Studio, progettazione e realizzazione di un sistema di acquisizione dati e di controllo relativo al prototipo del detector per la diagnostica delle linee di luce da ondulatore del Sincrotrone Elettra

Capitolo 2: Il sincrotrone 
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2.3.1 Il recinto di protezione dalle radiazioni ionizzanti 
Questa è una zona con schermature addizionali per le radiazioni ionizzanti (Hutch) ed è 
accessibile all’utente quando non è in corso l’iniezione degli elettroni nell’anello e le due valvole di 
blocco del fascio poste nel FE sono entrambe chiuse (SHUTTER E STOPPER). 
Figura 2-6: Recinto HUTCH prospicente la linea "Polarizzazione Circolare" 
La figura 2-6 mostra la camera del detector inserita sulla linea di “Polarizzazione Circolare” tra 
altre due camere preesistenti (strumentazione per il vuoto e gruppi ottici della linea). 
Capitolo3: Sistema di diagnostica per le linee di luce da ondulatore  
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3.3 Il prototipo di un nuovo detector di posizione per le linee di luce 
Come conseguenza dei problemi riscontrati nella prima generazione dei PBPM, è stato 
recentemente attivato ad Elettra, un progetto di sviluppo per realizzare un prototipo di PBPM di 
nuova concezione denominato NPBPM (New Photon Beam Position Monitor). Le specifiche più 
stringenti per questa nuova famiglia di detector riguardano il loro utilizzo all'interno di sistemi di 
controllo reazionati ad anello chiuso che dovranno migliorare la stabilità dell'orbita degli elettroni. 
Il miglioramento più drastico che si richiede, riguarda l'errore dovuto alle radiazioni dei magneti 
curvanti di cui erano pesantemente affetti i PBPM. In particolare si vuole ottenere un errore 
residuo massimo non superiore al 0.1% [10]. 
3.3.1 Principio di funzionamento 
Il NPBPM si basa sulla seguente considerazione. La radiazione emessa da un magnete curvante 
ha un contenuto energetico ampio che va da pochi eV fino a qualche decina di keV. Ad Elettra il 
flusso di fotoni (@ 2GeV) e di circa 10
13
 [fotoni/s/mrad
2
/0.1%BW]. Poiché solo una frazione 
del campo magnetico dei BM contribuisce alla contaminazione presente nella linea da 
ondulatore,. l'effettiva consistenza del flusso di fotoni dovuto ai BM si presume sia di qualche 
ordine di grandezza inferiore. Nella linea di luce da ondulatore l'intensità del flusso di fotoni ha 
un andamento discontinuo in energia. L'ondulatore infatti emette una radiazione concentrata in 
un ben determinato e stretto intervallo di energia. Per esempio il Wiggler elettromagnetico 
ellittico, utilizzato in modo ondulatore piano, presente nella sezione 4.2 di Elettra, quando lavora 
ad un K=1.1, ha un’intensità del flusso di fotoni di circa 10
16
 [fotoni/mrad
2
/0.1%BW]. Il suo 
spettro in energia è concentrato all'interno di una stretta banda, attorno a particolari valori, che 
variano conformemente al parametro K, rappresentati da un'energia fondamentale e dalle sue 
armoniche.
Sulla base di queste considerazioni, due cose risultano evidenti: in primo luogo, che un PBPM 
convenzionale, misurando una corrente dovuta alla fotoemissione, integra tutti i contributi in 
energia dello spettro del BM e dell'ID; in secondo luogo, il contributo dell'ondulatore è maggiore 
Capitolo3: Sistema di diagnostica per le linee di luce da ondulatore  
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di molti ordini di grandezza rispetto a quello del BM, se si considera solamente una piccola banda 
attorno all'energia fondamentale dell'ondulatore stesso. 
Partendo da queste considerazioni, è stato progettato un nuovo detector, che discrimina in 
energia l'intero spettro di radiazione rilevato e che utilizza la differenza di flusso tra il contributo 
del BM e dell'ondulatore nella banda di energia di emissione caratteristica dell'ondulatore. 
