RU2689297C1 - Method of synchronizing devices in electron synchrotrons of synchrotron radiation sources - Google Patents
Method of synchronizing devices in electron synchrotrons of synchrotron radiation sources Download PDFInfo
- Publication number
- RU2689297C1 RU2689297C1 RU2018134054A RU2018134054A RU2689297C1 RU 2689297 C1 RU2689297 C1 RU 2689297C1 RU 2018134054 A RU2018134054 A RU 2018134054A RU 2018134054 A RU2018134054 A RU 2018134054A RU 2689297 C1 RU2689297 C1 RU 2689297C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- synchronization
- signals
- synchrotron
- pulses
- signal
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000005469 synchrotron radiation Effects 0.000 title claims description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 7
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000012536 storage buffer Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
- H05H13/04—Synchrotrons
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение предназначено для получения точных синхронизирующих импульсов для устройств, располагаемых по периметру кольца электронного синхротрона-накопителя. Изобретение может быть использовано в системах временной синхронизации множества разнесенных по периметру электронного синхротрона отдельных сетевых узлов с опорной точкой отсчета времени.The invention is intended to obtain accurate synchronizing pulses for devices located around the perimeter of the ring of the electron synchrotron drive. The invention can be used in time synchronization systems of a plurality of separate network nodes spaced apart along the perimeter of the electron synchrotron with a reference time reference point.
Уровень техникиThe level of technology
Синхронизация строится на технологии синхронных событий (см. например, Korhonen Т., Review of Accelerator Timing Systems, International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems, 1999, Trieste, Italy, pp. 167-170). Система синхронизации включает в себя генератор событий, передатчики и приемники таймерных сигналов. Генератор событий, как правило, синхронизируется с высокочастотным задающим генератором ускоряющей секции. События в виде отдельных импульсов или пакетов данных распространяются к приемникам таймерных сигналов, распределенным по прилегающей к синхротрону площади. Сигналы распространяются по оптическим или медным кабелям. При необходимости сокращения общей длины соединений используются размножители и маршрутизаторы таймерных сигналов, преобразователи уровней сигналов и прочее коммуникационное оборудование.Synchronization is based on technology of synchronous events (see, for example, Korhonen T., Review of Accelerator Timing Systems, International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems, 1999, Trieste, Italy, pp. 167-170). The synchronization system includes an event generator, transmitters and receivers of timer signals. The event generator, as a rule, is synchronized with the high-frequency master oscillator of the accelerating section. Events in the form of individual pulses or data packets are distributed to receivers of timer signals distributed over the area adjacent to the synchrotron. Signals are distributed via optical or copper cables. If it is necessary to reduce the total length of the connections, multipliers and time signal signal routers, signal level converters and other communication equipment are used.
В силу того, что электронные синхротроны характеризуются значительными размерами, в периметре достигая до 2 км, например, PETRAIII -лаборатория DESY, Германия (Bieler М. et al, PETRA III OPERATION, Proceedings of IPAC2017, 2017, Copenhagen, Denmark, pp.2589-2591), данная система обладает тем недостатком, что использование для передачи сигнала кабелей большой длины приводит к заметной температурной зависимости времени распространения сигнала.Due to the fact that electron synchrotrons are characterized by considerable size, reaching up to 2 km in the perimeter, for example, PETRAIII laboratory DESY, Germany (Bieler M. et al, PETRA III OPERATION, Proceedings of IPAC2017, 2017, Copenhagen, Denmark, pp.2589 -2591), this system has the disadvantage that the use of long cables for signal transmission leads to a noticeable temperature dependence of the signal propagation time.
Ближайшим аналогом (прототипом) может служить, к примеру, способ синхронизации, лежащий в основе, системы синхронизации ускорительного комплекса КЕКВ (см. Naito Т. et.al., The Synchronizing Scheme for KEKB, Proceedings of the ICALEPCS'97 Conference, 1997) Так, известная система синхронизации использует инструментарий системы EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System) и большой набор входных/выходных контроллеров, распределенных по локальным станциям. Система включает ускоряющую секцию кольца электронного синхротрона-накопителя, штатную таймерную систему, содержащую задающий генератор, генератор событий, разветвитель сигналов и приемник таймерных сигналов - синхронизируемое устройство. Способ синхронизации заключается в том, что импульс, сгенерированный в центральной системе, передается по оптоволоконной системе с фазовой стабилизацией к приемникам таймерных сигналов, таким образом синхронизируя их работу. Используется оптоволоконный кабель с тепловым коэффициентом 0.04ррm/°С. Измерения на термостабилизированных оптических кабелях показывают, что только на этих кабелях нестабильность задержки может достигать трехсот пикосекунд на километр длины. Каждый приемник и передатчик имеют тепловые коэффициенты 0.45пс/°С и 0.5пс°С соответственно. Однако такая система способна обеспечить требуемую стабильность импульса в диапазоне температур 0 - 30°С при длине кабеля порядка 200 м. Для кабеля длиной около 2-х километров, который необходим для синхронизации удаленных устройств, невозможно обеспечить требуемую стабильность без использования системы обратной связи.The closest analogue (prototype) is, for example, the synchronization method underlying the synchronization system of the KEKB accelerator complex (see Naito T. et.al., The Synchronizing Scheme for KEKB, Proceedings of the ICALEPCS'97 Conference, 1997) Thus, the well-known synchronization system uses the EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System) tools and a large set of input / output controllers distributed to local stations. The system includes an accelerating section of the electron synchrotron drive ring, a standard timer system containing a master oscillator, an event generator, a signal splitter and a timer signal receiver — a synchronized device. The synchronization method consists in the fact that the pulse generated in the central system is transmitted via a fiber-optic system with phase stabilization to the receivers of the timer signals, thus synchronizing their operation. A fiber optic cable with a thermal coefficient of 0.04rpm / ° C is used. Measurements on thermally stabilized optical cables show that only on these cables the instability of the delay can reach three hundred picoseconds per kilometer of length. Each receiver and transmitter have thermal coefficients of 0.45 ps / ° C and 0.5 ps ° C, respectively. However, such a system is able to provide the required stability of the pulse in the temperature range of 0–30 ° C with a cable length of about 200 m. For a cable about 2 kilometers long, which is necessary for synchronization of remote devices, it is impossible to provide the required stability without using a feedback system.
