INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E NUCLEARES

Autarquia associada Universidade de So Paulo

Projeto e Implementao do Sistema de Controle do Acelerador Mcrotron

Alexandre Almeida Malafronte

Tese apresentada como parte dos requisitos para obteno do Grau de Doutor em Cincias na rea de Tecnologia Nuclear - Aplicaes.

Orientador: Dr. Marcos Nogueira Martins

SO PAULO 2008

INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E NUCLEARES

Autarquia associada Universidade de So Paulo

Projeto e Implementao do Sistema de Controle do Acelerador Mcrotron

Alexandre Almeida Malafronte

Tese apresentada como parte dos requisitos para obteno do Grau de Doutor em Cincias na rea de Tecnologia Nuclear - Aplicaes.

Orientador: Dr. Marcos Nogueira Martins

SO PAULO 2008

AGRADECIMENTOS

Ao Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares, pela acolhida e pela oportunidade de apresentar este trabalho.

Ao Instituto de Fsica da Universidade de So Paulo, pela oportunidade de realizar este trabalho.

Ao Prof. Dr. Marcos Nogueira Martins, meu orientador, pelo incansvel incentivo e apoio durante todas as fases deste trabalho.

Ao Prof. Dr. Jiro Takahashi, pelas valiosas discusses.

Aos amigos do Projeto Mcrotron e das oficinas Eletrnica e Mecnica da FEP, pela sua ajuda inestimvel.

Projeto e Implementao do Sistema de Controle do Acelerador Mcrotron

Alexandre Almeida Malafronte

RESUMO

O acelerador de eltrons recirculado do tipo microtron, que est sendo construdo no Instituto de Fsica da Universidade de So Paulo, possui algumas centenas de parmetros a serem monitorados e controlados. Estes parmetros pertencem a vrios subsistemas, tais como: transporte; vcuo; RF; e diagnstico. Para diminuir a carga cognitiva do operador e auxili-lo no controle da mquina, foi construdo um sistema de controle computadorizado, capaz de permear os diversos subsistemas e que permite ao operador medir e alterar os parmetros de interesse, alm de alert-lo quando algum destes parmetros exceder um valor pr-determinado. Este sistema de controle foi construdo usando-se a metodologia do modelo das trs camadas lgicas, a saber: camada dos dispositivos de entrada e sada; camada dos servidores de dispositivos; e camada da interface com o usurio. Na camada dos dispositivos de entrada e sada foram utilizados vrios equipamentos, comerciais ou construdos no Laboratrio do Acelerador Linear (LAL), possuindo interfaces de comunicao diversas. Na camada dos servidores de dispositivos foram utilizados PCs industriais. A camada da interface com o usurio utiliza um PC convencional executando uma interface humano-computador construda com o auxlio do software LabWindows/CVI (National Instruments). O sistema de controle deve apresentar caractersticas associadas flexibilidade, escalabilidade e custo, para que seja passvel de utilizao durante todo o tempo de vida til do acelerador e suporte manuteno pela equipe do prprio LAL.

Project and Implementation of the Control System for the Microtron Accelerator

Alexandre Almeida Malafronte

ABSTRACT

The racetrack microtron under construction at the Instituto de Fsica da Universidade de So Paulo, is a recirculated electron accelerator that has a few hundred parameters to be monitored and controlled. These parameters belong to several subsystems like transport, vacuum, RF, and diagnostics. To decrease the cognitive burden of the operator and help him to control the machine a computerized control system was built, pervading all subsystems. This system allows the operator to measure and change the parameters of interest, or alerts him when some of these parameters exceed a pre-defined value. The system was built using the three-layer model methodology: input and output device layer; device server layer; and the user interface layer. In the input and output device layer, several instruments with different communication interfaces were used, either commercial or in-house built. In the device server layer industrial PCs were used. The user interface layer uses a conventional PC running a human-computer interface built with assistance of the LabWindows/CVI software (National Instruments). The control system must satisfy requirements of flexibility, up-gradability and cost, must stand during the accelerator lifetime and allow maintenance by the Lab's technical support.

SUMRIO

Pgina LISTA DE FIGURAS

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

1 - INTRODUO ......................................................................................................................12 1.1 - Sistemas de controle de aceleradores ...................................................................................12 1.2 - Mcrotron ...............................................................................................................................15 1.3 - Mcrotron racetrack ..............................................................................................................17 1.4 - O Mcrotron do IFUSP ..........................................................................................................19

2 - OBJETIVOS ...........................................................................................................................23 2.1 - Objetivos especficos .............................................................................................................23

3 - METODOLOGIA ..................................................................................................................25 3.1 - Camada dos dispositivos de entrada/sada ...........................................................................26 3.2 - Camada dos servidores de dispositivos ................................................................................27 3.3 - Camada da interface com o usurio.......................................................................................31

4 - HARDWARE DOS SUBSISTEMAS .................................................................................35 4.1 - Controle automtico da freqncia de ressonncia das estruturas aceleradoras .................35 4.1.1 - Implementao ...................................................................................................................38 4.1.2 - Resultados e discusso .......................................................................................................41 4.2 - Controle automtico de fase e de potncia das estruturas aceleradoras e do sistema

chopper/buncher ...................................................................................................................44 4.2.1 - Implementao ...................................................................................................................47

4.2.2 - Resultados e discusso .......................................................................................................50 4.3 - Controle do canho de eltrons..............................................................................................58 4.3.1 - Implementao ...................................................................................................................59 4.3.2 - Resultados e discusso .......................................................................................................64 4.4 - Controle do campo magntico dos eletroms .....................................................................67 4.4.1 - Implementao ...................................................................................................................69 4.4.2 - Resultados e discusso .......................................................................................................72 4.5 - Controle automtico do sistema de arrefecimento................................................................75

4.6 - Controle do sistema de diagnstico.......................................................................................78 4.7 - Controle do sistema de vcuo ................................................................................................79 4.8 - Controle da vlvula klystron..................................................................................................80 4.9 - Sistema de proteo pessoal...................................................................................................80

5 - SOFTWARE ............................................................................................................................82 5.1 - Software dos dispositivos de entrada e sada ........................................................................82 5.2 - Software dos servidores de dispositivos...............................................................................86 5.3 - Software da interface humano-computador (IHC) ...............................................................89

6 - OPERAO E PERSPECTIVAS .......................................................................................97

APNDICE A - Variaes de fase e potncia nas estruturas aceleradoras frente a variaes na potncia da klystron....................................................................................... 103

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.................................................................................. 106

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Estrutura hierrquica dos objetivos de controle. ..........................................................13 Figura 2 - Disposio do Mcrotron em seu prdio.......................................................................15 Figura 3 - Mcrotron "clssico". Os pontos em cada rbita indicam o no de perodos de RF

necessrios para um eltron completar a rbita ........................................................17 Figura 4 - Racetrack mcrotron com dois setores semicirculares ................................................18 Figura 5 - Primeiro estgio do Mcrotron do IFUSP. So apresentados o injetor, as duas

primeiras estruturas aceleradoras e o mcrotron booster ...........................................20 Figura 6 - Viso ampliada, apresentando detalhes do mcrotron booster ....................................21 Figura 7 - Modelo das trs camadas proposta para o Mcrotron ..................................................26 Figura 8 - Curvas de ressonncia para um sistema fsico. Amplitude ao quadrado (escala da

esquerda) e fase (escala da direita) versus freqncia ...............................................36 Figura 9 - Diagrama de blocos do controlador automtico da freqncia de ressonncia das

estruturas......................................................................................................................38

Figura 10 - Motor de passo acoplado a um dos pistes por meio de uma correia dentada .........41 Figura 11 - Variao na freqncia de ressonncia com a posio dos pistes...........................41 Figura 12 - Arranjo para testes do controlador da freqncia de ressonncia das estruturas......42 Figura 13 - Potncia na estrutura em funo de sua temperatura. Controlador desligado com o

pisto na posio tima...............................................................................................43 Figura 14 - Potncia na estrutura em funo de sua temperatura, com o controlador dos pistes

ligado ...........................................................................................................................44 Figura 15 - Diagrama do sistema de RF do Mcrotron .................................................................45 Figura 16 - Diagrama de blocos do controlador automtico da fase e potncia ..........................47 Figura 17 - Circuito de um diodo detector de RF, em montagem srie (coaxial)........................48 Figura 18 - Mecanismo tracionador dos curtos-mveis dos defasadores e atenuadores das

estruturas......................................................................................................................49 Figura 19 - Mecanismos tracionadores do defasador e atenuador do sistema chopper/buncher,

alojados em uma caixa padro 19".............................................................................50 Figura 20 - Variao da fase em funo da posio dos curtos-mveis do defasador das

estruturas......................................................................................................................51 Figura 21 - Variao da potncia em funo da posio dos curtos-mveis do atenuador das

estruturas......................................................................................................................51

Figura 22 - Variao da fase em funo da posio da lmina dieltrica ....................................52 Figura 23 - Variao da potncia em funo da posio do tubo de vidro ..................................52 Figura 24 - Diagrama simplificado do arranjo para testes do controlador do atenuador defasador

de alta e de mdia potncia .........................................................................................53 Figura 25 - Variaes rpidas na potncia de entrada do conjunto atenuador/defasador de alta

potncia. Potncia na sada (escala da esquerda) e potncia na entrada (escala da direita). .........................................................................................................................54

Figura 26 - Variao lenta na potncia de entrada do conjunto atenuador/defasador de alta potncia. Potncia na sada (escala da esquerda) e potncia na entrada (escala da direita) ..........................................................................................................................55

Figura 27 - Resposta da fase de sada, quando realizadas variaes lentas e rpidas na fase de entrada do conjunto atenuador/defasador de alta potncia........................................55

Figura 28 - Variaes rpidas na potncia de entrada do conjunto atenuador/defasador de mdia potncia. Potncia na sada (escala da esquerda) e potncia na entrada (escala da direita) ..........................................................................................................................56

Figura 29 - Variao lenta na potncia de entrada do conjunto atenuador/defasador de mdia potncia. Potncia na sada (escala da esquerda) e potncia na entrada (escala da direita) ..........................................................................................................................57