Il nuovo dispositivo è basato su un sistema di lamine che intercettando i fotoni delle frange 
periferiche del fascio, non si limita ad utilizzare le correnti dovute alla fotoemissione, ma raccoglie 
gli elettroni fotoemessi e ne effettua una discriminazione in energia. In questo modo è possibile 
raccogliere dei segnali che derivano dal solo contributo dei fotoni aventi l'energia caratteristica 
dell'ondulatore. Il calcolo della posizione del centroide del fascio viene poi effettuato sulla base di 
questi segnali. 
Questo nuovo approccio ai PBPM richiede una progettazione meccanica più complessa e lo 
sviluppo di elettroniche più sofisticate. Allo scopo di raccogliere ed analizzare gli elettroni 
fotoemessi, è stata adottata una tecnica comunemente usata per la spettroscopia di elettroni ad 
alta risoluzione.
A tal scopo è stato scelto  un selettore di energia elettrostatico che ha il vantaggio di essere più 
facilmente riproducibile e più veloce da configurare rispetto ad uno di tipo magnetico. Pertanto è 
stato progettato un analizzatore di elettroni in energia dedicato a questa applicazione (Electron 
Energy Analyser - EEA). L'EEA è composto da un insieme di lenti elettrostatiche di 
focalizzazione e da un elemento di dispersione emisferico. 
3.3.2 Descrizione del prototipo 
La prima azione è stata quella di realizzare un primo prototipo per verificare la validità del 
principio descritto [11]. Per semplicità, il prototipo è stato costruito per la rilevazione della 
posizione del fascio di fotoni solamente sul piano verticale. 
Capitolo3: Sistema di diagnostica per le linee di luce da ondulatore  
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Figura 3-8: Lamina di fotoemissione in carbonio 
E' composto da due parti principali: le lamine di fotoemissione (fig. 3-8) e gli analizzatori di 
elettroni (fig. 3-11). Nella figura 3-9 è visibile la struttura meccanica del detector. 
Figura 3-9: Rappresentazione col CAD meccanico del prototipo di NPBPM 
Capitolo3: Sistema di diagnostica per le linee di luce da ondulatore  
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Ogni lamina è associata ad un EEA. In particolare l'asse delle lenti elettrostatiche dell'analizzatore 
è allineato con la punta della lamina corrispondente. In questo modo l'EEA, raccogliendo gli 
elettroni fotoemessi con un'apertura angolare di 0.1mrad, copre la zona delle lamine 
immediatamente prospicente la loro punta. 
La posizione geometrica dei vari componenti meccanici e le polarizzazioni delle lenti 
elettrostatiche assicurano il completo disaccoppiamento dei due sistemi (analizzatore-lamina). 
Basandosi sullo spettro dell'ondulatore e sulla caratteristica di fotoemissione delle lamine, è 
possibile accordare l'analizzatore all'energia ottimale per operare il filtraggio voluto sul segnale. In 
questo modo è possibile eliminare tutta la parte della radiazione da BM dovuta ad energie diverse 
da quella dell'ondulatore, diminuendo in tal modo, drasticamente l'errore dovuto ad essa. 
3.3.3 Realizzazione del prototipo 
La costruzione meccanica è stata completata alla fine di giugno del 1999. La figura 3-10 
rappresenta il detector appena prima dell'installazione all'interno della camera UHV. 
I principali componenti sono due lamine in grafite e due analizzatori emisferici di elettroni. Ogni 
lamina è accoppiata con un EEA e montata su un comune supporto. I mutui allineamenti tra le 
lamine e gli assi delle lenti elettrostatiche degli EEA sono ottenuti tramite supporti meccanici con 
tolleranze di 0.01mm. L'unità superiore e quella inferiore sono montate su un supporto comune 
attraverso una guida mobile che permette la variazione della loro mutua distanza nel piano 
verticale.
Il detector è provvisto di un manipolatore che permette di avere tre gradi di libertà nelle 
movimentazioni: spostamenti orizzontali e verticali (X-Y) ed apertura delle lamine (d). Il 
manipolatore è stato progettato per essere movimentato tramite tre motori, per consentire così il 
controllo remoto degli spostamenti. I subcomponenti meccanici sono stati costruiti a coppie in 
modo da assicurare la maggiore simmetria possibile tra le due unità. 