Недостаток прототипа заключается в том, что данный способ требует создания достаточно дорогостоящей системы синхронизации и требует большого количества кабелей, передатчиков и приемников, что применяется обычно только в быстрых таймерных системах, для передачи наиболее важных сигналов.The disadvantage of the prototype is that this method requires the creation of a sufficiently expensive synchronization system and requires a large number of cables, transmitters and receivers, which is usually used only in fast timer systems to transmit the most important signals.
Помимо недостатков известного способа синхронизации, возникающих из-за температурной зависимости времени распространения сигнала при передаче сигнала по оптоволоконным или медным кабелям большой длины, используемые электронные устройства, например, декодеры, разветвители сигналов и пр., также добавляют случайную составляющую ко времени распространения. Измерения на термостабилизированных оптических кабелях показывают, что только на этих кабелях нестабильность задержки может достигать трехсот пикосекунд на километр длины.In addition to the disadvantages of the known synchronization method, which arises due to the temperature dependence of the propagation time of a signal when transmitting a signal over fiber optic or copper cables of great length, used electronic devices, such as decoders, signal splitters, etc., also add a random component to the propagation time. Measurements on thermally stabilized optical cables show that only on these cables the instability of the delay can reach three hundred picoseconds per kilometer of length.
Исходя из этого, возникает техническая проблема, заключающаяся в нестабильности времени задержки сигнала. Сигнал должен достигнуть исполнительного устройства в момент времени Т0. В реальности, из-за перечисленных выше причин, время появления импульса характеризуется интервалом неопределенности ΔТ длительностью до нескольких сотен пикосекунд.On this basis, a technical problem arises, consisting in the instability of the signal delay time. The signal must reach the actuator at time T 0 . In reality, due to the reasons listed above, the time of appearance of an impulse is characterized by an interval of uncertainty ΔT with a duration of up to several hundred picoseconds.
Раскрытие сущностиDisclosure entity
Техническим результатом настоящего изобретения является решение обозначенной выше технической проблемы - сокращение интервала неопределенности ΔT и, следовательно, повышение точности синхронизации со ста пикосекунд до единиц пикосекунд.The technical result of the present invention is to solve the above technical problem - reducing the interval of uncertainty ΔT and, consequently, improving the accuracy of synchronization from one hundred picoseconds to units of picoseconds.
Для достижения указанного технического результата предложен способ синхронизации устройств в накопительных электронных синхротронах источников синхротронного излучения, заключающийся в том, что сигналы от одного или нескольких датчиков тока пучка электронов, расположенных по периметру накопительного синхротрона, преобразуют широкополосным сигнальным трактом, формируя цепочку логических синхроимпульсов, а выбор синхроимпульса для синхронизации устройств осуществляют при поступлении привязанного к фазе ВЧ резонатора синхротрона управляющего импульса, генерируемого штатной таймерной системой, содержащей задающий генератор, генератор событий и распределительные устройства.To achieve this technical result, a method is proposed for synchronizing devices in cumulative electron synchrotrons of synchrotron radiation sources, which consists in that signals from one or more electron beam current sensors located along the cumulative synchrotron convert a broadband signal path, forming a chain of logical synchro pulses a sync pulse to synchronize devices is carried out when a synchrotron is connected to the phase of the high-frequency resonator a control pulse generated by a regular timer system containing a master oscillator, an event generator and switchgears.
Кроме того, формируют синхроимпульсы P1...Pk-1, Pk, Рk+1...PN, P1...N, где N - число сгустков электронов пучка от повторяющихся сигналов датчиков тока с периодом TRF и нужный для синхронизации устройства синхроимпульс Рk выбирают подачей с опережением управляющего импульса, который приходит на синхронизируемое устройство в интервале Т0±ДТ/2 и формирует с задержкой TDEL, образуемой преобразователями и логическими элементами, сигнал разрешения длительностью TEN, при этом момент времени Т0 выбирают таким образом, чтобы время начала сигнала разрешения, находящееся в интервале между Т0+ΔТ/2+TDEL и Т0-ΔТ/2+TDEL попадало в промежуток между двумя синхроимпульсами Pk-1 и Рk, а длительность сигнала разрешения TEN выбирают равным периоду следования синхроимпульсов TRF.In addition, sync pulses P 1 ... P k-1 , P k , P k + 1 ... P N , P 1 ... N are formed , where N is the number of electron bunches from the repeating signals of current sensors with a period T The RF and the sync pulse R k needed for synchronization of the device are chosen by advancing the control pulse that arrives at the synchronized device in the interval T 0 ± DT / 2 and with a delay T DEL formed by the converters and logic elements, the enable signal with the duration T EN , while at time T 0 is chosen so that the start signal res Nia, which is in the range between T 0 +? T / 2 + T DEL -ΔT 0 and T / 2 + T DEL falls within the interval between two sync pulses P k-1 and P k, and the duration T EN permission signal is selected equal to the period following the clock T RF .