Figura 30 - Resposta da fase de sada, quando realizadas variaes rpidas e lenta na fase de entrada do conjunto atenuador/defasador de mdia potncia ...................................57

Figura 31 - Foto ilustrativa do exterior do canho de eltrons .....................................................59 Figura 32 - Diagrama de blocos do subsistema de controle do canho de eltrons ....................60 Figura 33 - Forma de onda do pulsador lento sobre uma carga de 50 ohms conectada grade de

controle do canho ......................................................................................................61 Figura 34 - Forma de onda do pulsador rpido sobre uma carga de 50 ohms conectada grade

do canho.....................................................................................................................62 Figura 35 - Forma de onda do pulsador rpido sobre uma carga de 50 ohms conectada grade

do canho, aps passagem pelo transformador inversor ...........................................62 Figura 36 - Placas que compem o subsistema de controle do canho de eltrons. De cima para

baixo, da esquerda para direita: fontes do filamento, da grade e fixa, fonte de alimentao, pulsador rpido, pulsador lento e microcomputador ...........................65

Figura 37 - Bastidor de controle do canho alojado na semi-esfera sobre o terminal de alta tenso. Note as trs fibras pticas direita.................................................................65

Figura 38 - Viso geral da fonte de alta tenso, plos do transformador de isolao, e blindagens anticorona para o bastidor (esfera) e fiao ...............................................................66

Figura 39 - Variao na corrente do feixe (catodo Y-809), versus tenso na grade. Energia = 80 keV; tenso filamento = 5,5 V; feixe pulsado = 60 Hz.......................67

Figura 40 - Diagrama de blocos do sistema de controle dos eletroms ......................................69

Figura 41 - Campo magntico versus temperatura, para o resistor de compensao (29 k) inicialmente sugerido para o AD22151 .....................................................................71

Figura 42 - Campo magntico versus temperatura, para o melhor resistor de compensao

encontrado (24 k) para o AD22151.........................................................................71 Figura 43 - Arranjo para testes do controlador dos eletroms.....................................................73 Figura 44 - Comportamento do campo medido pelo gaussmetro (escala da direita) e da corrente

na bobina (escala da esquerda) de um dos dipolos do booster em funo do tempo. O controlador do campo magntico encontrava-se desligado ..................................73

Figura 45 - Comportamento do campo magntico (medido pelo sensor Hall do controlador) de um dos dipolos do booster em funo do tempo com o controlador do campo magntico ligado .........................................................................................................74

Figura 46 - Comportamento do campo magntico (medido pelo gaussmetro) de um dos dipolos do booster em funo do tempo com o controlador do campo magntico ligado ...74

Figura 47 - Sistema de arrefecimento hidrulico do Mcrotron....................................................75 Figura 48 - Variao das temperaturas nas trs primeiras estruturas ...........................................77 Figura 49 - Variao das temperaturas aps a aplicao da RF nas estruturas............................78 Figura 50 - Fluxograma simplificado do software embarcado nos dispositivos inteligentes .....83 Figura 51 - Fluxo de mensagens entre os PCs industriais, o console do operador e o banco de

dados ............................................................................................................................88 Figura 52 - Tela da IHC apresentando tabela de parmetros, controles deslizantes e quadro

cintico representando o injetor..................................................................................92 Figura 53 - Tela da IHC onde podem ser vistos medidores analgicos e um grfico com trs

parmetros ...................................................................................................................93 Figura 54 - Tela da IHC onde pode ser vista a tabela de alarmes.................................................94 Figura 55 - Disposio dos vrios monitores da IHC que compe o console do operador ........95 Figura 56 - Comportamento das tenses de sada dos misturadores dos controladores da

ressonncia das estruturas ...........................................................................................98

Figura 57 - Variaes na fase das trs primeiras estruturas quando a potncia da klystron (grfico superior) variada.........................................................................................99

Figura 58 - Variaes na potncia das trs primeiras estruturas quando a potncia da klystron (grfico superior) variada..................................................................................... 100

Figura 59 - Primeira imagem do feixe de eltrons de 1,7 MeV no viewscreen....................... .101 Figura A1 - Variao na fase da estrutura 1 (escala da esquerda), frente s variaes da potncia

da klystron (escala da direita) ................................................................................. 103 Figura A2 - Variao na fase da estrutura 2 (escala da esquerda), frente s variaes da potncia

da klystron (escala da direita) ................................................................................. 103 Figura A3 - Variao na fase da estrutura 3 (escala da esquerda), frente s variaes da potncia

da klystron (escala da direita) ................................................................................. 104 Figura A4 - Variao na potncia da estrutura 1 (escala da esquerda), frente s variaes da

potncia da klystron (escala da direita) .................................................................. 104 Figura A5 - Variao na potncia da estrutura 2 (escala da esquerda), frente s variaes da

potncia da klystron (escala da direita) .................................................................. 105 Figura A6 - Variao na potncia da estrutura 3 (escala da esquerda), frente s variaes da

potncia da klystron (escala da direita) .................................................................. 105

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AD - Analgico-Digital (conversor) ANSI - American National Standards Institute BNL - Brookhaven National Laboratory CAMAC - Computer Automated Measurement And Control CA - Corrente Alternada CC - Corrente Contnua CERN - Conseil Europen pour la Recherche Nuclaire CFTV - Circuito Fechado de Televiso CLP - Controlador Lgico Programvel CMOS - Complementary MetalOxideSemiconductor CRC - Cyclical Redundancy Check CW - Continous Wave DA - Digital-Analgico (conversor) DBM - Double Balanced Mixer DCS - Distributed Controls Systems DESY - Deutsches Elektronen Synchrotron DLL - Dynamically Linked Library DSP - Digital Signal Processor E/S - Entrada-Sada ESONE - European Standards On Nuclear Electronics FEL - Free Electron Laser FERMILAB - Fermi National Accelerator Laboratory FPGA - Field-Programmable Gate Array GPIB - General Purpose Interface Bus HP - Hewlett Packard IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers IFUSP - Instituto de Fsica da Universidade de So Paulo IHC - Interface Humano-Computador IHM - Interface Homem-Mquina

IQ - In-phase/Quadrature LAL - Laboratrio do Acelerador Linear

LED - Light Emission Diode LHC - Large Hadron Colider L/R - Indutor-Resistivo (driver) MOSFET - MetalOxideSemiconductor Field-Effect Transistor PC - Personal Computer PID - Proporcional-Integral-Derivativo

PDP - Programmed Data Processor RF - Rdio Freqncia RISC - Reduced Instruction Set Computer RS-232 - Recommended Standard #232 RS-485 - Recommended Standard #485 SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition SLAC - Stanford Linear Accelerator Center SMD - Surface-Mount Device TOE - Taxa de Onda Estacionria TTL - Transistor-Transistor Logic

UCP - Unidade Central de Processamento UDP - User Datagram Protocol VME - VERSA Module Europe VAX - Virtual Address eXtension VMS - Virtual Memory System VXI - VME eXtensions for Instrumentation

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1 INTRODUO

1.1 Sistemas de controle de aceleradores

Aceleradores de partculas, em especial aceleradores de eltrons utilizados em pesquisa, so mquinas relativamente complexas, compostas por vrios subsistemas tais como:

Fonte emissora de eltrons: responsvel pela produo e acelerao inicial dos eltrons, permitindo controle sobre a corrente e eventual pulsao do feixe de eltrons;

Sistema de transporte do feixe: composto pelos vrios eletroms de focalizao (solenides e quadrupolos) e deflexo (steerings e dipolos), que se encontram ao longo da tubulao do feixe e pelas suas fontes de alimentao;

Sistema de vcuo: composto por bombas, tubulaes, vlvulas e medidores, responsvel por manter a presso no interior do acelerador suficientemente baixa para evitar a degradao do feixe em funo das colises com molculas de ar e evitar descargas eltricas (faiscamentos) em virtude dos elevados gradientes de campo eltrico presentes;

Sistema de radio freqncia (RF): necessrio para os processos de picotamento e empacotamento do feixe e para sua acelerao, que ocorre no interior de cavidades ressonantes;

Sistema de diagnstico: permite a determinao de certas caractersticas do feixe, como posio com respeito ao eixo de propagao, formato da seco transversal, energia e intensidade da corrente;

Sistema de refrigerao: necessrio para o arrefecimento das cavidades ressonantes, da malha de distribuio de RF e dos eletroms do sistema de transporte;

Sistema de proteo: responsvel pela manuteno da integridade pessoal, ambiental e do prprio acelerador contra os efeitos deletrios da radio freqncia, da radiao ionizante e da alta tenso, composto por barreiras fsicas, intertravamentos eletromecnicos e alarmes.

Todos esses subsistemas devem funcionar de forma integrada e harmoniosa para que o operador da mquina seja capaz de obter e manter, por um tempo suficientemente longo, um feixe de eltrons com as caractersticas desejadas pelo pesquisador.

13

Mesmo em mquinas pequenas [1], a quantidade de parmetros da ordem de algumas centenas, o que dificulta ao operador tomar cincia dos valores de cada parmetro e, ainda, atuar naqueles que eventualmente exijam alterao.

Para auxiliar na operao da mquina, necessria a existncia de um sistema de controle computadorizado capaz de permear os demais subsistemas, capacitando o operador a ler os diversos parmetros do acelerador e atuar nos mesmos, bem como realizar funes automticas de regulao e estabilizao.

Uma possvel abordagem para o problema do controle de aceleradores, a distino de diversas camadas de objetivos de controle. Na FIG. 1 apresentada a estrutura hierrquica tpica desta abordagem [2].

FIGURA 1 Estrutura hierrquica dos objetivos de controle.

Na primeira camada encontram-se os controles reflexivos, que so os mais simples e mais numerosos, relacionados aos controles regulatrios simples, algoritmos seqenciais e intertravamentos. Exemplos de controles pertencentes a esta camada so: uma vlvula termosttica que regula o fluxo de gua; uma interconexo de rels que s permite que um dispositivo seja energizado quando for realizado algum procedimento de inicializao; um termostato que desliga uma fonte de alimentao quando um eletrom sobreaquece. Tradicionalmente os controles desta camada so implementados apenas em hardware.

