基于Open XAL的西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置同步環(huán)調(diào)束軟件開發(fā)

張 輝， 楊 業(yè), 王忠明, 王茂成, 魏崇陽, 王敏文

(1. 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024； 2. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710024)

Open XAL為開放源代碼的可拓展標(biāo)記語言加速器程序庫[1-3]，由美國散裂中子源(SNS)、中國散裂中子源(CSNS)[4]、歐洲散裂源加速器(ESS)，法國國家大加速器實(shí)驗(yàn)室重離子加速器(GANIL)、加拿大粒子與核物理國家實(shí)驗(yàn)室(TRIUMF)和美國密歇根州立大學(xué)(MSU)強(qiáng)流稀有同位素加速器(FRIB)等以可拓展標(biāo)記語言加速器程序庫(XAL)為基礎(chǔ)協(xié)作開發(fā)，從加速器物理層面對加速器組成設(shè)備進(jìn)行了建模，可通過虛擬加速器軟件及光學(xué)文件實(shí)現(xiàn)加速器虛擬運(yùn)行，為加速器裝置調(diào)束軟件編寫提供了標(biāo)準(zhǔn)模型。

近年來，SNS在實(shí)驗(yàn)中用Open XAL取代了原有XAL；MSU采用Open XAL進(jìn)行超導(dǎo)加速單元調(diào)試[5]；ESS為Open XAL建立了螺線管和導(dǎo)向鐵模型，發(fā)展了軌跡和包絡(luò)近似，并在低能傳輸段(LEBT)調(diào)束中模擬束流動力學(xué)[6],減少了UI相關(guān)代碼上的開發(fā)工作；ESS提出了一種開發(fā)Open XAL程序的新方法，可更直觀的設(shè)計(jì)應(yīng)用，自動生成界面代碼[7];上海軟X射線源和大連相干光源通過移植Open XAL將虛擬加速器應(yīng)用到FEL，基于遺傳算法設(shè)計(jì)了優(yōu)化軟件[8]。西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility，XiPAF)物理設(shè)計(jì)完成后，以O(shè)pen XAL為基礎(chǔ)進(jìn)行輔助控制和束流調(diào)試[9]，采用GitHub上2017年9月13日的Open XAL版本，針對機(jī)器實(shí)際特點(diǎn)相繼開發(fā)了加速器數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫到光學(xué)文件轉(zhuǎn)化軟件、虛擬加速器、虛擬磁鐵[10]和調(diào)束軟件，此外還采用Java編寫了遺傳算法求解器，采用Python語言的機(jī)器學(xué)習(xí)算法也在拓展開發(fā)之中。調(diào)束軟件中同步環(huán)調(diào)束軟件共5種，至調(diào)束前已完成開發(fā)調(diào)試及虛擬驗(yàn)證工作。在2019年至今的調(diào)束工作中，驗(yàn)證了同步環(huán)束流位置探測器(beam position monitor, BPM)基于束流的準(zhǔn)直(beam based alignment, BBA)軟件及束流光學(xué)計(jì)算調(diào)整軟件。

1 建立開發(fā)環(huán)境

Open XAL是一個(gè)靈活的應(yīng)用框架，在開發(fā)加速器物理應(yīng)用中有開源、支持多開發(fā)人員協(xié)作、采用純JAVA語言可跨平臺開發(fā)部署、支持EPICS通道訪問、基于Ant可獨(dú)立于IDE構(gòu)建及支持?jǐn)?shù)據(jù)庫操作等特點(diǎn)。XiPAF為實(shí)現(xiàn)Open XAL開發(fā)運(yùn)行，建立了Windows開發(fā)環(huán)境和Fedora 30運(yùn)行環(huán)境，安裝了數(shù)據(jù)庫軟件MySQL-server-5.7.16，采用JDBC實(shí)現(xiàn)Java同MySQL數(shù)據(jù)交換；在eclipse下通過Git從GitHub導(dǎo)入Open XAL項(xiàng)目，初步建立了本地開發(fā)環(huán)境；編譯安裝EPICS Base 3.14.12.8[11]，建立測試IOC；編譯安裝了JCA 2.3.5，實(shí)現(xiàn)了Open XAL與EPICS IOC的通信，建立了Open XAL同控制系統(tǒng)互通的運(yùn)行環(huán)境；通過Ant 1.9.4實(shí)現(xiàn)軟件自動化編譯部署。