Суть изобретения состоит в том, что в дополнение к сигналам штатной таймерной системе, построенной по схеме звезды, кольцевой, или по древовидной схеме, в способе использует сигналы от датчиков тока пучка электронов синхротрона-накопителя, обладающие более стабильными временными параметрами, чем сигналы штатной таймерной системы, распространяющиеся по медным или оптическим кабелям.The essence of the invention is that, in addition to the signals of the standard timer system built according to the star, ring, or tree scheme, the method uses signals from the synchrotron drive electron beam current sensors that have more stable timing parameters than the regular timer signals Copper or optical cable systems.
Поскольку сигналы от датчиков тока представляют собой цепочку неотличимых друг от друга импульсов, импульсы штатной таймерной системы используются при синхронизации для выделения нужного, то есть предназначенного для синхронизации, импульса тока пучка.Since the signals from current sensors are a chain of pulses that are indistinguishable from each other, the pulses of a regular timer system are used during synchronization to highlight the necessary, that is, intended for synchronization, beam current pulses.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг. 1 - схема синхронизации электронного синхротрона в общем виде,FIG. 1 is a diagram of the synchronization of the electron synchrotron in general,
где:Where:
1 - ускоряющая секция кольца электронного синхротрона-накопителя, выполненная в виде ВЧ-резонатора;1 - accelerating section of the electron synchrotron drive ring, made in the form of an RF resonator;
2 - задающий генератор;2 - master oscillator;
3 - генератор событий;3 - event generator;
4 - разветвитель сигналов;4 - signal splitter;
5 - приемник таймерных сигналов - синхронизируемое устройство;5 - timer signals receiver - synchronized device;
6 - датчик тока пучка;6 - beam current sensor;
11 - широкополосный сигнальный тракт.11 - broadband signal path.
Фиг. 2. Погрешность синхронизации таймерным сигналом, где:FIG. 2. Synchronization error with a timer signal, where:
7 - управляющий импульс.7 - control pulse.
Фиг. 3. Форма импульса с реального датчика тока.FIG. 3. Pulse shape with real current sensor.
Фиг. 4. Временная диаграмма сигналов синхронизации, где на верхнем графике В показано генерирование циркулирующими в кольце синхротрона электронами повторяющегося сигнала тока с интервалом TRF с формированием синхроимпульсов Pk-1, Pk, Pk+1 и т.д., а на нижнем графике А показан управляющий импульс аналогично фиг. 2, где:FIG. 4. Timing diagram of the synchronization signals, where the upper graph B shows the generation of a repetitive current signal by the electrons circulating in the synchrotron ring with an interval T RF with the formation of the sync pulses P k-1 , P k , P k + 1 , etc., Graph A shows a control pulse similar to FIG. 2, where:
8 - требуемый синхроимпульс тока пучка;8 - required sync pulse current;
9 - следующий за синхроимпульсом импульс тока пучка;9 - a beam current pulse following the sync pulse;
10 - разрешающий сигнал.10 - enabling signal.
Задача синхронизации - синхронизировать все соответствующие компоненты в сколь угодно большом ускорительном комплексе. Часть этой задачи, как правило - управлять инжекцией при помощи запуска источника частиц (пушки) и запуск в нужные моменты компонентов передаточной системы пучка, таких как импульсные магниты инжекции и экстракции пучка. Также компоненты диагностики пучка как мониторы положения, датчики тока, мониторы профилей и т.д. должны быть синхронизированы с процессом проведения пучка в канале.The synchronization task is to synchronize all the corresponding components in an arbitrarily large accelerator complex. Part of this task, as a rule, is to control the injection by launching a particle source (gun) and launching at the right moments the components of the transfer system of the beam, such as pulsed magnets of injection and extraction of the beam. Also beam diagnostic components like position monitors, current sensors, profile monitors, etc. must be synchronized with the process of conducting the beam in the channel.
Другие задачи синхронизации связаны с синхронизацией компонентов с меньшими требованиями к разрешающей способности, например, запуск магнитов на ускоряющих участках. Кроме того, к этой категории относятся такие операционные последовательности, как заполнение накопительного кольца, последовательность измерений и синхронизация орбиты. Такие задачи синхронизации часто относят к «медленным» или «программным». Другим распространенным применением таймерных систем является передача временных меток в процессы системы управления, например, для обеспечения корреляционных измерений, выполняемых одновременно в разных местах. Для достижения этих целей на разных ускорителях применяется множество методов. Подход к синхронизации зависит от требуемого разрешения и точности, а также от масштабов ускорительного комплекса. В некоторых случаях достаточно одного уровня точности для удовлетворения всех потребностей, в других случаях используются сочетания быстрых и медленных методов синхронизации.Other synchronization tasks are related to the synchronization of components with lower resolution requirements, for example, the launch of magnets in accelerating areas. In addition, operating sequences such as the filling of the storage ring, the measurement sequence, and orbit synchronization fall into this category. Such synchronization tasks are often referred to as “slow” or “software”. Another common use of timer systems is the transfer of timestamps into the processes of a control system, for example, to provide correlation measurements performed simultaneously in different places. To achieve these goals in different accelerators used a variety of methods. The approach to synchronization depends on the required resolution and accuracy, as well as on the scale of the accelerator complex. In some cases, a single level of accuracy is sufficient to meet all needs, in other cases, combinations of fast and slow synchronization methods are used.