Na segunda camada encontram-se os controles reativos, aqueles que fazem uso de algum tipo de realimentao, a camada da instrumentao. Exemplos desses controles so: fontes de alimentao estabilizadas; sintonizadores de RF; controladores de campo magntico.

A partir dos anos 80, a segunda camada de controle foi invadida pelos microprocessadores, que, com sua elevada (e muitas vezes ociosa) capacidade de

Controles Reflexivos (regulatrios e seqnciais simples)

Controles Estratgicos

Controles Tticos (otimizaes)

Controles Reativos (realimentaes, adaptativos)

14

processamento, tambm invadiram a primeira camada, pelo menos no que tange monitorao das condies dos dispositivos. O grande impacto do microprocessador talvez tenha sido a efetiva capacitao para a implementao de um verdadeiro controle computadorizado distribudo e hierarquizado [3], em funo da combinao de: poder de processamento, pequeno tamanho, baixo custo e possibilidade de comunicao.

Tipicamente, a maioria dos sistemas de controle de aceleradores est restrita a estas duas primeiras camadas.

A terceira camada diz respeito ao controles tticos, que seriam aqueles capazes de realizar otimizaes baseadas em modelos tericos. Atualmente existem tentativas de implementao desse controle ttico em aceleradores [4, 5], onde se deseja o controle dos subsistemas por meio do controle de quantidades fsicas.

A quarta e ltima camada compreende o controle estratgico, que seria aquele capaz de habilitar funes de gerenciamento do acelerador, tais como o planejamento das paradas para manuteno e a distribuio do tempo de mquina entre os usurios. Embora a implementao dessa ltima camada esteja muito longe da nossa realidade atual, deve-se notar que, medida que os aceleradores tornam-se grandes investimentos, s vezes com o envolvimento de vrios paises, a necessidade de algum tipo de suporte ao gerenciamento torna-se cada vez mais necessrio [6].

Este tipo de abordagem de sistema de controle hierarquizado e distribudo pode, em princpio, ser utilizado para aceleradores de diversos tamanhos e graus de complexidade.

O Laboratrio do Acelerador Linear do Instituto de Fsica da USP (LAL) est construindo um acelerador de eltrons recirculado de onda contnua do tipo racetrack mcrotron [7]. Este acelerador possui os subsistemas acima descritos e estima-se que, nos vrios subsistemas desta mquina, existam aproximadamente 300 parmetros a serem controlados. Na FIG. 2 apresentada uma ilustrao deste acelerador disposto em seu prdio.

15

FIGURA 2 Disposio do Mcrotron em seu prdio.

1.2 Mcrotron

O conceito do mcrotron j comeara a se estabelecer na primeira metade do sculo 20, quando L.W. Alvarez pela primeira vez o menciona em uma palestra nos E.U.A., mas sem uma publicao associada. Foi em 1944 que Veksler [8] tornou-se o primeiro a publicar o conceito do mcrotron e tambm o de estabilidade de fase, sendo que esta ltima j havia sido proposta por Oliphant em 1943, mas que, em funo da guerra, tambm no a publicara. Logo em seguida, McMillan, nos E.U.A., tambm publica o conceito em 1945 [9].

Em seu artigo [8], Veksler comenta que era conhecido o fato de que o mtodo da acelerao ressonante usado por Lawrence no conceito do ciclotron no poderia ser aplicado para eltrons, pois em funo de sua pequena massa, atingia velocidades relativsticas mesmo com pequenas energias. No caso do ciclotron de prtons, o perodo entre as sucessivas rbitas era constante, possibilitando que houvesse um sincronismo entre a fonte de RF e a chegada do prton ao intervalo de acelerao. No caso de eltrons, o perodo era varivel, o que impedia o sincronismo do ciclotron. Este perodo dado por:

222eBc

EeB

mT pipi == (1)

na qual:

e a carga do eltron;

16

B o campo magntico perpendicular trajetria da partcula; m a massa relativstica )/1( 220 cvm ;

E a energia total )( 2mc . Considerando-se que:

E = E0 + Ei + nE (2) onde:

E0 a energia de repouso;

Ei a energia de injeo; E o ganho de energia aps cruzar o intervalo de acelerao; e

n um inteiro,

temos que:

( )2

02eBc

EnEET i

++=

pi (3)

No caso do ciclotron de prtons, nE desprezvel quando comparado energia de repouso E0, portanto T permanece constante.

Para eltrons no podemos desprezar nE, mas o que Veksler mostra que,

embora o tempo entre as rbitas variasse, a diferena de tempo, T, entre duas rbitas

sucessivas era constante:

212eBc

ETTT nn

== +pi

(4)

Note que T independente da energia da partcula.

Assim, se fossem observadas as condies de ressonncia adequadas, o eltron

estaria em ressonncia com o campo acelerador no intervalo de acelerao, a despeito da variao de tempo entre as rbitas. Para obtermos a acelerao ressonante necessrio ajustar E e B de forma que tenhamos:

22eBc

Eb = pi (5)

e a condio inicial referente primeira rbita:

( )2

01

2eBc

EEEaT i

++==

pi (6)

As equaes (5) e (6) so as condies para ressonncia, onde: o perodo da RF, b um inteiro maior que zero e a um inteiro diferente de um e zero.

17

Em termos fsicos isto significa que, aps cada acelerao, o tempo que o eltron leva para percorrer a rbita aumenta de um mltiplo do perodo da RF. O modo fundamental de

operao ocorre quando Ei zero e E = E0, ento a=2b. Esta condio de ressonncia obtida

quando a energia ganha no intervalo de acelerao igual energia de repouso da partcula.

A descrio anterior se refere ao que se convencionou chamar de mcrotron "clssico" [10]. Na FIG. 3 apresentada uma ilustrao deste tipo de mcrotron.

FIGURA 3 Mcrotron "clssico". Os pontos em cada rbita indicam o no de perodos de RF

necessrios para um eltron completar a rbita [10].

1.3 Mcrotron racetrack

O mcrotron clssico apresentava vrias limitaes [9, 10]: Baixa intensidade de corrente, pois os eltrons usualmente provinham da prpria

cavidade, por emisso de campo;

Baixa energia final mxima, uma vez que, para manter o raio da primeira rbita grande o suficiente para acomodar o canho e a cavidade aceleradora, o campo magntico no

podia ser muito intenso, o que implicava num eletrom muito grande e custoso, para se atingir energias acima de 10 MeV;

Dificuldades na injeo dos eltrons com baixas energias, pois a cavidade ficava dentro do campo magntico do dipolo principal;

Baixo fator de utilizao (duty cycle).

18

A resposta a estas limitaes veio na forma do racetrack mcrotron, inicialmente proposto por Schwinger [11], que utiliza eletroms na forma de setores circulares separados, nos quais a cavidade aceleradora fica entre os eletroms, facilitando a injeo. As condies bsicas para acelerao ressonante neste tipo de mcrotron so idnticas quelas do mcrotron

clssico.

O primeiro modelo deste tipo a ser construdo possua o im dividido em quatro

setores e foi produzido pela Universidade de Western Ontrio em 1960 [9], mas por razes ligadas estabilidade ptica, estava limitado a poucas cavidades aceleradoras.

Em 1967, Wiik e Wilson propem um projeto mais verstil, o racetrack com dois eletroms [12], sendo que entre eles situava-se um acelerador linear. O efeito de desfocalizao axial, causado pelo campo de borda dos eletroms, era atenuado pela insero de magnetos quadrupolares entre rbitas subseqentes. Na FIG. 4 apresentada uma ilustrao deste tipo de

mquina. Posteriormente, este design valeu-se de uma nova forma para focalizao axial do feixe, desenvolvida no mesmo ano [13]. Esta focalizao envolvia o uso de magnetos com a polaridade revertida, dispostos ao longo da borda de cada um dos dois dipolos de 180o. Todos os mcrotrons construdos a partir de 1973 usam este tipo de soluo.

FIGURA 4 Racetrack mcrotron com dois setores semicirculares [10]. O nome mcrotron, que deriva do fato de se utilizar RF na faixa de

microondas (micro[wave]tron), devido a L.I. Schiff [9, 14, 15], embora no artigo de Schiff citado como aquele que o nomeia [11], no exista nenhuma referncia explcita de que o nome tenha ali sido cunhado.

19

1.4 O Mcrotron do IFUSP

O LAL est construindo um acelerador de eltrons de onda contnua, do tipo

racetrack mcrotron [7] para uso em pesquisa bsica e aplicada. As caractersticas principais deste acelerador so apresentadas na TAB. 1

TABELA 1 - Caractersticas principais do Mcrotron do IFUSP

Canho de eltrons Energia de sada (keV) 100 Corrente (mA) 2 Dimetro do feixe (mm) 2 Emitncia transversal (pi mm-mrad) 2,3

Injetor Captura Pr-acelerador

Energia de entrada (MeV) 0,1 0,85 Energia de sada (MeV) 0,85 1,8 Disperso em energia (keV) 2,7 2,3 Dimetro do feixe (mm) 2,4 2,6 Potncia de RF (kW) 9,0 9,0 Comprimento (m) 1,00 1,47

Mcrotron booster Energia de entrada (MeV) 1,8 Energia de sada (MeV) 4,94 Corrente (A) 50 Potncia de RF (kW) 7,0 Ganho de energia por volta (MeV) 0,63 Nmero de voltas 5 Comprimento da seco (m) 0,78 Campo magntico recirculador (T) 0,0986 Raio da primeira rbita (cm) 7,6 Raio da ltima rbita (cm) 18,2

Mcrotron principal Energia de entrada (MeV) 4,94 Energia de sada (MeV) 38 Corrente (A) 50 Potncia de RF (kW) 13,0 Ganho de energia por volta (MeV) 0,93 Nmero de voltas 43 Comprimento da seco (m) 1,04 Campo magntico recirculador (T) 0,1587 Raio da primeira rbita (cm) 11,5 Raio da ltima rbita (cm) 68,6

20

O acelerador composto por um estgio injetor, com um sistema chopper/buncher e um pr-acelerador linear de 1,8 MeV, seguido de um mcrotron booster de 5 voltas com energia de sada de 5 MeV e um mcrotron principal de 43 voltas, que eleva a energia do feixe final para 38 MeV. O acelerador possui quatro estruturas aceleradoras operando na freqncia

de 2450 MHz e fornecer um feixe com at 50 A de corrente CW. O acelerador tem incio no canho de eltrons, que uma vlvula triodo em cujo

catodo aplicado o potencial negativo de 100 kV. As fontes de alimentao do filamento, grade e pulsadores da grade, bem como o sistema de controle destas fontes, encontram-se sob alta

tenso.