2 同步環(huán)調(diào)束軟件總菜單

Open XAL采用Launch軟件管理全部應(yīng)用，可啟動和關(guān)閉軟件，并監(jiān)控已啟動軟件。圖1為Launch監(jiān)控下的同步環(huán)調(diào)束軟件及注入控制軟件，顯示了應(yīng)用名稱、主機(jī)名、占用內(nèi)存情況、啟動時(shí)間和程序最后心跳時(shí)間，判斷程序是否響應(yīng)。

同步環(huán)調(diào)束軟件和注入控制軟件的名稱及功能如表1所列。

圖1 Launch軟件管理下的同步環(huán)調(diào)束軟件及注入控制軟件Fig.1 synchrotron beam commission and injectionsoftwares managed by Launch software

表1 同步環(huán)調(diào)束軟件和注入控制軟件名稱及功能Tab.1 The synchrotron beam commissionand injection softwares

3 同步環(huán)調(diào)束軟件的虛擬調(diào)試

同步環(huán)調(diào)束軟件編寫完成后采用Open XAL虛擬加速器進(jìn)行虛擬調(diào)試，過程不依賴加速器支持，可以先于加速器建設(shè)調(diào)試軟件，與加速器直接調(diào)試相比，虛擬調(diào)試更加節(jié)約和安全。

3.1 BPM基于束流準(zhǔn)直軟件RingBBA

RingBBA軟件通過對束流控制和測量，實(shí)現(xiàn)了對待測BPM電中心相對于鄰近四極鐵磁中心的測量，結(jié)果設(shè)定為對應(yīng)BPM的偏置量，可消除BPM測量中安裝準(zhǔn)直偏差的影響。程序掃描上游校正鐵，使變化束流經(jīng)過四極鐵中心位置的同時(shí)微調(diào)四極鐵強(qiáng)度，在下游采用參考BPM測量束流位置變化量同四極鐵強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合作為四極鐵響應(yīng)，不同校正鐵磁場下待測BPM的讀數(shù)和對應(yīng)四極鐵的響應(yīng)數(shù)據(jù)擬合截距即為待測BPM電中心相對于最近四極鐵磁中心的偏置大小，圖2為同步環(huán)BBA掃描過程及結(jié)果。

圖2 同步環(huán)BBA掃描過程及結(jié)果 Fig.2 Scanning process and results of synchrotron BBA

在待測BPM為R∶BI∶BPM01時(shí),選取下游BPM為R∶BI∶BPM07，上游校正鐵為R∶MG∶VC11,校正鐵采用10個(gè)掃描點(diǎn)，掃描范圍為最大場強(qiáng)的±2%，最近四極鐵為R∶MG∶VC11，微調(diào)點(diǎn)數(shù)為5個(gè)，微調(diào)范圍為5%，經(jīng)過掃描計(jì)算擬合，得到BPM垂直偏心約為-0.678 3 mm。

3.2 同步環(huán)響應(yīng)矩陣測量軟件ResponseMatrix

利用ResponseMatrix依次改變同步環(huán)校正鐵磁場，記錄環(huán)上所有BPM測得的閉軌變化，然后將校正鐵磁場復(fù)原，進(jìn)行下一塊校正鐵的調(diào)整測量。虛擬調(diào)試中調(diào)束軟件依次掃描各塊校正鐵并記錄校正鐵每次改變引起的同步環(huán)響應(yīng)大小，掃描完成后擬合得出響應(yīng)矩陣的結(jié)果并顯示。最大偏轉(zhuǎn)角度為0.2 mrad，每塊校正鐵掃描5點(diǎn)時(shí)，同步環(huán)響應(yīng)矩陣測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 同步環(huán)響應(yīng)矩陣測量結(jié)果 Fig.3 Measurements of synchrotron response matrix