Одной из основных задач «быстрой» синхронизации является контроль процесса инжекции. Этот тип синхронизации в основном включает в себя устройства для управления быстрым пучком, такие как электронная пушка и импульсные магниты, а также диагностические устройства, например, мониторы положения пучка, датчики тока, затворные камеры и т.д.One of the main tasks of the “fast” synchronization is the control of the injection process. This type of synchronization mainly includes devices for controlling a fast beam, such as an electron gun and pulsed magnets, as well as diagnostic devices such as beam position monitors, current sensors, shutter cameras, etc.
Для синхронизации управления впрыском требуется генерация опорных сигналов (фидуциалов), например, таких как сигнал, указывающий частоту вращения накопительного кольца, или сигнал срабатывания источника частиц. Эти сигналы обычно генерируются из основного высокочастотного сигнала с помощью преобразования с понижением частоты (подсчет) для обеспечения фазовой синхронизации с пучком. Сигналы также обычно синхронизируются с фазой линии электропередачи переменного тока. Сгенерированные фидуциалы должны быть доведены до оборудования.The synchronization of the injection control requires the generation of reference signals (fidcials), such as, for example, a signal indicating the frequency of rotation of the storage ring, or the trigger signal of the source of particles. These signals are usually generated from the main high-frequency signal using a down-conversion (counting) to provide phase synchronization with the beam. The signals are also usually synchronized with the phase of the AC power line. The generated fiducials must be communicated to the equipment.
В принципе задачи «медленной» синхронизации ничем не отличаются от задач «быстрой». Основное различие заключается в том, что требования к временному разрешению более низкие. Кроме того, часто существуют другие типы задач для «медленных» систем, такие как запуск программных процедур, когда требование точности не так велико. Например, медленная синхронизация часто используется для планирования инжекции и измерений путем регулирования задержек в быстрой системе синхронизации. Часто разделение (по крайней мере, в электронных машинах) заключается в том, что медленная таймерная система обеспечивает синхронизацию во временных масштабах одного периода обращения пучка в кольце, в то время как система быстрой синхронизации работает в масштабах одного сгустка (банча).In principle, the tasks of “slow” synchronization are no different from the tasks of “fast”. The main difference is that the time resolution requirements are lower. In addition, there are often other types of tasks for “slow” systems, such as running software procedures when the accuracy requirement is not so great. For example, slow synchronization is often used to plan injection and measurement by adjusting delays in a fast synchronization system. Often the separation (at least in electronic machines) is that the slow timer system provides synchronization on the time scales of a single orbital period in the ring, while the fast synchronization system operates on the scale of a single bunch (bunche).
Способы передачи и носители сигнала, доступ к устройству и настройка синхронизации различных компонентов - это те технологические решения, которые необходимо принимать во внимание при разработке таймерных систем.Transmission methods and signal carriers, access to the device, and synchronization settings for various components are the technological solutions that need to be taken into account when designing timer systems.
Требования работы ускорителя, естественно, диктуют выбор в большинстве случаев.The requirements of the accelerator, of course, dictate the choice in most cases.
Для синхронизации устройств, опорные сигналы таймерных систем должны быть переданы к расположению устройства через весь ускорительный комплекс.Общим и самым простым способом является распределение основной полосы частот, в котором ВЧ-сигнал и таймерные фидуциалы создаются в одном месте и распространяются, используя либо медный кабель, либо оптическое волокно. Итоговая синхронизация выполняется с помощью синхронного счетчика для восстановления фазовой привязки к ВЧ. Этот метод, например, такой как описан в ближайшем аналоге, может применяться на высоких частотах и достигать достаточно высокой точности. Однако, как уже отмечалось ранее, распределение в этом случае как правило дорогостоящее и требует большого количества аппаратуры. Так же часто применяется модулированная передача, в которой закодированы фидуциалы на несущий сигнал. Главные часы синхронизации (ВЧ или субгармонические с фиксированной фазой) служат носителем, а фидуциалы восстанавливают из потока данных со специальным приемником модули [fermi], [tesla]. Этот метод упрощает монтаж проводки и, следовательно, снижает стоимость. Но для высоких частот трудно достичь временного разрешения которое будет удовлетворять всем потребностям с помощью этого метода. В конструкции Fermilab (Woodbury K. et al., Integrate Finite State Machine and RF Timing Modules for VMEBUS and VXIBUS Instrumentation, Proceedings of the ICALEPCS'95 Conference, 1995) предусмотрены модули, которые декодируют глобальные часы и события, закодированные на глобальных часах с использованием манчестерского кодирования (импульсно-кодовая модуляция). Эти модули предоставляют собой синхронизирующие сигналы для оборудования, синхронизируют программное обеспечение (прерывания) и вспомогательные аппаратные временные метки.To synchronize devices, the reference signals of the timer systems must be transmitted to the location of the device through the entire acceleration complex. The common and simplest way is to allocate the baseband, in which the RF signal and timer fiducials are created in one place and distributed using either a copper cable, or optical fiber. Final synchronization is performed using a synchronous counter to restore the phase reference to the RF. This method, for example, such as described in the nearest analogue, can be applied at high frequencies and achieve a sufficiently high accuracy. However, as noted earlier, the distribution in this case is usually expensive and requires a large amount of equipment. It is also often used modulated transmission, in which the coded fiditsialy on the carrier signal. The main clock synchronization (HF or subharmonic with a fixed phase) serves as the carrier, and the fiducals restore the modules [fermi], [tesla] from the data stream with a special receiver. This method simplifies wiring and therefore reduces the cost. But for high frequencies, it is difficult to achieve a temporal resolution that will satisfy all needs using this method. Fermilab (Woodbury K. et al., Integrated Finite State Machine and RFID Modules for VMEBUS and VXIBUS Instrumentation, Proceedings of the ICALEPCS'95 Conference, 1995) contains modules that decode global clocks and events encoded on global clocks with using Manchester coding (pulse code modulation). These modules provide hardware synchronization signals, software synchronization (interrupts) and auxiliary hardware time stamps.