As quatro estruturas aceleradoras so alimentadas por RF proveniente de uma nica

vlvula klystron (50 kW contnuos). Uma malha de guias de onda faz a distribuio da RF para as estruturas. Cada estrutura possui um sistema de controle de potncia e fase da RF.

As estruturas por sua vez, tambm possuem um sistema de controle da freqncia de ressonncia, de forma a sintoniz-las para aceitar a RF com um mnimo de reflexes.

O chopper, cujo objetivo picotar o feixe de eltrons na fase correta, preparando-o para o processo de empacotamento, composto por duas cavidades ressonantes e uma fenda, e

tambm possui um controle de fase e potncia de RF. O buncher, responsvel pelo empacotamento dos eltrons, para que tenham uma

distribuio temporal compatvel com o processo de acelerao, composto por uma cavidade ressonante, e tambm possui um sistema para controlar a fase e a potncia de RF.

Na FIG. 5, apresentado o primeiro estgio do Mcrotron, com o injetor, as duas primeiras estruturas e o mcrotron booster.

FIGURA 5 Primeiro estgio do Mcrotron do IFUSP. So apresentados o injetor, as duas primeiras estruturas aceleradoras e o mcrotron booster.

Chopper Buncher

Estrutura 1

Canho

Estrutura 2 Booster

Injetor

21

O sistema de transporte do feixe inclui lentes magnticas solenoidais e quadrupolares, para focalizao do feixe, defletores magnticos (steerings) para o controle do posicionamento do feixe, alm de eletroms dipolares, para o controle da trajetria. Destaca-se em particular, os dipolos do mcrotron booster e do mcrotron principal, que devem possuir um campo com homogeneidade da ordem de uma parte em 10.000. Na FIG. 6 apresentada uma viso ampliada do mcrotron booster.

FIGURA 6 Viso ampliada, apresentando detalhes do mcrotron booster.

O feixe poder ser extrado logo aps o booster ou depois de completar uma das 43 rbitas no mcrotron principal. O feixe ser desviado e guiado pelo sistema de transporte, at um salo experimental contguo ao salo do acelerador, porm um andar mais baixo. O salo

experimental visvel na Fig. 1.

O sistema de diagnstico do Mcrotron conta com viewscreens, para se conhecer a

posio e forma do feixe. Estes dispositivos so compostos por uma tela fluorescente (xido de berlio), que, por meio de um acionamento pneumtico, so inseridos transversalmente ao eixo de propagao do feixe. Uma cmera de TV capta a imagem produzida e a envia para a sala de controle. Esta imagem pode ser digitalizada para a extrao de outras informaes do feixe.

Alm dos viewscreens, existiro tambm outros dispositivos no destrutivos de monitoramento do feixe, como monitores de posio baseados em cavidades ressonantes e

wirescanners.

Dipolos de 180o

Estrutura do Booster

Dipolo

22

Todo o interior do acelerador ser mantido em baixa presso, por meio de um sistema baseado em bombas inicas tipo sputter-ion. A presso final do sistema da ordem de

10-6 Pa (10-8 Torr). Um sistema de arrefecimento hidrulico permeia todo o acelerador, incluindo-se a:

vlvula klystron, malha de distribuio de RF, estruturas aceleradoras, chopper/buncher e alguns eletroms. Outros eletroms possuem um sistema de arrefecimento com ventilao

forada. O Mcrotron est sendo construdo em um prdio que j abrigou um acelerador

linear de eltrons de 70 MeV. Portanto, do ponto de vista da proteo radiolgica, um prdio adequado. Porm em funo da nova disposio deste acelerador, que ocupar o andar superior

do prdio, a sala de controle no pode mais ficar contgua mquina. Dessa forma, faz-se necessrio que o controle seja realizado de uma sala remota. desejvel que o conjunto de cabos e fios eltricos entre o acelerador e a sala de controle seja mantido o menor possvel.

A manuteno do acelerador dever ser realizada por uma pequena equipe

pertencente aos quadros do LAL, que dever ser capaz, entre outras atividades, de lidar com toda a complexidade de um moderno sistema de controle.

23

2 OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho projetar e construir um sistema de controle computadorizado, distribudo e hierarquizado, com as caractersticas descritas no item 1, para o

acelerador Mcrotron do IFUSP. O sistema de controle ser considerado operacional quando for possvel controlar e

monitorar os principais parmetros da mquina a partir de uma sala de controle remota, de forma a produzir um feixe de eltrons com energia superior a 1 MeV. Uma vez que, para atingir

esta energia, necessrio que os principais subsistemas de controle estejam funcionando adeqadamente.

2.1 Objetivos especficos

O trabalho inclui:

projeto e construo de controles no nvel dos subsistemas, incluindo-se a tanto o hardware (que pode ser composto por uma instrumentao j existente ou por uma que venha a ser projetada e construda), quanto o software. Faz parte do escopo deste trabalho a construo dos seguintes dispositivos: controlador do canho de

eltrons; controlador dos defasadores e atenuadores de RF; controlador dos pistes de sintonia das estruturas aceleradoras; controlador do campo magntico dos

eletroms;

projeto e construo do software de controle de mais alto nvel, composto por interface humano-computador (localizado no console do operador), heursticas de controle e monitorao, e integrao com um banco de dados (que contenha diversas informaes sobre o acelerador);

interligao e integrao dos diversos subsistemas e instrumentos por meio de redes

de comunicao, propiciando o fluxo de informaes entre o console e os subsistemas. Como estes instrumentos so dos mais diversos tipos e fabricantes, isto

implica no trato com diversos tipos de interfaces, suas vrias especificaes mecnicas e eltricas, e principalmente seus diversos protocolos de comunicao.

24

Alm disso, o sistema de controle dever obedecer a certas restries ligadas realidade do LAL, portanto espera-se que o sistema possua as seguintes caractersticas:

confiabilidade o sistema deve ser suficientemente robusto para suportar vrios anos de operao;

flexibilidade embora robusto, o sistema deve apresentar caractersticas que

facilitem a sua alterao em virtude das mais diversas razes, e isto deve ser alcanado pela equipe de operao e manuteno do acelerador;

escalabilidade o tempo de vida deste acelerador, somado ao tempo de projeto e construo, ser maior que o tempo no qual oferecido suporte a muitos dos

sistemas de controle comerciais [16, 17], em especial computadores e softwares. Alm disso, devido evoluo da tecnologia durante o perodo de existncia da

mquina, novos equipamentos podero surgir, abrindo possibilidades para experimentos at ento no vislumbrados. Desta forma torna-se desejvel poder alterar ou at mesmo substituir certos subsistemas, de forma a manter a mquina sempre evoluindo, e novamente, isto deve ser passvel de ser alcanado com a

estrutura atual do LAL;

custo o sistema deve ser construdo respeitando-se as disponibilidades

oramentrias do LAL (tanto em volume quanto em periodicidade). Por outro lado, como esta mquina deve manter-se cientificamente ativa por pelo menos 10 anos,

faz-se necessrio gerar condies adequadas para que seja possvel a manuteno dos equipamentos, mesmo em situaes de baixo oramento.

Embora existam vrios sistemas de controle para diferentes tipos de aceleradores, o

sistema proposto possui uma srie de caractersticas (de cunho tcnico, cultural e financeiro) que, somadas, o tornam nico. Apesar de construdo a partir de partes ou componentes em sua

maioria disponveis no mercado, este sistema requer uma organizao interna, para que essas partes possam ser integradas de forma orgnica e coerente, o que o torna indito e original.

25

3 METODOLOGIA

Para atingir os objetivos propostos no item 2, uma das primeiras decises a serem tomadas envolve a escolha da arquitetura do sistema de controle.

O uso de um sistema computadorizado distribudo para controlar aceleradores tem,

desde muito cedo [18], apresentado vrias vantagens sobre um sistema central, como, por exemplo, um maior isolamento entre atividades diversas como aquisio de dados e

computao, permitindo que, no caso de um mal funcionamento de uma das partes, a outra possa continuar operando e eventualmente efetuar operaes de armazenamento de dados e

desligamentos de hardware de forma organizada. Uma outra vantagem a possibilidade da instalao de mquinas prximas aos dispositivos que se deseja controlar ou dos quais adquirir dados. Isto aumenta a imunidade a rudos dos sinais analgicos, uma vez que estes sinais no tm que percorrer um longo caminho at poderem ser digitalizados e adquiridos. Isto tambm

diminui a complexidade dos sistemas de condicionamento de sinais, amplificadores, discriminadores e buffers, que tornam os sinais provenientes dos sensores mais adequados para o envio ao sistema de aquisio de dados.

Porm, a principal vantagem de um sistema distribudo talvez seja o preo, uma vez que mquinas menores so sempre mais baratas e os sistemas de comunicao entre

computadores esto cada vez mais confiveis e baratos. A desvantagem nesse barateamento do hardware o encarecimento do software, nem tanto do ponto de vista financeiro, mas

principalmente do ponto de vista da complexidade, uma vez que agora necessrio um gerenciamento das transaes entre os diversos computadores.

Uma arquitetura que tem sido extensivamente utilizada na construo de sistemas de controle computadorizado distribudo para aceleradores a que se convencionou chamar de

"modelo padro" ou "modelo das trs camadas". Embora este modelo tenha ganhado fora na ltima dcada, possvel encontrar

exemplos de mquinas construdas h mais de 20 anos e que j usavam esta abordagem, incluindo-se a mcrotrons [19].

