ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 11, с. 37-40
УДК 621.384.633
СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ПУЧКА СИ
© 2004 г. А. Н. Артемьев, А. Г. Валентинов, А. В. Забелин, Ю. В. Крылов, А. Г. Маевский, К. Г. Потловский, В. А. Резвов, Л. И. Юдин, Ю. Л. Юпинов
Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва, Россия Поступила в редакцию 26.11.2003 г.
Описана система наблюдения и стабилизации положения рентгеновского пучка синхротронного излучения на экспериментальной станции пользователя СИ. Система состоит из люминофора, регистрирующего неиспользуемую часть пучка СИ, и телекамеры. Телевизионный сигнал оцифровывается и обрабатывается ЭВМ. Разработанные ранее программы обеспечивают обработку изображения пучка, определяя его центр тяжести. Цифровая обратная связь с системой управления накопителем обеспечивает коррекцию положения пучка СИ на данной станции. Получена статистическая неопределенность положения пучка СИ на люминофоре около 10 мкм при времени измерения около 10 с. Разрабатывается система одновременного поддержания положения пучка в нескольких каналах СИ.
ВВЕДЕНИЕ
Большинство экспериментов с синхротрон-ным излучением требует постоянного положения пучка СИ на образце. Требования к точности и стабильности положения пучка меняются в весьма широких пределах. Например, для глубокой рентгеновской литографии [1], где проводится вертикальное сканирование образца поперек пучка, эти требования минимальны, и точность положения пучка может быть порядка миллиметра. Практически достаточно, чтобы пучок СИ при своих перемещениях во время эксперимента не слишком сильно ограничивался входным коллиматором. Наоборот, когда необходимо "попадать" сфокусированным пучком СИ в микрообразец, тогда требования резко ужесточаются, и точность может составлять единицы микрон. Системы стабилизации пучков СИ достигли высокой степени совершенства [2].
К сожалению, изначально накопители не обеспечивают подобную стабильность положения пучков СИ. Особенно серьезно стоит эта проблема в накопителях, осуществляющих инжекцию электронов на пониженных энергиях и только после накопления увеличивающих энергию электронов до номинальной. Например, для источника СИ (РНЦ "Курчатовский институт") [3] инжекция электронов в большой накопитель проводится из малого накопителя на энергии 450 МэВ. Рабочая энергия большого накопителя составляет 2.5 ГэВ. Грубая оценка показывает, что при этом ток в поворотных магнитах большого накопителя изменяется почти в шесть раз, и соответствующее тепловыделение изменяется более чем в 30 раз. Таким образом, при каждом накоплении происходит существенное изменение теплового режима накопителя. По-видимому, за счет теплового расши-
рения элементы магнитной системы накопителя сдвигаются, что и приводит к смещению пучков СИ на входе в экспериментальные станции. Еще большее смещение пучков СИ имеет место при включении накопительного комплекса после более или менее длительного простоя в выключенном состоянии. В нашем случае такие сдвиги достигают полутора миллиметров.
Мы разработали систему наблюдения за пучком СИ и систему обратной связи, позволяющую поддерживать положение пучка СИ в месте расположения экспериментальной станции практически при любом состоянии прогрева накопительного комплекса с точностью и стабильностью положения порядка десяти микрон.
СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПУЧКОМ СИ
Система наблюдения за пучком СИ разрабатывалась нами в течение ряда лет. Отдельные этапы этой разработки опубликованы ранее [47]. Система, описываемая в настоящей работе, установлена на канале 6.2 Курчатовского источника СИ. Расстояние от точки излучения до системы наблюдения составляет 19.5 м. Выходящий в атмосферу через Ве-фольги белый пучок СИ делится на две части. Одна часть шириной 8 мм используется для экспериментов по EXAFS [8] и исследованию рентгеновских линз [9]. Другая часть шириной около 10 мм фильтруется поглотителем (100 мкм Ta + 400 мкм Cu) и попадает на люминофор, установленный под углом 45° к оси пучка. Сверху за люминофором наблюдает телекамера "Pinnacle". Фильтрующий поглотитель подбирается так, чтобы телекамера не входила в режим насыщения при максимальном используемом токе накопителя.
Рис. 1. Интерфейс программы обработки телевизионного изображения.
Рис. 2. Схема системы обратной связи, используемой для стабилизации вертикального положения пучка СИ.
Оптическое изображение рентгеновского пучка СИ фиксируется телекамерой, оцифровывается коммерческой платой ввода "Pinnacle Systems" ТВ-изображения в компьютер IBM-Pentium-4. Программа обработки [7] обеспечивает в режиме "online" представление вертикального и горизонтального профилей пучка, их ширины и положения, центра тяжести профиля. Получается информация как об отдельных кадрах, так и о серии ТВ-кадров, проинтегрированных в одном массиве. В результате накопления цифровой информации отношение сигнал/шум возрастает в десятки раз. На рис. 1 показан интерфейс программы обработки телевизионного изображения.