Capitolo3: Sistema di diagnostica per le linee di luce da ondulatore  
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Figura 3-10:Il prototipo del NPBPM prima di essere installato nella camera nell'agosto 1999 
Due schermi in tungsteno proteggono gli EEA ed i cablaggi interni dall'alta densità di potenza del 
fascio di fotoni incidente. Inoltre le lamine sono dotate di un sistema di raffreddamento ad acqua 
che permette di mantenere costante la loro temperatura. Infatti è previsto un blocco di rame, 
dotato di un circuito di raffreddamento, che tramite una treccia flessibile si collega termicamente 
alle lamine. Esse sono vincolate meccanicamente attraverso appositi spessori di berilla che ne 
assicurano un alto isolamento elettrico, garantendo contemporaneamente un ottima conducibilità 
Capitolo 4: Il sistema di acquisizione dati e di controllo (MACS) 
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4IL SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI E DI CONTROLLO (MACS) 
Tratteremo in questo capitolo il sistema di acquisizione dati e di controllo, denominato MACS 
(Monitor Acquisition and Control System), progettato per il NPBPM, precedentemente descritto, 
ora attivo sulla linea di “Polarizzazione Circolare” [15]. 
Il NPBPM sviluppato è un prototipo, pertanto il sistema di acquisizione dati e di controllo aveva 
delle specifiche iniziali non definite completamente. Quindi si è cercato di indirizzarsi verso una 
soluzione flessibile che consentisse la possibilità di inserire, in momenti successivi, ulteriori 
moduli HW e funzionalità SW. 
In particolare la prima fase di test e misura sarebbe servita per completare le specifiche sulla base 
dei risultati ottenuti sul campo. Il detector infatti, dovendo garantire delle prestazioni molto 
elevate, non ha la possibilità di essere verificato e tarato in laboratorio con altri rilevatori di 
riferimento.
Si è optato, pertanto, per una soluzione modulare che si basasse su una piattaforma hardware e 
software compatibile con gli standard più diffusi. 
Il sistema deve provvedere, oltre alla lettura dei segnali provenienti dal detector, anche 
all'elaborazione ed alla visualizzazione grafica in tempo reale degli eventi, segnalandoli all'utente. 
Il sistema deve essere, poi, compatibile con ambienti rumorosi di tipo industriale a cui può essere 
paragonata una macchina di luce di sincrotrone. Infatti vi sono numerose sorgenti potenziali di 
rumore nel complesso: sistemi a radiofrequenza, sistemi di alimentazione trifase di potenza, 
sistemi idraulici di raffreddamento, nonché varia e numerosa strumentazione elettronica. 
Perciò sono necessarie caratteristiche di robustezza meccanica e ad alta immunità ai disturbi 
elettromagnetici.
Inoltre il sistema deve essere aperto verso il mondo esterno, in modo da permettere un'agevole 
connettività con i numerosi computer e sistemi di controllo presenti nel laboratorio, da cui si 
traggono informazioni sullo stato generale del sincrotrone e delle linee di luce. 
Vi sono due tipologie di dati che il sistema deve trattare: la prima con velocità di acquisizione 
lenta che controlla tutti i parametri relativi ai sistemi di vuoto, di raffreddamento, di 
Capitolo 4: Il sistema di acquisizione dati e di controllo (MACS)  
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movimentazione e di stato del sincrotrone; la seconda che elabora i segnali provenienti dal 
detector assicurando elevate prestazioni di accuratezza e di velocità di acquisizione. 