Este modelo tem permanecido relativamente estvel nos ltimos 10 anos, a despeito da evoluo ocorrida nos detalhes de suas vrias implementaes. Grandes instituies

como CERN, BNL, DESY, FERMILAB e SLAC, vm construindo mquinas baseadas neste

26

modelo, que mostrou-se extremamente adaptvel e provavelmente continuar a ser o modelo escolhido para aceleradores ainda a serem projetados [6].

Uma das mais modernas e complexas mquinas (em fase final de construo) o LHC (CERN), utiliza este conceito [20]. Ao mesmo tempo, possvel encontrar pequenos aceleradores para pesquisa (semelhantes ao Mcrotron do IFUSP) que tambm fazem uso deste modelo [21, 22], o que comprova a sua flexibilidade.

O modelo das 3 camadas traz no seu cerne a arquitetura cliente-servidor. Deve-se entender por cliente a mquina ou software que requisita uma ao ou servio, ao passo que o

servidor a mquina ou software que prov o servio requisitado. A arquitetura do sistema de controle escolhida para o Mcrotron foi a de um sistema

distribudo seguindo o modelo das trs camadas. A interpretao deste modelo feita neste trabalho apresentada na FIG. 7.

Gerente(Console do Operador)

Micros Industriais

Medidor de Vcuo

Potncia de RF

Controle doDefasador/Atenuador

Camada dos Dispositivosde Entrada/Sada

Camada de Servidoresde Dispositivos

Camada de Interfacecom o Usurio

FIGURA 7 Modelo das trs camadas proposta para o Mcrotron.

3.1 Camada dos dispositivos de entrada/sada

A camada dos dispositivos de entrada/sada aquela localizada mais prxima ao

hardware do acelerador e compreende os instrumentos diretamente conectados a sensores e atuadores. No caso do Mcrotron, vrios destes instrumentos j existiam (por ex.: medidores de vcuo, medidores de potncia de RF), outros foram adquiridos no mercado nacional e internacional, e outros ainda, foram construdos no prprio LAL.

27

Estes dispositivos contm elementos sensores e uma eletrnica para condicionamento dos sinais, uma vez que estes so tipicamente de baixa intensidade,

necessitando de estgios de amplificao, filtragem e discriminao. Alguns dispositivos possuem uma "inteligncia embarcada", o que significa que

so capazes no s de adquirir os sinais, mas tambm executar funes de processamento destes sinais com a finalidade de refin-los. Entre estas funes pode-se citar a compensao de certas

caractersticas inerentes a sensores, como por exemplo: offset (o sensor gera uma sada quando o sinal a ser medido zero); deriva do offset; deriva do ganho; no-linearidade; sensibilidade com a temperatura; susceptibilidade a rudo e sensibilidade cruzada (pois a maioria dos sensores sensvel a vrios tipos de grandezas diferentes). O aprimoramento dos sinais para a extrao de caractersticas teis outra funo dos dispositivos inteligentes, como a filtragem, que pode ser realizada tanto no domnio do tempo como no da freqncia.

Outra particularidade dos dispositivos inteligentes a capacidade de comunicao, que oferece a possibilidade da transferncia de tanta informao quanto necessria e to pouca

quanto possvel, pois os dados brutos podem sofrer um pr-processamento e somente ento serem encaminhados para o canal de comunicao [23]. Finalmente, estes dispositivos tambm podem ser capazes de executar algoritmos de controle.

Usualmente as caractersticas acima so conseguidas com o uso de microprocessadores ou microcontroladores nos dispositivos.

No caso do Mcrotron, encontram-se na camada dos dispositivos de entrada e sada, dispositivos inteligentes que se comunicam via RS232, RS485, GPIB, interfaces pticas e interfaces proprietrias, alm de dispositivos tradicionais, que se comunicam via sinais analgicos (corrente e tenso) e digitais compatveis com a tecnologia TTL e CMOS. Esta diversidade de sinais, mais do que sua quantidade, e a necessidade de manter baixo o custo do sistema, geram um desafio para a definio e implementao da prxima camada do sistema de

controle.

3.2 Camada dos servidores de dispositivos

A camada dos servidores de dispositivos aquela imediatamente acima da camada dos dispositivos de entrada e sada (FIG. 7) e surge da necessidade de adquirir e integrar os dados provenientes dos vrios instrumentos da primeira camada. Ou seja, seu objetivo o de servir aos dispositivos de entrada e sada e prover acesso a estes. Isto conseguido

transportando-se estes dados at uma inteligncia local, por meio de algum barramento de

28

dados, que por sua vez executar atividades de controle reativo. Nesta camada encontram-se os assim chamados computadores front-end.

Embora seja difcil precisar as datas, pode-se afirmar (de forma bastante simplificada), que do final dos anos 70 at meados dos anos 80, nos grandes centros de pesquisa internacionais, o paradigma da camada dos servidores de dispositivos era o padro CAMAC ligado a minicomputadores (tipicamente mquinas da Digital Equipment Corporation como PDPs e VAXes, ou mquinas HP) executando sistemas operacionais VMS ou UNIX. De meados dos anos 80 at o final dos anos 90, o paradigma torna-se o padro VME executando sistemas operacionais de tempo real como VxWorks e OS9, ou ainda UNIX (em suas vrias implementaes). Deve-se notar que as interfaces proprietrias tambm conviveram com estes padres [2, 24-26].

A interface CAMAC um padro internacional de eletrnica modular, inicialmente

definida pelo comit de laboratrios europeu ESONE e posteriormente pelo IEEE por meio da norma IEEE 583-1975. A funo do CAMAC prover um meio (eltrico e mecnico) para que uma grande gama de instrumentos modulares sejam interligados, por meio de um barramento (chamado Dataway), e interfaceados com um computador. Dessa forma, as alteraes em um sistema de controle ou aquisio de dados podem ser feitas conectando-se mdulos adicionais e fazendo as alteraes necessrias no software. Os mdulos so conectados a um bastidor de 19" contendo 25 posies para insero, sendo que a 25a posio reservada para um mdulo especial, o Crate Controller. O objetivo deste controlador fazer a transferncia dos dados entre os mdulos e o computador. Alm dos barramentos de controle e dados, o Dataway tambm

contm as linhas de sincronismo e alimentao [27]. Vrias mquinas utilizaram ou ainda utilizam CAMAC em seus sistemas de

controle, como por exemplo MAMI, KEK Photon Factory e LUE200 [28-30]. Em funo dos grandes investimentos feitos nos hardwares dos aceleradores, muitos dos sistemas mais antigos

no so simplesmente descartados, continuando a trabalhar juntamente com as tecnologias mais modernas. Portanto, embora a tecnologia CAMAC j possua vrios anos, ainda muito utilizada nos sistemas de controle de aceleradores relativamente modernos [31].

O VME um padro internacional para interconexo de dispositivos de

processamento e armazenamento de dados e controle de perifricos. Ou seja, o VME foi projetado como um barramento para um computador (capaz de aceitar multiprocessadores). O VME surgiu como uma evoluo do Versabus, desenvolvido pela Motorola, porm utilizando conectores Eurocard e aceitando processadores de 32 bits (atualmente at 64 bits). A especificao definitiva veio com a norma IEEE 1014-1987.

29

O VME possui um gerenciamento do barramento com tempos de resposta muito precisos e uma taxa de transferncia de 40 Mbytes/s (atualmente 80 Mbytes/s). Alm disso, suporta vrios sistemas operacionais de tempo real, capazes de tempos de resposta a interrupes da ordem de alguns microssegundos. Como resultado, ele logo foi usado para

sistemas de controle e aquisio de dados de alta velocidade e grande fluxo de dados. Porm, o VME no possua uma fonte de alimentao de 15 V (muito usada para

a eletrnica de condicionamento de sinais), tambm no havia uma definio para a potncia mxima consumida por cada mdulo e para o arrefecimento. Alm disso, os mdulos no

possuam uma caixa metlica (como o CAMAC), o que gerava problemas relacionados interferncia eletromagntica. Estes problemas foram logo corrigidos levando criao do

padro VXI, trazendo os benefcios do VME para a rea de teste e medio [32]. Vrios aceleradores utilizam VME como parte de seu sistema de controle [33-36].

Uma outra tecnologia utilizada na camada dos servidores de dispositivos em vrios laboratrios o CLP (Controlador Lgico Programvel). Um CLP tradicional composto por uma UCP e vrios mdulos de entrada e sada (digitais ou analgicos) acondicionados em um bastidor. Existem vrios fabricantes de CLPs, cada qual com vrios modelos que seguem

padres mecnicos e eltricos definidos pelos prprios fabricantes e normalmente incompatveis entre si.

Os CLPs tm sido utilizados para automao industrial desde os anos 60, como substitutos dos circuitos seqenciais a rels, sendo que as seqncias de ligamentos ou desligamentos de suas sadas so controladas por software. Atualmente, a maioria programada

em uma das linguagens do padro IEC-61131-3, das quais a mais popular a Ladder. Os modernos CLPs possuem grande capacidade de processamento, mdulos complexos (controle de motores e controladores PID) e capacidade de interconexo entre si e com outros computadores.

Vrios laboratrios utilizam CLPs na camada de servidores de dispositivos, ou na camada dos dispositivos de entradas/sada (funcionando como um dispositivo inteligente), normalmente em atividades ligadas ao controle de intertravamentos [1, 33, 37-44]. Alguns poucos problemas foram reportados, como um caso onde os CLPs utilizados no possuam o

poder de processamento necessrio e PCs foram acoplados a estes de forma a diminuir a carga de processamento [38]. Em outro caso foram identificados a falta de um sistema de sincronizao preciso o suficiente e uma certa dificuldade em se obter a interface com o padro GPIB [42].

30

De meados dos anos 90 at hoje, uma nova plataforma tem se estabelecido como front-end, o computador pessoal (PC). A definio para um PC, neste caso, a de um microcomputador centrado em torno de processadores Intel ou AMD e executando sistemas operacionais Microsoft Windows ou Linux.