Идея системы событий в основном такая же, как и в модулированной опорной передаче. Таймерные опорные сигналы кодируются кодами событий в генераторе событий, который затем последовательно передает коды через весь комплекс [lhc]. Существуют варианты, в которых события передаются непрерывно [slac] или только когда фидуциальный сигнал возникает на стороне генерации, таким примером может служить система событий APS [Frank R. et al., The Advanced Photon Source Injection Timing System, Proceedings of the ICALEPCS'95 Conference, 1995]. Система событий APS состоит из карты генератора событий, которая принимает аппаратные и программные триггеры. Входные триггеры кодируются в 8-битные коды событий и передаются (с отключением) на несколько приемников событий с использованием оптического волокна. Приемники событий могут быть запрограммированы для обработки принятых событий по-разному. Приемники имеют несколько различных типов выходов, включая импульсы фиксированной ширины (до 14), каналы задержки и асинхронный выход, приемники также могут генерировать прерывания VME для облегчения программного обеспечения и создания аппаратных вспомогательных временных меток. Карты событий APS хорошо интегрированы в систему управления EPICS, обеспечивая гибкость аппаратных триггеров, запуск программного обеспечения (поканальная обработка) и аппаратное обеспечение механизма вспомогательных временных меток высокого разрешения. Архитектура APS, была также выбрана для SwissLightSource (SLS), только с более быстрыми компонентами, но сохраняющая режим совместимости. Временное разрешение, которое может быть достигнуто с помощью системы событий зависит от частоты, с которой эти коды событий могут быть переданы. Например, SLS система событий использует гигабитные передатчики и приемники для передачи 16-битного слова (кадра) с частотой 50 МГц.The idea of the event system is basically the same as in the modulated reference transmission. Timer reference signals are encoded with event codes in the event generator, which then sequentially transmits codes through the entire complex [lhc]. There are variants in which events are transmitted continuously [slac] or only when a fiducial signal arises on the generation side, such as the APS event system [Frank R. et al., Proceedings of the ICALEPCS'95 Conference, 1995]. The APS event system consists of an event generator map that accepts hardware and software triggers. Input triggers are encoded into 8-bit event codes and transmitted (disconnected) to several event receivers using optical fiber. Event receivers can be programmed to handle received events in different ways. Receivers have several different types of outputs, including fixed-width pulses (up to 14), delay channels and asynchronous outputs, receivers can also generate VME interrupts to facilitate software and create hardware auxiliary time stamps. APS event maps are well integrated into the EPICS control system, providing the flexibility of hardware triggers, software startup (channel-by-channel processing), and high-resolution auxiliary time-resolution hardware. The APS architecture was also chosen for SwissLightSource (SLS), only with faster components, but maintaining compatibility mode. The time resolution that can be achieved with an event system depends on the frequency with which these event codes can be transmitted. For example, an SLS event system uses gigabit transmitters and receivers to transmit a 16-bit word (frame) with a frequency of 50 MHz.
Система синхронизации задействована во многих аспектах ускорительных операций, хотя часто это не очень заметно (что свидетельствует о том, что она работает должным образом). Например, последовательность заполнения накопительного кольца является задачей, которая предполагает правильную настройку системы синхронизации.The synchronization system is involved in many aspects of acceleration operations, although it is often not very noticeable (which indicates that it works properly). For example, the sequence of filling a storage ring is a task that assumes the correct setting of the synchronization system.
Дополнительная инжекция также является задачей для системы синхронизации, хотя и не очень отличается от обычного заполнения. С дополнительной инжекцией, тепловая нагрузка на эксперимент с пучками может оставаться постоянной и, следовательно, качество данных может быть улучшено. Сбор данных может быть прерван в тех случаях пока колебания пучка не будут затухать. Система событий или аналогичная система может легко это сделать, при условии, что эксперименты смогут принимать синхронизированные события.Additional injection is also a task for the synchronization system, although it is not very different from the usual filling. With additional injection, the thermal load on the experiment with the beams can remain constant and, therefore, the quality of the data can be improved. Data collection can be interrupted in those cases until the beam oscillations will not attenuate. An event system or similar system can easily do this, provided that experiments can receive synchronized events.
В диагностике ускорителя система синхронизации также может играть большую роль, например, в использовании системы событий для запуска и остановки сбора события, например, прерывание пучка и чтение буфера для выявления причины потери пучка.In the accelerator diagnostics, the synchronization system can also play a large role, for example, in using the event system to start and stop collecting events, for example, interrupt the beam and read the buffer to identify the cause of the beam loss.