3.3 同步環(huán)β函數(shù)測量軟件RingBetaMeasure

RingBetaMeasure分別用四極鐵和校正鐵激勵(lì)，直接求解得到激勵(lì)鐵處的β函數(shù)值。四極鐵激勵(lì)法使用漂浮電源微調(diào)單塊四極鐵磁場強(qiáng)度，當(dāng)微調(diào)量為Δk時(shí)，相應(yīng)的工作點(diǎn)會有微小變化Δν，在線性近似下結(jié)合工作點(diǎn)測得激勵(lì)四極鐵處β函數(shù)為

(1)

圖4為四極鐵激勵(lì)環(huán)β函數(shù)測量虛擬調(diào)試過程，激勵(lì)后工作點(diǎn)變化源于在線模型計(jì)算，實(shí)際可采用測量數(shù)據(jù)。

(a) Results list of β function

校正鐵激勵(lì)法由單塊校正鐵踢角變化Δθ引起閉軌畸變Δx，在BPM距離校正鐵較近時(shí)，校正鐵處β函數(shù)為

(2)

XiPAF 的BPM和校正鐵在同一位置，可直接使用該方法。在儲存模式下，改變校正鐵踢腳，使其有一個(gè)改變量Δθ，使用BPM測量該位置處閉軌變化Δx。

RingBetaMeasure軟件完成多個(gè)校正鐵或四極鐵處的激勵(lì)并測量計(jì)算各處β函數(shù)值，圖5為校正鐵激勵(lì)環(huán)β函數(shù)測量虛擬調(diào)試過程。

(a) Results List of β function

3.4 同步環(huán)工作點(diǎn)控制軟件RingTuneControl

XiPAF有3類獨(dú)立可調(diào)的四極鐵，散焦四極鐵(QD)、聚焦四極鐵(QF)和引出段聚焦四極鐵(QFEX)。在聚焦四極鐵強(qiáng)度同時(shí)調(diào)整下，所有四極鐵有2組獨(dú)立可調(diào)變量。通過掃描聚散焦四極鐵強(qiáng)度可以得到水平和垂直方向上工作點(diǎn)的對應(yīng)值，圖6為水平和垂直方向上工作點(diǎn)隨四極鐵強(qiáng)度的變化關(guān)系。

(a) Horizontal tune

RingTuneControl讀取四極鐵強(qiáng)度和同步環(huán)工作點(diǎn)對應(yīng)列表，在給定同步環(huán)工作點(diǎn)后，通過查表可得最接近的聚散焦四極鐵梯度值，再用臨近4點(diǎn)四極鐵梯度值差分方法，估計(jì)給出工作點(diǎn)對應(yīng)的聚散焦四極鐵梯度。

軟件測試中采用Mad8軟件產(chǎn)生同步環(huán)四極鐵強(qiáng)度同工作點(diǎn)關(guān)系文件。RingTuneControl對虛擬加速器的PV值進(jìn)行監(jiān)測，通過Machine Setting框讀取四極鐵磁場梯度值，通過滑動Xtune和Ytune滑桿改變水平和垂直工作點(diǎn)設(shè)定值，并可選擇添加四極鐵場修正和工作點(diǎn)修正，點(diǎn)擊計(jì)算即可通過查表和線性插值得到3類四極鐵的磁場梯度計(jì)算結(jié)果，如圖7(a)所示；點(diǎn)擊Submit按鈕可將結(jié)果設(shè)定給加速器或虛擬加速器，如圖7(b)所示。