Embora no ambiente dos aceleradores possa-se encontrar PCs montados na sua forma mais conhecida, como um gabinete em forma de torre, uma outra montagem mais

robusta tambm freqentemente encontrada a montagem em bastidor padro 19", tambm conhecido como PC industrial. Neste caso, alm do gabinete especial, a mquina possui um

sistema de arrefecimento mais eficiente, uma fixao mecnica dos componentes internos mais robusta, uma melhor blindagem contra interferncias eletromagnticas e, em especial, um maior

nmero de conectores para acesso ao seu barramento de dados interno. Diferentemente de outros padres como CAMAC e VME, onde as especificaes

(normalmente) no se alteram, as interfaces de um PC esto sempre evoluindo e, conseqentemente, mudando. Em especial seu barramento, que o duto principal por onde

circulam os dados e , portanto, a principal via de interconexo com o mundo externo, vem sofrendo vrias mudanas ao longo da histria dos PCs. Apesar do grande nmero de

barramentos, apenas uns poucos acabaram se tornando padres de fato, como o caso do ISA e do PCI.

Alm do hardware, os sistemas operacionais dos PCs tambm esto em contnua

mudana, o que, por sua vez, se torna uma fora impulsionadora de novas mudanas no hardware. Embora essa mudana contnua produza tenso sobre o gerenciamento de um sistema

de controle baseado em PCs, ela tambm pode se tornar uma fora geradora de estmulo, uma vez que garante a escalabilidade de todo o sistema [17].

Os PCs atuais oferecem um incrvel poder de processamento a um custo bem mais baixo que as interfaces VME, CAMAC e vrios CLPs. Alm disso, existe uma enorme

quantidade de fabricantes de diversas interfaces para aquisio de dados e controle, construdas para os barramentos internos destes PCs, que se tornaram um padro de fato, o que garante

flexibilidade no design, na implementao e no custo [45]. Atualmente h uma grande quantidade de instituies que utilizam PCs como parte

dos sistemas de controle de seus aceleradores, de forma isolada ou associada a outros padres [1, 21, 22, 36-39, 44, 46-55]. Em especial, pode-se citar o complexo de aceleradores do laboratrio alemo DESY, no qual os PCs possuem um papel dominante, sendo que, dos aproximadamente 500 computadores, a maioria so PCs [56-58]. O ponto de partida deste sistema de controle veio de uma facilidade existente no laboratrio CERN, um separador de

31

istopos (ISOLDE) e sua rea experimental, cujo sistema de controle e aquisio de dados foi, a partir de 1992, baseado em PCs [59-61].

Uma amostra da fora dos PCs na comunidade a existncia das PCaPACs (International Workshop on Personal Computers and Particle Accelerator Controls), que so conferncias internacionais versando sobre o uso de PCs para o controle de aceleradores. Desde 1996 j ocorreram seis destas conferncias.

Neste trabalho, a segunda camada de controle foi implementada utilizando-se PCs industriais executando o sistema operacional Microsoft Windows. Atualmente, dois destes PCs

industriais participam desta camada.

3.3 Camada da interface com o usurio

A terceira camada, no modelo das trs camadas, a da interface com o usurio, FIG

7. Nesta camada feita a apresentao do status do acelerador, e podem ser executados algoritmos de controle mais sofisticados, que necessitem de informaes provenientes de mais

de um PC da camada dos servidores. onde o usurio pode interferir nas condies de operao da mquina por meio de um ou mais consoles. Portanto, nesta camada realizado o

controle do processo de obteno de um feixe de eltrons com caractersticas bem estabelecidas. Tipicamente, pode-se encontrar cinco tipos de usurios que utilizam esta

camada [16]: o experimentador, que o usurio do feixe de eltrons e que normalmente precisa

de informaes concisas, referentes, por exemplo, corrente do feixe, energia e resoluo em energia;

o operador da mquina, cujas necessidades esto relacionadas ergonomia da sala de controle, existncia de sistemas de auto-diagnstico e velocidade de reao dos

controles sobre a mquina;

o fsico de mquina, que normalmente precisa de informaes mais detalhadas que o

operador, como, por exemplo, aquelas provenientes de parmetros arquivados ao longo do tempo, que permitam um melhor entendimento da dinmica da mquina;

o pessoal de manuteno, responsvel pelos dispositivos eletrnicos e que precisa de

acesso a informaes mais internas do sistema, para a realizao de diagnsticos e testes;

o projetista do software do sistema de controle, que almeja o projeto de uma estrutura de software clara e capaz de permitir manutenes.

32

A camada da interface com o usurio deve se capaz de atender as necessidades dos

vrios usurios e, ao mesmo tempo, respeitar os vnculos impostos ao Mcrotron, descritos anteriormente. Deve-se lembrar que, nesta mquina em particular, um mesmo usurio pode

pertencer a mais de uma categoria. O software a ser utilizado no console pode ser enquadrado em trs categorias:

desenvolvido no prprio laboratrio; comercial; ou proveniente de uma colaborao entre diversos laboratrios da comunidade cientfica.

No caso das colaboraes, vrios softwares para controle de aceleradores existem, tais como EPICS, COACK, TINE, DOOCS, ACS, TANGO, ACOP, CDEV, Abeans,

CosyBeans, XAL, Databush, apenas para nomear alguns [62, 63]. Muitos destes sistemas permeiam as camadas de interface com usurio e de servidores, e portanto, so responsveis

pela sua intercomunicao. Como alguns do mais nfase a uma das camadas em detrimento da outra, uma comparao direta entre eles torna-se inadequada. Outros ainda no so um

programa, mas um conjunto de programas (ferramentas), como gerenciadores de banco de dados, protocolos de comunicao e ferramentas para construo de interfaces grficas, que, em

certos casos, podem ser utilizados separadamente. Talvez o mais conhecido destes seja o EPICS (Experimental Physics and Industrial

Control System) [64] , que se encaixa na categoria acima de multi-ferramenta (tool kit). EPICS comeou como uma colaborao entre o Argonne National Laboratory e o Los Alamos National Laboratory em 1991 e atualmente executado em mais de 70 locais ao redor do mundo [65], controlando aceleradores, detectores e telescpios. Inicialmente EPICS foi projetado para ser usado com UNIX na camada da interface com o usurio e com VME e o sistema operacional VxWorks na camada de servidores. Somente em 2002, com a introduo da verso 3.14.1, EPICS passou a suportar outros sistemas operacionais na camada de

servidores. Embora EPICS apresente uma srie de vantagens, advindas do fato de ter sido

criado e mantido por meio de colaboraes internacionais, seu uso em pequenos laboratrios pode ser complicado. Uma das razes o alto custo inicial, na aquisio das interfaces VME e

das licenas VxWorks (pelo menos at 2002), outra razo que a informao para iniciantes insuficiente, existem muitos manuais de referncia para profissionais, mas poucos para

iniciantes. Alm disso, EPICS possui muitas ferramentas distintas que realizam a mesma tarefa, o que dificulta a avaliao de qual ferramenta usar em cada situao. Como resultado o iniciante

normalmente necessita do auxlio de um especialista em EPICS. Em geral, pode-se afirmar que

33

EPICS mais adequado para uso em grandes projetos de pesquisa [46, 66, 67], embora recentemente, esforos estejam sendo feitos para permitir que pequenos aceleradores possam utiliz-lo com sucesso [68].

Apesar de sua grande aceitao, algumas instituies j preteriram EPICS em funo de tecnologias "mais modernas" [69].

No caso dos softwares comerciais, existem vrios termos designando o tipo

necessrio para o controle de um acelerador, DCS (distributed controls systems), SCADA (supervisory control and data acquisition) e ainda SCADA/AGS (SCADA/automatic generation control). Atualmente, o termo mais usado talvez seja SCADA.

De uma maneira geral pode-se dizer que SCADA se refere a uma coleo de

equipamentos e softwares que fornecem a um operador, numa localizao remota, meios suficientes para a determinao do status de um determinado equipamento ou de um subsistema

e uma forma para exercer algum tipo de controle sobre estes [70]. Por esta definio, todos os sistemas de controle de aceleradores existentes podem ser classificados como SCADA, mais ou

menos sofisticados. Porm, usualmente, este termo empregado num sentido mais restrito, significando um software capaz de adquirir dados e controlar unidades remotas.

Pode-se encontrar vrios aceleradores que possuem SCADAs comerciais participando, de forma nica ou integrada, de seus sistemas de controle [30, 71, 72].

A grande diferena entre um software comercial e um proveniente de uma

colaborao ou produzido no prprio laboratrio que o comercial normalmente direcionado para a aplicao, com o mnimo de programao necessria, enquanto os outros so mais

focados na flexibilidade. Aceleradores para pesquisa so caracterizados pela constante mudana nos modos de operao [73] e, no caso do Mcrotron em particular, isto torna-se verdadeiro uma vez que a prpria mquina objeto de pesquisas e desenvolvimentos.

Como a sala de controle localiza-se em um prdio separado do prdio do

acelerador, desejvel que a quantidade de cabos para a interligao desta sala mquina seja a menor possvel. Com o uso de uma rede local de comunicao, interligando os computadores,

possvel diminuir grandemente o cabeamento. Neste trabalho, o console foi implementado por meio de um PC, conectado aos PCs

industriais (camada dos servidores de dispositivos) por meio de uma rede local. Apesar disso, algumas informaes ainda seguem por outras vias, tais como determinados sinais analgicos,

alguns sinais de intertravamentos, sinais de TV, controles liga/desliga e desligamentos de emergncia.

34

Em funo da necessidade de flexibilidade, facilidade de manuteno e custo compatvel com o oramento, optou-se pelo desenvolvimento do software do console no

prprio LAL. Este software desempenha as funes de interface humano-computador (IHC), monitorao e controle, sendo desenvolvido com a ajuda da ferramenta LabWindows/CVI [74] e usando o sistema operacional Microsoft Windows.

Geralmente h uma tendncia de se devotar mais tempo na programao dos

servidores de dispositivos, nas rotinas de baixo nvel (diretamente ligadas ao hardware), nos protocolos de comunicao e nas interaes com banco de dados, ficando a IHC relevada a um

segundo plano [75]. Porm, como o processo do controle do acelerador envolve um operador humano, este deve ser considerado parte do sistema. Dessa forma, faz parte deste trabalho o

desenvolvimento de uma IHC amigvel, que apresente os dados de maneira clara e sem ambigidades e cujo objetivo seja tornar o operador mais eficiente.