Синхронизация магнитных структур также является общей задачей, где задействована таймерная система. С сохраненным пучком, управление магнитами должно проводиться синхронно, чтобы избежать его потери. Чтобы хорошо поддерживать функциональность, система синхронизации должна быть хорошо интегрирована в систему управления.Synchronization of magnetic structures is also a common task, where a timer system is involved. With the stored beam, the control of the magnets should be carried out synchronously to avoid losing it. In order to maintain good functionality, the synchronization system must be well integrated into the control system.
Планирование заполнения буфера хранения является примером приложения высокого уровня для таймерной системы, например, в Double Annular Ф Factory for Nice Experiments (DAФNE или DAFNE) или SwissLightSource (SLS).Storage buffer scheduling is an example of a high-level application for a timer system, for example, in the Double Annular Factory for Nice Experiments (DAFNE or DAFNE) or SwissLightSource (SLS).
Независимо от метода, используемого для распределения синхронизации опорных сигналов, дрейфы в распространении задержек могут быть проблемой, если установка большая. Любые тепловые изменения, влияющие на кабели, вносят медленный фазовый дрейф в синхронизирующие сигналы. Это можно преодолеть с помощью контроля температуры синхронизирующих кабелей, однако, если установка очень большая, точный контроль температуры трудно достижим.Regardless of the method used to distribute reference signal synchronization, drifts in the propagation of delays can be a problem if the installation is large. Any thermal changes affecting the cables introduce slow phase drift into the sync signals. This can be overcome by controlling the temperature of the sync cables, however, if the installation is very large, precise temperature control is difficult to achieve.
Когда распределение сигнала выполняется с помощью оптического волокна, сигналы должны быть преобразованы из электрического в оптические и на приемнике обратно в электрические. Преобразование вызывает дополнительные дрожания и фазовые сдвиги, которые должны учитываться при оценке производительности системы.When signal distribution is performed using an optical fiber, the signals must be converted from electrical to optical and at the receiver back to electrical. Conversion causes additional jitter and phase shifts, which must be taken into account when evaluating system performance.
Предлагаемая в настоящей заявке более точная синхронизация возможна при использовании в качестве временных маркеров сигналов с датчиков тока пучка электронов синхротрона-накопителя, обладающих более стабильными временными параметрами, чем сигналы штатной таймерной системы, в дополнение к штатной таймерной системе.A more accurate synchronization proposed in this application is possible when using signals from the current of the electron beam of the synchrotron storage drive as time markers, which have more stable time parameters than the signals of the standard timer system, in addition to the standard timer system.
Поскольку сигналы от датчиков тока представляют собой цепочку неотличимых друг от друга импульсов, импульсы штатной таймерной системы используются при синхронизации для выделения заданного сигнала с датчика тока пучка 6, то есть импульса тока пучка, предназначенного для синхронизации.Since the signals from current sensors are a chain of pulses that are indistinguishable from each other, the pulses of a regular timer system are used during synchronization to extract a given signal from the beam
Сигнал с датчика тока пучка электронов представляет собой цепочку коротких импульсов, форма которых определена и стабильна (фиг. 3). Каждый импульс обладает высокой определенностью по времени, поскольку период оборота пучка из-за эффекта автофазировки привязан к частоте высокочастотного поля ускоряющего резонатора. Стабильность частоты fRF ускоряющего поля составляет δf/fRF 10-9...10-11 при его синхронизации со стандартом частоты, например, с сигналами GPS или ГЛОНАС, частота колебаний поля несколько сотен мегагерц, например, пятьсот мегагерц, в то время как период колебаний TRF - две наносекунды.The signal from the electron beam current sensor is a chain of short pulses, the shape of which is determined and stable (Fig. 3). Each pulse has a high definition in time, since the period of beam rotation due to the autophasing effect is tied to the frequency of the high-frequency field of the accelerating resonator. The frequency stability of the f RF accelerating field is δf /
Таким образом, если бы пучок состоял из единственного электрона, занимающего равновесную фазу, время его пролета через любую точку орбиты было бы известно с точностью dt=1/(fRF+δf)-1/fRF=TRF*δf/fRF=2*10-18ceк без учета погрешности определения координаты. На практике точность определения центра тяжести сгустка электронов составляет единицы пикосекунд (см. приведенные ниже Примеры осуществления), что является пределом точности при синхронизации с сигналом тока пучка.Thus, if the beam consisted of a single electron occupying an equilibrium phase, its transit time through any point of the orbit would be known with an accuracy of dt = 1 / (f RF + δ f) -1 / f RF = T RF * δ f / f RF = 2 * 10 -18 seconds without taking into account the error in determining the coordinates. In practice, the accuracy of determining the center of gravity of an electron bunch is in units of picoseconds (see the below Examples of the implementation), which is the limit of accuracy in synchronization with the beam current signal.