3.5 同步環(huán)閉軌校正軟件OrbitCorrect

OrbitCorrect由同步環(huán)BPM提供的閉軌信息計(jì)算閉軌校正所需的校正磁鐵磁場強(qiáng)度，然后手動或自動向控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制校正鐵使粒子軌道向理想閉軌靠攏，使軌道畸變最小。

(a) The calculation results of quadrupole

OrbitCorrect軟件利用Open XAL的最小二乘法校正方法，閉軌校正的一個(gè)原則在施加最小校正元件強(qiáng)度下得到畸變軌道同設(shè)計(jì)軌道偏差的方差最小值，并由校正元件強(qiáng)度和元件長度，算出對應(yīng)校正元件磁場強(qiáng)度。閉軌校正的另一個(gè)原則是將閉軌畸變變小的情況下，參與校正的校正鐵的數(shù)量越少越好，故采用依次迭代的最小二乘法，在每一次迭代中找出參與閉軌最小的校正鐵強(qiáng)度，尋求最有效的校正鐵組合。OrbitCorrect軟件中實(shí)際采用簡化了的計(jì)算及迭代方法(MInimisation des CArres des Distoution d’Orbite， MICADO)[12]，是算法改進(jìn)的最小二乘法。

在虛擬調(diào)束過程中采用環(huán)校正鐵激發(fā)閉軌偏離，并采用閉軌校正軟件進(jìn)行校正，圖8為同步環(huán)閉軌校正前后情況對比。

圖8 同步環(huán)閉軌校正前后情況對比 Fig.8 The comparison of orbit before and after orbit correction

4 調(diào)束軟件虛擬機(jī)

同步環(huán)調(diào)束軟件包含了硬件設(shè)備監(jiān)測控制、機(jī)器物理運(yùn)算、人機(jī)圖形接口及事件回調(diào)等多種范疇。在開發(fā)和測試中需要建立虛擬運(yùn)行環(huán)境，模擬調(diào)束軟件需要的硬件設(shè)備。Open XAL包含虛擬加速器系統(tǒng)，構(gòu)建XiPAF虛擬加速器可方便的實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)束，完成調(diào)束軟件的虛擬測試。

虛擬加速器是利用計(jì)算機(jī)模擬方法實(shí)現(xiàn)一套虛擬的加速器系統(tǒng)，在加速器在線模型基礎(chǔ)上集成虛擬束流測量元件和與控制系統(tǒng)相兼容的通信接口，可根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)、歷史參數(shù)或加速器運(yùn)行參數(shù)模擬加速器的運(yùn)行狀態(tài)，擁有與真實(shí)加速器完全相同的加速器結(jié)構(gòu)和束流參數(shù)，從運(yùn)行人員或控制系統(tǒng)的角度，完全等同于真實(shí)加速器。圖9為XiPAF同步環(huán)虛擬加速器運(yùn)行狀況。

圖9 XiPAF同步環(huán)虛擬加速器運(yùn)行情況 Fig.9 Operation of synchrotron virtual accelerator at XiPAF

運(yùn)行XiPAF定制的virtual accelerator軟件加載裝置光學(xué)文件xipaf.xdxf可實(shí)現(xiàn)同步環(huán)虛擬加速器運(yùn)行。虛擬加速器為磁鐵和BPM等硬件設(shè)備提供了PVServer，模擬調(diào)束軟件需要的硬件設(shè)備信息，并使調(diào)束軟件能夠讀寫虛擬設(shè)備設(shè)定的參數(shù)值，如電壓、電流、狀態(tài)及配置參數(shù)等。虛擬加速器還可通過機(jī)器物理計(jì)算反饋由設(shè)備設(shè)定值改變引起的機(jī)器狀態(tài)變化，最終被調(diào)束軟件監(jiān)測記錄。3節(jié)所進(jìn)行的虛擬調(diào)束過程即是在虛擬加速器上完成的，虛擬調(diào)束過程實(shí)現(xiàn)了調(diào)束軟件測試和調(diào)束過程演練。