A National Instruments, fabricante do LabWindows/CVI, tambm produz um software com caractersticas similares, porm voltado a no programadores: o LabView. Por

sua natureza voltada a no programadores, o LabView muito mais popular que o LabWindows/CVI, sendo encontrado como parte do sistema de controle de vrios

aceleradores [6, 36, 45-47, 50-52, 67, 76].

35

4 HARDWARE DOS SUBSISTEMAS

4.1 Controle automtico da freqncia de ressonncia das estruturas aceleradoras

O Mcrotron possui quatro estruturas aceleradoras que operam em temperatura

ambiente [77]. As estruturas so os dispositivos principais utilizados para acelerar os eltrons. Cada estrutura composta por uma srie de cavidades ressonantes acopladas, dessa

forma o conjunto possui uma freqncia de ressonncia principal. Estas estruturas so alimentadas pela RF proveniente de uma nica vlvula klystron (operando na freqncia de 2,45 GHz) e distribuda por meio de uma rede de guias de onda. Em mdia, as estruturas recebem uma potncia de RF da ordem de 10 kW, que quase totalmente absorvida pelas

estruturas e dissipada na forma de calor. Para evitar superaquecimento, as estruturas possuem um sistema de arrefecimento hidrulico.

Para que ocorra a mxima transferncia de energia da RF para as estruturas e, conseqentemente, para o feixe de eltrons, a freqncia de ressonncia da estrutura deve

coincidir com a freqncia da fonte de RF. A geometria das cavidades define a sua freqncia de ressonncia e esta geometria afetada por fatores externos, como presso e temperatura.

Existem vrias tcnicas para manter iguais as freqncias da fonte de RF e de

ressonncia de uma estrutura aceleradora:

Controle da freqncia de ressonncia da estrutura por meio do controle de sua

temperatura;

Controle da freqncia de excitao;

Controle da freqncia de ressonncia da estrutura por meio de pistes de

sintonia.

Embora a tcnica do controle da freqncia de ressonncia pelo controle da

temperatura da estrutura tenha sido utilizada em vrios aceleradores [78-84], ela necessita de um sistema hidrulico bastante complexo, alm de possuir um tempo de resposta relativamente

longo.

O controle por meio da variao da freqncia de excitao no pode ser executado

no Mcrotron em funo de haver uma nica vlvula klystron alimentando as quatro estruturas, o que impede variaes de freqncia diferentes para cada estrutura.

A tcnica escolhida para o Mcrotron foi o controle por meio de pistes de sintonia [77, 85]. Nesta tcnica, dois pistes (localizados nas cavidades extremas da estrutura)

36

movem-se para dentro ou para fora das cavidades, de forma a alterar sua geometria e, conseqentemente, sua freqncia de ressonncia. Como as cavidades so fortemente

acopladas, a freqncia de ressonncia de toda a estrutura pode ser alterada. Para atuar nos pistes, primeiramente necessria a deteco da condio de

ressonncia da estrutura. Isto pode ser feito de vrias maneiras:

Medindo-se a potncia de RF absorvida pela estrutura;

Medindo-se a potncia de RF refletida pela estrutura;

Medindo-se a diferena de fase entre o sinal de RF de excitao e o sinal de RF proveniente da estrutura.

A ltima forma aquela utilizada no Mcrotron, e o motivo dessa escolha explicado a seguir.

Qualquer sistema fsico, quando submetido a uma oscilao forada, e na presena de um amortecimento fraco, exibe curvas de amplitude e fase como as da FIG. 8, onde F0 a

freqncia de ressonncia do sistema.

120 160 200

0

100

200

F0

derivada mximada fase

Freqncia (unidades arbitrrias)

A2 (un

ida

des

arb

itrr

ias)

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

ng

ulo (pi

radian

os)

FIGURA 8 - Curvas de ressonncia para um sistema fsico. Amplitude ao quadrado (escala da esquerda) e fase (escala da direita) versus freqncia.

Embora possamos detectar a condio de ressonncia procurando pelo pico da

curva de amplitude, mais acurado observar a fase da oscilao, uma vez que a derivada da curva da potncia (A2) em F0 zero, enquanto a derivada da curva da fase nesta mesma freqncia mxima. Assim pequenas alteraes na freqncia de ressonncia so mais rapidamente notadas por meio da observao da fase.

37

Os detectores de fase podem ser analgicos, digitais, ou uma combinao de ambos. Os detectores digitais so utilizados para sinais de freqncia relativamente baixa

(at 500 MHz) e possuem como uma vantagem o fato de serem lineares. Para freqncias mais altas, como as encontradas no Mcrotron (2,45 GHz), duas tcnicas podem ser utilizadas: a tcnica heterdina, ou o uso de um misturador (mixer) configurado como detector de fase.

O objetivo da tcnica heterdina baixar a freqncia do sinal de RF, com a ajuda de um sinal de referncia, para uma freqncia intermediria (downconverter), sendo este sinal posteriormente submetido a um circuito (analgico ou digital) para a deteco da fase [86-88].

A tcnica do misturador funcionando como detector de fase apresenta alguns inconvenientes, como possuir o sinal de sada no linear e ainda sofrer influncia da amplitude

dos sinais de entrada, porm este foi o detector de fase escolhido para operar no Mcrotron, em funo de sua simplicidade.

O misturador (mixer) um dispositivo de translao de freqncia, que apresenta como sada o produto dos dois sinais de entrada (R e L). Considerando os sinais de entrada como:

)cos( RRR tV + e )cos( LLL tV + (7)

E tomando um misturador ideal, este produto tem a seguinte forma:

)cos()cos( LLRRLRout ttVVV ++= (8)

Usando-se identidades trigonomtricas, pode-se expressar Vout como uma soma de dois co-senos:

[ ] [ ]{ })()(cos)()(cos2

LRLRLRLRLRout ttVVV ++++= (9)

O sinal de sada apresenta duas freqncias: a diferena e a soma das freqncias dos sinais de entrada.

Um misturador real pode ser construdo a partir do uso de dispositivos cuja funo de transferncia seja no linear (diodo ou transistor), ou por meio da tcnica de chaveamento. Uma implementao de alta performance do misturador conhecida como "misturador duplamente balanceado" (DBM) [89]. No caso do misturador real, a sada apresenta, alm dos sinais de

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soma e subtrao, os prprios sinais de entrada (em funo de uma isolao finita entre as portas) e harmnicos de ordem superior.

O misturador pode funcionar como um detector de fase quando os sinais de entrada possurem a mesma freqncia e um filtro passa-baixas for usado na sada para eliminar os

sinais de alta freqncia (sinal soma e harmnicos), pois nesse caso, a equao (9) pode ser escrita como:

outR L

R LVV V

=

2cos( ) (10)

Este um sinal CC que contm a informao da diferena de fase entre os sinais de

entrada. A derivada de Vout apresenta um mximo quando a diferena de fase de 90o (zero volt), portanto esta a regio de trabalho mais sensvel.

Deve-se notar que Vout tambm funo da amplitude dos sinais de entrada. Para garantir que a sada seja proporcional apenas diferena de fase, os sinais de entrada devem possuir uma amplitude suficiente para colocar o misturador no modo saturado [90, 91].

4.1.1 Implementao

Na FIG. 9 apresentado um diagrama de blocos do controlador automtico da freqncia de ressonncia das estruturas

Estrutura aceleradora

Defasadorajustvel

Microcontrolador

E/S A/D

E/S

Motorde Passo Driver

Pisto

Amp.

ConversorRS-485

R L

DBM

Acoplador

Alimentaode RF

Antena

Sistema de controle:segunda camada

FIGURA 9 Diagrama de blocos do controlador automtico da freqncia de ressonncia das estruturas.

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Uma amostra do sinal de RF da estrutura obtida por meio de uma antena, passando a seguir por um defasador ajustvel (manual) e em seguida chega porta R do misturador. Um sinal de RF de referncia, vindo de um acoplador direcional localizado logo antes da estrutura, levado at a porta L do misturador. Deve-se notar que, apesar dos

acoplamentos da antena e do acoplador serem muito baixos (da ordem de -60 dB), como a potncia na estrutura muito alta (da ordem de 10 kW), os sinais obtidos j esto muito prximos dos nveis de potncia aceitveis pelo misturador.

O defasador ajustvel usado para compensar o offset do misturador e as diferenas de caminho, causadas por cabos de comprimentos diferentes, garantindo que, quando na ressonncia, a diferena de fase seja de 90o (e o sinal de sada do misturador seja zero volt). Isto conseguido movimentando os pistes manualmente ou alterando a temperatura do sistema de arrefecimento da estrutura e concomitantemente medindo-se a potncia absorvida pela

estrutura. Quando esta potncia for mxima (portanto na condio de ressonncia) o defasador ajustado para que a sada do misturador apresente zero volt.

O sinal de sada do misturador segue para a etapa de condicionamento e, posteriormente, para um conversor analgico/digital (AD). Na etapa de condicionamento, alm de amplificado, o sinal convertido de bipolar para unipolar (uma vez que a sada do misturador pode excursionar de aproximadamente -200 mV a +200 mV, porm o conversor AD s aceita sinais positivos, de 0 a 5V).

O conversor AD possui 8 bits e integrado ao microcontrolador PIC 16C73B (Microchip) [92].

Oito portas de entrada/sada digitais (E/S) do microcontrolador so direcionadas para um circuito de potncia (driver do tipo L/R) para o acionamento simultneo dos dois motores de passo (motores de quatro fases). Estes motores, por sua vez, esto acoplados aos pistes de sintonia da estrutura por meio de um conjunto de polias e correia dentada, produzindo uma reduo de 3:1. Dessa forma so necessrios 600 passos do motor para que o pisto mova-se 1 mm.

Por meio da interface de comunicao, este controlador integra-se camada dos servidores de dispositivos e, conseqentemente, ao restante do sistema de controle.