Для полноценного решения задачи синхронизации требуется однозначно выбрать один из множества импульсов тока пучка. Для этого нужный импульс тока выбирается с помощью штатного таймерного сигнала и привязанного к нему (заданного для него) сигнала разрешения. Как показано на фиг.4 на верхнем графике (В), электроны, циркулируя в кольце синхротрона, генерируют повторяющийся сигнал тока с периодом следования, равным периоду колебаний ускоряющего поля TRF, формируя импульсы P1... Рk-1, Pk, Pk+1...PN, где: P1...N - импульсы тока пучка, N - число сгустков на орбите синхротрона.To fully solve the synchronization problem, it is necessary to unambiguously choose one of the many pulses of the beam current. To do this, the desired current pulse is selected using the standard timer signal and the resolution signal assigned to it (set for it). As shown in FIG. 4 in the upper graph (B), electrons circulating in the synchrotron ring generate a repeating current signal with a repetition period equal to the period of oscillation of the accelerating field T RF , generating pulses P 1 ... P k-1 , P k , P k + 1 ... P N , where: P 1 ... N are the beam current pulses, N is the number of bunches in the synchrotron orbit.
Нужный для синхронизации импульс тока пучка Рk, выбирается подачей с опережением сигнала от штатного таймера (верхний график В фиг. 4)The current pulse of the beam Р k needed for synchronization is selected by feeding the signal from the regular timer ahead of time (the upper graph in Fig. 4)
Сигнал таймера приходит в интервале Т0±ΔТ/2 и формирует с задержкой TDEL, образуемой преобразователями и логическими элементами, сигнал разрешения длительностью TEN. Момент времени Т0 и длительность разрешающего сигнала TEN выбираются таким образом, чтобы время начала разрешающего импульса, находящееся в интервале между Т0+ΔТ/2+TDEL и Т0-ΔT/2+TDEL попадало в промежуток между двумя импульсами тока РK-1 и РK. При этом в интервал времени TEN попадает единственный импульс РK, определяющий время синхронизации Т'0 устройства, где Т'0 - время прихода сигнала Рk, обеспечивая точность и однозначность срабатывания устройства синхронизации. С учетом того, что достаточным условием для этого будет равенство TEN периоду следования импульсов тока пучка TRF.The timer signal comes in the interval T 0 ± ΔT / 2 and generates with a delay T DEL formed by the converters and logic elements, the enable signal with the duration T EN . The time T 0 and the duration of the enabling signal T EN are chosen so that the start time of the enabling pulse, which is in the interval between T 0 + ΔT / 2 + T DEL and T 0 –ΔT / 2 + T DEL, falls between the two current pulses P K-1 and P K. In this case, a single pulse P K , determining the synchronization time T ' 0 of the device, where T' 0 is the time of arrival of the signal P k , falls in the time interval T EN , ensuring the accuracy and uniqueness of the synchronization device operation. Given that a sufficient condition for this is the equality T EN to the pulse repetition period of the beam current T RF .
Примеры осуществления изобретения.Examples of the invention.
Использование синхроимпульса тока пучка с длительностью не более ста пикосекунд и стабильностью положения не хуже единиц пикосекунд обеспечивает заданную точность синхронизации в тех случаях, когда требуется:The use of a sync pulse of a beam current with a duration of no more than one hundred picoseconds and a position stability no worse than units of picoseconds ensures a given synchronization accuracy in those cases when it is required:
- точная синхронизация нескольких устройств или- accurate synchronization of multiple devices or
- синхронизация устройств с моментом прохождения сгустка электронов определенной точки орбиты, или- synchronization of devices with the moment of passage of a bunch of electrons of a certain point of the orbit, or
- синхронизации с одним конкретным сгустком из сотни сгустков, одновременно находящихся в кольце накопителя.- synchronization with one particular clot of hundreds of clots that are simultaneously in the ring drive.
Для работы предложенной в качестве примера реализации заявляемого в настоящей заявке способа синхронизации системы синхронизации использовали сигналы с одного или нескольких датчиков тока пучка, расположенных по периметру накопительного синхротрона. Сигналы с датчиков тока проходили через широкополосный сигнальный тракт, выполненный из стандартной аппаратуры и формирующий короткий логический импульс, уточняющий время относительно основного синхронизирующего импульса от расположенного на большом расстоянии генератора событий. В результате удалось достичь повышения точности синхронизации со ста пикосекунд до единиц пикосекунд (см. фиг. 2 и 4).For the operation of the method of synchronization of the synchronization system proposed in the present application as an example of the implementation, signals from one or several beam current sensors located around the cumulative synchrotron were used. Signals from current sensors passed through a broadband signal path made of standard equipment and forming a short logic pulse, which specifies the time relative to the main clock pulse from the event generator located at a large distance. As a result, it was possible to achieve an increase in the accuracy of synchronization from one hundred picoseconds to units of picoseconds (see Figs. 2 and 4).
Так, например, для спектроскопии с временным разрешением на основе импульсного лазера, улучшение точности синхронизации со ста пикосекунд до единиц пикосекунд с использованием предложенной методики позволяет повысить разрешающую способность данного метода на порядок.For example, for time-resolved spectroscopy based on a pulsed laser, improving the synchronization accuracy from a hundred picoseconds to a few picoseconds using the proposed technique allows the resolution to be increased by an order of magnitude.
Предложенная методика синхронизации позволяет также упростить схему синхронизации измерителя поперечного профиля пучка методом лазерного сканирования, а также обеспечить запускающий или реперный импульсы для трековых камер (streak camera), работающих с пикосекундным разрешением.The proposed synchronization technique also makes it possible to simplify the synchronization scheme of a cross-sectional beam profile meter by laser scanning, and also to provide triggering or reference pulses for track cameras (streak camera) operating with picosecond resolution.