4.1 Analisi del sistema 
Il sistema (MACS) deve provvedere all’acquisizione ed al controllo di numerose variabili. Le 
principali possono essere così suddivise: 
Variabili di Ingresso: 
- correnti delle due lamine (pA÷mA) 
- correnti dai 2 EEA in ingresso al channeltron(pA÷mA) 
- numero di elettroni dai due EEA in uscita dal channeltron (”10
7
 conteggi/s) 
- Pressione camera (10
-3
÷10
-10
mbar)
- Temperatura lamine (-40÷1200°C) 
- Tensioni A.T. delle lenti elettrostatiche (fino a 4000 Volt) 
- Posizione manipolatore (X, Y) e distanza lamine (d) (accuatezza di 1µm) 
- Stato elettrovalvole della linea di luce 
Variabili di uscita: 
- Tensioni A.T. delle lenti elettrostatiche (fino a 4000 Volt) 
- 3 Motori 
- Azionamento elettrovalvole della linea di luce 
E’ rappresentato in seguito lo schema (vedi fig. 4-1) riassuntivo delle variabili principali in 
ingresso ed in uscita dal sistema. Esso prevede una supervisione completa di tutte le variabili 
tramite un computer host che rappresenta il cuore del sistema. 
Capitolo 4: Il sistema di acquisizione dati e di controllo (MACS)  
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      M.A.C.S.
Host-PC
Correnti 
lamine
Correnti  
(EEA)
Impulsi di carica 
(conteggio - EEA) 
P re ssi one  
camera UHV
Temperatura 
lamine
Posizione  
manipolator
Stato Valvole 
linea di luce
Motori
Tensioni A.T. 
lenti 
elettrostatiche
Segnali da acquisire dal NPBPM
Movimentazione del manipolatore
Stato della camera e della linea
Stato degli analizzatori EEA
Figura 4-1: Schema di rappresentazione delle variabili principali del sistema 
La descrizione del sistema di acquisizione dati e di controllo viene rappresentata come una 
classificazione dello stesso in diversi sottosistemi base, come indicato in figura 4-2. 
Capitolo 4: Il sistema di acquisizione dati e di controllo (MACS)  
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M.A.C.S.
Acquisizione 
dati
Controllo
Controllo 
parametri 
generali del 
sincrotrone
Controllo  
detector
Controllo 
Camera UHV
Controllo del  
Cannone 
Elettronico
Acquisizione 
in corrente 
delle lamine
Acquisizione 
degli EEA
Acquisizione 
in corrente 
ingresso 
channeltron
Acquisizione 
in conteggio 
uscita 
channeltron
Controllo 
manipolatore
Controllo 
Generatori 
A.T.
Acquisizione 
per la 
fase di TEST
Acquisizione 
veloce per la 
Diagnostica
Acquisizione 
in corrente 
ingresso 
channeltron
Segnali da acquisire dal NPBPM
Movimentazione del manipolatore
Stato della camera e della linea
Stato degli analizzatori EEA
 Figura 4-2:Schema di classificazione del sistema di acquisizione dati e di controllo (MACS) 
4.2 Specifiche del sistema 
La tabella relativa alle specifiche per l’acquisizione dei segnali è la seguente: 
Tabella 4-1: specifiche di risoluzione nell’acquisizione dei segnali 
Intervallo segnale 
Condizionato 
Risoluzione
richiesta 
Risoluzione min. 
ADC effettiva 
Risoluzione min. 
ADC teorica 
-10V÷10V 1mV 14 bit 16 bit 
Per il calcolo della minima frequenza di campionamento nella modalità di misura in A.C. terremo 
conto del fatto che il detector definitivo dovrà possedere otto analizzatori. 
Capitolo 4: Il sistema di acquisizione dati e di controllo (MACS)  
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La tabella relativa alla minima frequenza di campionamento per l’acquisizione deterministica dei 
segnali condizionati è la seguente: 
Tabella 4-2: Frequenza minima di campionamento nella modalità di misura A.C. 
Banda del 
segnale 
Condizionato 
Banda di ogni 
singolo
canale da acquisire 
Banda max
per 8 canali
Frequenza min di 
campionamento 
400Hz 400kHz 3.2kHz 6.4khz 
La tabella relativa alla velocità di acquisizione nella modalità in conteggio dei segnali in uscita dai 
channeltron è la seguente: 
Tabella 4-3: Specifiche di velocità nell’acquisizione in conteggio 
Canali da acquisire Frequenza max degli impulsi di carica
2 10*10
6
 conteggi/s 
La tabella relativa alle specifiche della movimentazione del detector risulta essere la seguente: 
Tabella 4-4: Specifiche della movimentazione 
N° motori Incertezza sulla posizione (X, Y, d) 
3 1µm
4.3 Piattaforma hardware 
Per la scelta della piattaforma hardware si deve tener conto di molti aspetti. 