Se houver uma variao na freqncia de ressonncia da estrutura, o sinal de sada do misturador se afastar do valor de zero volt, e o software executado pelo microcontrolador

mover os pistes de forma o obter a condio de ressonncia novamente. Este software discutido no item 5.1.

40

Na FIG. 10 apresentada uma fotografia do motor de passo acoplado a um dos pistes.

FIGURA 10 - Motor de passo acoplado a um dos pistes por meio de uma correia dentada.

Uma das especificaes do Mcrotron que a resoluo em energia do feixe seja de 0,1 %. Para isso, a amplitude do campo acelerador pode flutuar at 0,5 % [77]. A curva de ressonncia uma lorentziana, onde a amplitude e a fase so dadas respectivamente por:

202

2

1

+

Qff

A ;

=22

0

0.

ffQ

ffarctg (11)

na qual:

f = freqncia de oscilao; f0 = freqncia de ressonncia = 2450 MHz; f = diferena entre a freqncia de oscilao e a freqncia de ressonncia; Q = fator de qualidade (aproximadamente 7500 para as estruturas [77]).

Uma variao de 0,5 % na amplitude mxima implica portanto em uma variao de 17 kHz na freqncia e 5,6 o na fase. Esta variao ento traduzida pelo misturador como um sinal de aproximadamente 30 mV. Como o objetivo deste controlador manter a tenso de sada do misturador muito prxima a zero volt, deve-se utilizar um amplificador com um ganho

41

adequado para possibilitar o uso da faixa dinmica do AD (0 a 5 V) e garantir que haja uma resoluo suficiente para a identificao de sinais da ordem de 30 mV.

4.1.2 Resultados e discusso

A variao na freqncia de ressonncia de uma estrutura, quando ambos os pistes de sintonia (nas extremidades da estrutura) so movimentados solidariamente, apresentada na forma de um grfico na FIG. 11.

0 5 10 15 20-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

Pistes na posio tima

Pistes totalmente p/afora da estrutura

Pistes totalmente p/adentro da estrutura

Varia

o na fre

q. re

ssonn

cia (kH

z)

Posio dos pistes (mm)

FIGURA 11 - Variao na freqncia de ressonncia com a posio dos pistes.

Neste grfico a posio tima (9 mm) corresponde quela na qual a freqncia de ressonncia da cavidade do pisto igual a das outras cavidades. Esta considerada a posio tima para funcionamento do pisto, pois nela que a eficincia da estrutura mxima [77]. As posies maiores que 9 mm so aquelas nas quais o pisto est saindo da cavidade e as posies menores que 9 mm so aquelas nas quais ele est entrando. Pode-se notar que um deslocamento de poucos milmetros j suficiente para corrigir centenas de kHz. Isto facilita a aplicao inicial da RF na estrutura, por permitir que a mesma esteja na ressonncia em temperaturas inferiores temperatura tima de operao. Uma vez atingida esta temperatura, os pistes

devem se mover aproximadamente 0,2 mm em torno da posio tima, o que equivale a

120 passos do motor (para manter a resoluo em energia dentro de 0,1 %, considerando-se um Q de 7500).

O primeiro prottipo do controlador automtico da freqncia de ressonncia das estruturas foi construdo utilizando-se um microcontrolador da famlia 8051 (Intel). Este microcontrolador foi inicialmente escolhido em funo de ser um padro na indstria e possuir

42

uma farta literatura. O 8051 no apresentava um conversor AD embutido, portanto foi necessrio o uso de um conversor externo (AD574 - Analog Devices).

Embora o microcontrolador 8051 tenha mostrado um desempenho satisfatrio [93], um segundo prottipo foi construdo em torno do microcontrolador PIC 16C73B (Microchip). Isso ocorreu em funo deste microcontrolador apresentar-se integrado com um conversor AD (o que simplifica o hardware) e com um watchdog timer (que torna o sistema mais robusto). Tambm foi possvel adquirir um compilador da linguagem C para este microcontrolador, o que facilita em muito o desenvolvimento do software, em especial com a possibilidade do uso de funes matemticas de ponto flutuante (utilizadas pelo algoritmo de controle). Alm disso, o custo do PIC inferior ao do 8051.

Utilizando este segundo prottipo, novos testes foram realizados com o objetivo de submeter a estrutura a variaes de temperatura e observar como a potncia absorvida variava conforme o controlador estivesse ligado ou desligado.

Os testes do controlador foram realizados injetando-se um sinal de 2,45 GHz, de baixa potncia, por meio de um acoplador guia-cabo, na entrada de uma das estruturas. Por meio de uma antena, interna estrutura, teve-se acesso ao sinal de sada, que foi ento amplificado e enviado ao controlador. Uma segunda antena forneceu o sinal para a medida da potncia. Um termopar fixado em um furo na superfcie externa da estrutura forneceu as informaes de temperatura. A FIG. 12 apresenta um esquema do arranjo de testes.

Controladordos pistes Amp.2 Amp.1

Medidor dePotncia

Estrutura aceleradora

Medidorde

TemperaturaAquisio

dedados

Oscilador a cristal2,45 GHz

FIGURA 12 - Arranjo para testes do controlador da freqncia de ressonncia das estruturas.

O sinal injetado foi proveniente do gerador de RF (a cristal) que alimenta a klystron e serve como referncia para todo o acelerador. O uso de dois amplificadores foi necessrio para

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a obteno da potncia necessria ao correto funcionamento do misturador. Com o arranjo ligado por duas horas, para estabilizao trmica, foi possvel obter-se uma incerteza na

freqncia de 0,0001% e uma incerteza na potncia de 0,1%.

As variaes de temperatura foram conseguidas circulando gua aquecida pelos canais internos da estrutura (usados para o arrefecimento), possibilitando um aquecimento homogneo da mesma. Para isto, foi montado um arranjo no qual a gua atravessava um aquecedor de passagem (2,5 kW), uma vlvula manual para controle de fluxo (tipo globo) e um fluxmetro at a estrutura. Dessa forma, por meio do controle do fluxo e da potncia do aquecedor era possvel alterar a temperatura da estrutura.

Na FIG. 13 apresentado um grfico da variao da potncia na estrutura em funo da temperatura, com o controlador dos pistes desligado.

33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 4530

40

50

60

70

80

90

100

110

Pot

nci

a (no

rma

liza

da)

Temperatura oC

FIGURA 13 - Potncia na estrutura em funo de sua temperatura. Controlador desligado com o pisto na posio tima.

Deste grfico pode-se notar que a posio do pico ocorre para uma temperatura de 39,6 oC, o que est em acordo com o projeto da estrutura, que previa a operao em 40 oC [77]. Alm disso nota-se que, para uma variao de 2 oC em torno do pico, obtm-se uma variao

de aproximadamente 16 % na potncia, com o controlador dos pistes desligado.

O mesmo experimento foi ento realizado com o controlador dos pistes ligado, e a FIG. 14 apresenta o grfico obtido.

44

34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 4698.0

98.2

98.4

98.6

98.8

99.0

99.2

99.4

99.6

99.8

100.0

100.2

Pot

nci

a (no

rma

liza

da)

Temperatura (oC)

FIGURA 14 - Potncia na estrutura em funo de sua temperatura, com o controlador dos pistes ligado.

Nota-se agora que, para uma variao de 2 oC em torno da posio de 40 oC,

obtm-se uma variao mdia de aproximadamente 0,3 % na potncia (ou 0,18 % no campo acelerador), com o controlador dos pistes ligado, o que suficiente para manter resoluo em energia requerida. No grfico percebe-se uma queda na potncia quando as temperaturas se afastam da temperatura tima de operao. Esta piora na eficincia deve-se ao fato de que, embora a estrutura como um todo esteja sintonizada, as cavidades extremas (onde se localizam os pistes) no esto bem sintonizadas, transferindo parte da energia para outros modos de oscilao [93].

Os testes acima foram realizados com um sinal de excitao proveniente de um gerador de RF, portanto de baixa potncia (dezenas de miliwatts). Estes mesmos testes tambm foram reproduzidos utilizando-se um sinal vindo diretamente da vlvula klystron, com uma potncia de 13 kW (potncia nominal de operao desta estrutura), com resultados anlogos

4.2 Controle automtico de fase e de potncia das estruturas aceleradoras e do sistema

chopper/buncher

Idealmente, os sistemas de controle de fase e potncia do campo acelerador devem no apenas controlar estes parmetros, mantendo-os dentro da estabilidade necessria, como tambm exibir caractersticas de auto-diagnstico, tratamento de situaes indesejadas, confiabilidade e facilidade de manuteno. Tipicamente os requisitos para a estabilidade de

45

campos aceleradores variam de 1% em amplitude e 1o em fase, at 0,01% em amplitude e 0,01o em fase (sendo estes ltimos em sees crticas de FELs) [87, 94].

A deteco dos parmetros do campo acelerador pode ser conseguida com detectores tradicionais de fase e amplitude (misturadores e diodos detectores, respectivamente) ou com detectores tipo IQ (in-phase e quadrature). Em ambos os casos pode-se trabalhar diretamente na freqncia de RF ou numa freqncia intermediria mais baixa (downconverted). Mais recentemente tem sido possvel digitalizar diretamente o sinal de RF para uma posterior extrao dos componentes de fase e amplitude, embora nestes casos a freqncia de RF seja relativamente baixa (aproximadamente 500 MHz). Nestes sistemas so empregados largamente FPGAs e DSPs para esta finalidade.

Quando as estruturas aceleradoras so individualmente alimentadas por uma vlvula klystron, a atuao sobre estes parmetros geralmente ocorre atravs do controle direto da fonte de excitao, por meio de moduladores IQ ou de defasadores e amplificadores controlados por tenso, ou seja, na regio de baixa potncia [94-104].

No caso de aceleradores com uma klystron e vrias estruturas, o controle feito individualmente para cada estrutura, controlando-se tanto a fase como a amplitude diretamente no sinal de alta potncia [105-107].

O sistema de RF do Mcrotron composto por uma nica vlvula klystron operando na freqncia de 2,45 GHz e capaz