Изобретение позволяет осуществлять точную синхронизацию, используя в качестве синхроимпульса - сигнал от датчиков тока пучка. Технический результат достигается за счет применения циркулирующего в электронном синхротроне электронного пучка в качестве носителя точной таймерной информации для синхронизации устройств и процессов в электронных синхротронах.The invention allows accurate synchronization using the signal from the beam current sensors as a sync pulse. The technical result is achieved by using an electron beam circulating in an electron synchrotron as a carrier of accurate timer information for synchronizing devices and processes in electron synchrotrons.
Приведенное выше описание изобретения направлено на то, чтобы позволить любому специалисту в данной области техники реализовать или использовать данное изобретение. Настоящее изобретение не ограничивается описанными примерами осуществления и охватывает множество вариантов, соответствующих раскрытым в данном описании принципам и новым признакам.The above description of the invention is intended to enable any person skilled in the art to make or use the invention. The present invention is not limited to the described embodiments and covers a variety of options corresponding to the principles and novel features disclosed in this specification.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018134054A RU2689297C1 (en) | 2018-09-27 | 2018-09-27 | Method of synchronizing devices in electron synchrotrons of synchrotron radiation sources |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018134054A RU2689297C1 (en) | 2018-09-27 | 2018-09-27 | Method of synchronizing devices in electron synchrotrons of synchrotron radiation sources |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2689297C1 true RU2689297C1 (en) | 2019-05-27 |
Family
ID=66637123
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018134054A RU2689297C1 (en) | 2018-09-27 | 2018-09-27 | Method of synchronizing devices in electron synchrotrons of synchrotron radiation sources |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2689297C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2810648C1 (en) * | 2023-07-19 | 2023-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук | Method for generating synchronization pulses for high-voltage spark gap with laser triggering and device for its implementation |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1732781A1 (en) * | 1989-10-05 | 1995-06-19 | А.В. Евтихиев | Tv digital system for testing parameters of the beams |
| JPH07192900A (en) * | 1993-12-27 | 1995-07-28 | Toshiba Corp | Timing control device for particle accelerator |
| EP2259664B1 (en) * | 2004-07-21 | 2017-10-18 | Mevion Medical Systems, Inc. | A programmable radio frequency waveform generator for a synchrocyclotron |
| EP3294046A1 (en) * | 2016-09-09 | 2018-03-14 | TE Connectivity Germany GmbH | Solid state lighting module and method of fabricating same |
-
2018
- 2018-09-27 RU RU2018134054A patent/RU2689297C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1732781A1 (en) * | 1989-10-05 | 1995-06-19 | А.В. Евтихиев | Tv digital system for testing parameters of the beams |
| JPH07192900A (en) * | 1993-12-27 | 1995-07-28 | Toshiba Corp | Timing control device for particle accelerator |
| EP2259664B1 (en) * | 2004-07-21 | 2017-10-18 | Mevion Medical Systems, Inc. | A programmable radio frequency waveform generator for a synchrocyclotron |
| EP3294046A1 (en) * | 2016-09-09 | 2018-03-14 | TE Connectivity Germany GmbH | Solid state lighting module and method of fabricating same |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Naito Т., The Synchronizing Scheme for KEKB, Proceedings of the ICALEPCS'97, Conference, 1997. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2810648C1 (en) * | 2023-07-19 | 2023-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук | Method for generating synchronization pulses for high-voltage spark gap with laser triggering and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lipiński et al. | White rabbit applications and enhancements | |
| US8698530B2 (en) | High precision synchronisation method and system | |
| JP6419981B2 (en) | Method and apparatus for providing global clock in system | |
| RU2587504C1 (en) | Method and scheme for synchronisation of seismic and seismoacoustic measurement circuits, especially mine spark-proof networks | |
| US20150295702A1 (en) | Synchronization apparatus, synchronization system, radio communication apparatus and synchronization method | |
| CN103368721A (en) | Computing method for transparent clock in time-triggered Ethernet | |
| KR20180093081A (en) | Control system and method for lithographic apparatus | |
| RU2689297C1 (en) | Method of synchronizing devices in electron synchrotrons of synchrotron radiation sources | |
| Damerau et al. | RF Synchronization and Distribution for AWAKE at CERN | |
| CN109445272A (en) | The method and device of clock signal synchronization method, adjustment signal frequency | |
| CN110798279B (en) | Timing calibration system | |
| Korhonen | Review of accelerator timing systems | |
| Lewis et al. | Evaluating an off-the-shelf white rabbit system to synchronise network radar via optic fibre | |
| Ye et al. | Timing system based on customized frequency White Rabbit network in SHINE | |
| Li et al. | TOF clock system for BES III | |
| Damerau | CERN: Timing, Synchronization & Longitudinal Aspects | |
| Hidvégi et al. | Timing and triggering system for the European XFEL project-a double sized AMC board | |
| Oliveira Fernandes Moreira | Timing signals and radio frequency distribution using ethernet networks for high energy physics applications | |
| Beck et al. | The new White Rabbit based timing system for the FAIR facility | |
| Jeitler et al. | The clock and control signal distribution system for the NA48 experiment | |
| Wu et al. | Timing system for the Taiwan photon source | |
| Adams et al. | High performance time synchronisation for industrial logic control utilising a low cost single board computer with EMC compliance | |
| Gamp et al. | Design of the RF phase reference system and timing control for the TESLA linear collider | |
| Wei et al. | Stable frequency dissemination via optical fiber based on passive phase fluctuation cancellation | |
| Rogalin | The Optical to Orion Time of Flight Ground Processing System |