Come già detto, c'è bisogno di una soluzione flessibile ed economica all'interno di un conveniente 
involucro robusto di tipo industriale adatto agli ambienti rumorosi. Inoltre, è necessaria la 
compatibilità con i più comuni software applicativi. 
Infine - e non certo meno importante - bisogna combinare un costo ragionevole con le peculiari 
caratteristiche di alta qualità richieste per alcune modalità di acquisizione dati. 
Capitolo 4: Il sistema di acquisizione dati e di controllo (MACS)  
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Per queste ragioni è stata scelta una soluzione basata sulla tecnologia dei PC con l'utilizzo di 
un'estensione del bus industriale CompactPCI: il bus PXI della National Instruments, che 
possiede ulteriori canali di controllo per la gestione sincrona del bus da parte delle schede di tipo 
PXI [16]. 
Il sistema risulta essere “compatto” e “modulare”: caratteristiche fondamentali per le nostre 
esigenze.
E' stato scelto uno châssis PXI-1000B (vedi fig. 4-3) che fa da supporto fisico per il controllore e 
le schede di I/O che, oltre ad alimentare tutte 
le schede ospitate, possiede un sistema di 
raffreddamento forzato a ventole.
E’ completamente compatibile con i moduli 
PXI e CompactPCI ed è un'unità di dimensioni 
3U (standard per montaggi su armadi per 
strumentazione di 19’’) compatta contenente 7 
slot per schede, più uno per il controllore. 
Come computer è stato scelto un PXI-8156B 
che funge, oltre che da host computer, anche da controllore delle schede di I/O grazie alla sua 
integrazione col bus PXI.  
4.3.1 Il computer PXI-8150B 
Il computer possiede una scheda madre (vedi fig. 
4-4) che integra i seguenti dispositivi: 
- processore Intel Pentium MMX a 233MHz 
- 256 MB di SDRAM 
- 512KB PBSRAM L2 cache 
- disco rigido ultra-DMA IDE da 4GB 
- lettore dischetti floppy da 1.44 MB 
Figura 4-3: Châssis PXI-1000B con bus PXI 
integrato 
Figura 4-4: Scheda CPU PXI-8156B
Capitolo 4: Il sistema di acquisizione dati e di controllo (MACS)  
Dipartimento di Ingegneria Elettrica - Politecnico di Milano                                                                          55 
- scheda video PCI superVGA 2MB 
- interfaccia con il bus PCI (trasferimento 132Mbytes/s) 
- 2 porte seriali RS-232 
- porta parallela 
- GPIB (IEEE 488.2) 
- porta USB 
- porta 10BaseT Ethernet 
- connettore tastiera e mouse PS/2 
4.3.2 Caratteristiche del sistema "PXI" 
Le specifiche del bus PXI sono state sviluppate dalla National Instruments e dichiarate dal 1997 
come specifiche aperte al campo industriale [17]. 
Risulta essere un sistema innovativo che si sta diffondendo anche nelle applicazioni industriali e 
che è stato già adottato da numerose ditte sviluppatrici di prodotti hardware. 
4.3.2.1 Caratteristiche meccaniche 
Le caratteristiche meccaniche del sistema PXI, hanno consentito di abbandonare il più oneroso 
VME bus da tempo utilizzato presso Elettra nei sistemi di acquisizione.  
Infatti il formato PXI risulta essere molto più compatto e meno ingombrante del VME 
possedendo schede formato 3U (100x160mm) del tipo Eurocard (ANSI 310-C, IEC 297, e IEEE 
1101.1), a cui sono state aggiunte ulteriori specifiche (IEEE 1101.10 e P1101.11) in fatto di 
compatibilità elettromagnetica e sicurezza nelle misure.