5 帶束調(diào)試

經(jīng)過多輪調(diào)束，XiPAF完成了離子源及注入器調(diào)試，同步環(huán)調(diào)束中實(shí)現(xiàn)總注入效率為58%，最大俘獲效率為51%，最高加速效率為82%，加速后不同能量下環(huán)中存儲粒子數(shù)大于1×1011，每周期引出粒子數(shù)大于5×1010，同步環(huán)調(diào)束軟件在調(diào)束過程中發(fā)揮了重要作用。

在2020年4月下旬XiPAF調(diào)束過程中，采用響應(yīng)矩陣測量軟件測量了俘獲存儲階段響應(yīng)矩陣，通過改變校正鐵強(qiáng)度，采用BPM記錄束流位置改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，束流位置隨校正鐵強(qiáng)度呈線性變化。表2為XiPAF加速器同步環(huán)水平方向響應(yīng)矩陣。

表2 XiPAF同步環(huán)水平方向響應(yīng)矩陣Tab.2 The horizontal response matrix of synchrotron mm·T-1

表3為XiPAF加速器同步環(huán)垂直方向響應(yīng)矩陣，由于BPM1和BPM11出現(xiàn)問題，結(jié)果暫未記錄。

表3 XiPAF同步環(huán)垂直方向響應(yīng)矩陣Tab.3 The vertical response matrix of synchrotron mm·T-1

在2020年8月中下旬XiPAF調(diào)束中采用同步環(huán)BBA軟件實(shí)現(xiàn)了同步環(huán)BPM基于束流準(zhǔn)直，x方向BBA中，選取四極鐵掃描范圍為磁場值的1%到5%，得到x方向BPM電中心偏差具體數(shù)值，如表4所列。由表4可見，x方向BPM電中心偏差在4 mm內(nèi)。

表4 同步環(huán)水平方向BBA結(jié)果Tab.4 The horizontal BBA results of synchrotron

y方向BBA中選取四極鐵掃描范圍為場值的5%～20%，得到y(tǒng)方向BPM電中心偏差，如表5所列。由表5可見，y方向BPM電中心偏差在1 mm內(nèi)。

表5 同步環(huán)垂直方向BBA結(jié)果Tab.5 The vertical BBA results of synchrotron

6 總結(jié)

本文介紹了基于Open XAL開發(fā)的5種XiPAF同步環(huán)調(diào)束軟件。軟件采用Open XAL的軟件規(guī)范，通過模板開發(fā)或由原有軟件修改而成。開發(fā)過程中許多軟件模塊的功能確認(rèn)和測試都由Open XAL的虛擬加速器輔助完成，軟件在帶束運(yùn)行前的調(diào)試測試工作也通過虛擬加速器完成。

在實(shí)際調(diào)束過程中，同步環(huán)調(diào)束軟件已經(jīng)完成了響應(yīng)矩陣測量和環(huán)BBA測量工作。在XiPAF下一步調(diào)束工作中，還將測量四極鐵強(qiáng)度同工作點(diǎn)的對應(yīng)map，實(shí)現(xiàn) RingTuneControl 軟件對工作點(diǎn)的控制，RingBetaMeasurement 軟件對同步環(huán)β函數(shù)的測量，另外還需要編制軟件實(shí)現(xiàn)色散函數(shù)測量，色品測量和線性光學(xué)校正等功能。在虛擬加速器輔助下，基于Open XAL的同步環(huán)調(diào)束軟件開發(fā)和測試工作先于機(jī)器建設(shè)進(jìn)行，極大地分散了線上調(diào)束的工作密度，積累了調(diào)束經(jīng)驗(yàn)，為調(diào)束工作開展奠定了基礎(chǔ)。