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
На рис. 2 дана схема системы обратной связи (ОС) стабилизации пучка СИ. Телевизионное изображение серии кадров обрабатывается и вычисляется положение центра тяжести вертикального распределения пучка. Полученное значение центра тяжести сравнивается с ранее введенным значением, разница отправляется по локальной компьютерной сети в систему управления накопителем. Система управления накопителем вырабатывает совокупность системы токов в соответствующих корректорах, которые сдвигают положение пучка электронов в точке излучения соответствующего канала вывода СИ. В нашем случае задействовано четыре корректора накопителя. В типич-
СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ПУЧКА СИ
39
ном случае суммируется 64 телевизионных кадра, время накопления информации о положении пучка составляет 10 с. Желаемое положение центра тяжести пучка СИ вводится пользователем СИ в компьютер пользователя.
На рис. 3 показана часть магнитной системы накопителя, использованной для стабилизации вертикального положения пучка СИ в одном канале. Для стабилизации пучка здесь используется четыре корректора.
На рис. 4а показана зависимость вертикального положения пучка СИ от времени в различных условиях. По оси абсцисс указано время, по оси ординат - вертикальное положение пучка СИ в микронах.
Первые 25 мин обратная связь не работает, и пучок СИ медленно дрейфует вверх от -900 до -800 мкм. Следующие 25 мин включена ОС с уставкой положения пучка -1150 мкм. Видно, что пучок удерживается ОС вблизи этого значения. Далее уставка была изменена до величины 0 мкм, и пучок был подвинут ОС до этого положения. По двум показанным на рис. 4а переходным процессам можно оценить постоянную времени системы ОС. Она оказывается около 20 с и определяется временем измерения одного значения положения центра тяжести пучка СИ, которое составляет 10 с. Следующие 7 ч пучок СИ удерживается возле номинальной величины 0 мм. Дисперсия вертикального положения пучка СИ за первые сорок минут после включения ОС составляет 11 мкм. Средний ток накопителя за это время составлял 18 мА.
Видно, что статистические отклонения отдельных измерений от среднего положения со временем увеличиваются. Это соответствует уменьшению тока в накопителе за счет конечного времени жизни и соответствующему уменьшению статистической точности измерения положения пучка СИ за фиксированное время.
На рис. 46 приведена соответствующая рис. 4а зависимость тока в одном из корректоров магнитной системы накопителя, а именно, в корректоре, предшествующем используемому поворотному магниту. Видно, что в момент включения ОС ток корректора резко меняется (полтора часа после начала наблюдения), и затем он медленно дрейфует, обеспечивая постоянство положения пучка СИ.
Очевидно, что необходимо стабилизировать пучки во всех каналах накопителя. Для решения этой задачи, хотя бы в первом приближении мы разбили все каналы накопителя на группы в соответствии со структурой магнитной системы накопителя. Всего таких групп шесть. Все пучки СИ в каналах, находящиеся в пределах одной группы из шести, двигаются одной системой корректоров (четыре корректора). Токи в корректорах одной группы из шести меняются одновременно и про-
Рис. 3. Схема части магнитной системы накопителя, применяемой для стабилизации вертикального положения пучка СИ: 1 - стабилизируемый пучок СИ; 2 -поворотные магниты накопителя; 3 - используемые корректоры магнитной системы.
Положение пучка СИ, 200
0
-200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400
Ток в корректоре, А -1.4
-1.6
-1.8
-2.0
-2.2
-2.4
-2.6
мкм
(а)
8
г, ч
(б)
0
г, ч
Рис. 4. Зависимость вертикального положения пучка СИ от времени в различных условиях (а); зависимость тока в выбранном корректоре магнитной системы накопителя (б).
порционально. Коэффициенты, на которые умножается ток каждого корректора, разные и подобраны так, чтобы минимизировать совокупное влияние корректоров одной группы на пучки СИ
4
6
8
другой группы. На сегодня такое влияние составляет несколько процентов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Описанная выше система обратной связи на одном из каналов Курчатовского источника СИ находится в эксплуатации в течение полугода. Ведется работа по введению подобных систем на другие каналы СИ. Следует отметить, что простым очевидным шагом усовершенствования описанной выше системы является введение дистанционно меняемого фильтрующего поглотителя перед люминофором. Это позволит резко расширить диапазон токов накопителя, при котором будет работать система ОС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Artemiev A.N., Bushev I.N., Kolyasnikov V.A. et al. //
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1998. V. 405.
P. 496.
2. Schilcher T., Boge M, Chrin J. et al. // SRN. 2003. V. 16. № 1. P. 26.
3. Belyaev S.T., Stankevitch V.G., Artemiev A.N. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2000. V. 448. P. 1.
4. Yudin L I., Mikhailov V., Rezvov V.A. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1998. V. 405. P. 265.
5. Artemiev A.N., Artemiev N.A., Yudin L I. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2000. V. 448. P. 211.
6. Артемьев А
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.