерений положения пучка, который совершает вынужденные колебания. Подобные колебания возбуждаются периодическим электромагнитным полем, создаваемым парой пластин, на собственной частоте колебаний электронного пучка.
Вынужденные колебания позволяют анализировать больший временной диапазон. Программа получает данные с датчиков положения пучка, после чего специальный алгоритм на основе полученной информации рассчитывает оптические параметры ускорителя и сравнивает их с проектной моделью. Если системы работают корректно, параметры будут совпадать, при обнаружении возмущения (расхождения с проектными параметрами), оператор получит понимание того, на каком участке кольца требуется коррекция магнитной системы.
Все три разработанные программы используют разные подходы к решению задачи коррекции магнитной системы для обеспечения качественной работы пользователей. Алгоритмы будут дополнять друг друга и служить независимыми методами диагностики магнитной системы. В перспективе возможно объединение алгоритмов в единый программный пакет для глобальной коррекции оптики ускорительного комплекса СКИФ. Программы успешно протестированы на ускорительном комплексе ВЭПП-4 в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и после запуска СКИФа будут контролировать работу ускорительного комплекса новой установки.
