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Fiedbus Applied to Nuclear Physics “CHIC Experiment” – Collaboration for Heavy Ion Collision
Fiedbus Applied to Nuclear Physics CHIC Experiment Intellisystem

Fiedbus Applied to Nuclear Physics “CHIC Experiment” – Collaboration for Heavy Ion Collision

Profibus è stato utilizzato con successo per il controllo remoto di un sistema di movimentazione nell’Esperimento Chic.

Lo studio dei sistemi dinamici possiede un carattere fortemente interdisciplinare, con applicazioni riguardanti la fisica, la chimica e la biologia. L’introduzione dei magneti superconduttori nella costruzione dei grandi acceleratori adronici ha permesso di raggiungere campi magnetici elevati (ed elevate energie) a costi contenuti, dando un forte impulso alla ricerca svolta nel campo della fisica nucleare. Tali studi, molte volte teorici, necessitano di opportune verifiche sperimentali, che vengono effettuate sfruttando sistemi complessi, quali gli acceleratori di particelle, unitamente ad altri il più delle volte specificatamente costruiti per l’esperimento. Questi sistemi, per la loro complessità, necessitano di svariati sottosistemi di controllo e monitoraggio remoto, poiché nella maggior parte dei casi gli esperimenti di fisica nucleare sono rischiosi per l’essere umano che demanda alle macchine la supervisione e il controllo di molti parametri sensibili. Nasce quindi l’esigenza di mettere a punto sistemi di controllo remoto di tipo distribuito sufficientemente robusti da tollerare le avverse condizioni operative (campi elettromagnetici intensi, sorgenti radioattive, fluidi criogenici a basse temperature, ecc.) e in grado di soddisfare i requisiti di sicurezza, affidabilità e semplicità richiesti. Si pensi agli apparati per la generazione del vuoto, ai sistemi per l’acquisizione di misure sperimentali e per il controllo di fasci di particelle, a quelli per il raffreddamento a temperature prossime allo zero assoluto, a tutti i possibili attuatori e trasduttori (pompe, elettrovalvole, organi meccanici) di supporto alla ricerca. D’altro canto, l’avvento e la diffusione di nuove tecnologie di comunicazione, unitamente all’incessante sviluppo dell’elettronica digitale e delle reti di calcolatori hanno modificato le tecniche e le metodologie per il controllo di processo di sistemi complessi. In particolare, cresce sempre di più l’esigenza di un controllo distribuito, dove sistemi intelligenti e dispositivi di controllo e misura devono poter comunicare tra loro. Ed è aumentata la necessità di ridurre al minimo il cablaggio, i tempi di posa in opera e le operazioni di manutenzione dei cavi. L’utilizzo dei bus di campo può fornire in tal senso valide soluzioni.

Posizionamento micrometrico

I sistemi basati su Profibus presentano caratteristiche di elevata flessibilità e affidabilità che ben rispondono ai requisiti necessari alla realizzazione di una rete dedicata all’ integrazione di controlli remoti di supporto alle attività di ricerca nel campo della fisica nucleare. Una delle soluzioni realizzate ha riguardato il controllo remoto di un sistema di movimentazione a tre gradi di libertà per il posizionamento micrometrico di un apparato E.M.R.I.C. (Esemble di misura rapida per interferometria e correlazioni) costituito da 13 rivelatori di ioni pesanti allo ioduro di cesio. La soluzione è stata utilizzata con successo dal gruppo di ricerca Chic (Collaboration for Heavy Ion Collision) dei Laboratori Nazionali del Sud. Il sistema si compone di un apparato meccanico di precisione alloggiato all ‘interno di una struttura sferica a barre, con sopra montato il sistema E.M.R.I.C. che si affaccia a una finestra della ‘Neutron Chamber’ (camera a vuoto in cui avvengono gli esperimenti d’interferometria nucleare). Il sistema di posizionamento è costituito da tre guide lineari, ciascuna dotata di vite a ricircolo di sfere, disposte nelle tre direzioni cartesiane; due di esse sono del tipo a barra e sono disposte rispettivamente secondo le direzioni orizzontali x e y, mentre il movimento nella direzione verticale z è realizzato mediante una pedana sostenuta da quattro guide, anch’esse a vite. Ogni guida è azionata da un motore elettrico di tipo brushless, dotato di encoder a impulsi in quadratura e di riduttore di giri; infine, alle estremità di ogni guida sono presenti degli opportuni finecorsa per il rilevamento della corsa massima. L’apparato di movimentazione è corredato da un sistema di controllo dedicato costituito da un backplane sul quale sono montate tre schede di controllo, ciascuna dotata di un chip specializzato (HP Hctl- l l 00) per il controllo di motori elettrici in continuo di tipo brushless o passo-passo. La logica d’interfaccia del backplane fornisce tre porte a 8 bit; di queste, la porta ‘A’, bidirezionale, è dedicata allo scambio di dati da e verso i registri dei chip di controllo; la ‘B’, di input, viene utilizzata per la lettura dei fine corsa; infine, la porta ‘C’, di output, serve per l’indirizzamento dei chip e la generazione dei segnali di sincronismo. La rete Profibus si compone di una stazione di supervisione contenente un ‘ interfaccia Applicom Master Board e di uno slave Profibus dedicato allo scambio di dati tra la rete e il sistema di controllo locale dei motori dell’apparato di posizionamento. L’apparato descritto permette di posizionare da remoto il sistema di rivelatori mediante un ‘interazione basata su grafica vettoriale che ricostruisce virtualmente gli spostamenti del sistema. Grazie alla soluzione adottata è stato possibile ridurre i tempi di esecuzione dell’esperimento Chic, eliminando le continue pause (della durata di alcune ore) necessarie al riposizionamento dei rivelatori e al successivo ripristino dell’esperimento. Il sistema ha riscosso notevole successo tra i gruppi di ricerca europei coinvolti, tanto da essere stato richiesto per le successive evoluzioni dell’esperimento da realizzare in centri di ricerca esteri.

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A cura di Cristian Randieri. Articolo pubblicato sulla rivista Fieldbus & Networks – Febbraio 2004.

Per scaricare l’articolo pubblicato sulla rivista, seguire il link riportato di seguito http://www.intellisystem.it/portfolio/fn-feb-04-2

F&N Giugno 2003 - Esperimento Diamante - Intellisystem Technologies

The Diamond Experiment “Esperimento Diamante” – National Nuclear Physics Institute INFN

Con il telecontrollo si possono ridurre i rischi di contaminazione da radiazione durante gli esperimenti di fisica nucleare 

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A cura di Cristian Randieri. Articolo pubblicato sulla rivista Fieldbus & Networks – Giugno 2003. 

Per scaricare l’articolo pubblicato sulla rivista, seguire il link riportato di seguito http://www.intellisystem.it/portfolio/fn-giu-03-diamond-experiment/

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Situati a Catania, i Laboratori nazionali del sud dell’Istituto nazionale di fisica nucleare rappresentano da anni un centro mondiale di ricerca per la fisica nucleare sperimentale. Recentemente qui è stato condotto l’esperimento di fisica nucleare denominato ‘Esperimento Diamante’, che prevedeva il test di un rivelatore sperimentale al diamante (composto da un film di diamante depositato mediante la tecnica ‘Microwave plasma enhanced chemical vapor deposition’ su un substrato al silicio) per lo studio sistematico di un fascio di protoni ottenuto mediante un acceleratore di tipo tandem da 15 MV. Nelle applicazioni in cui è previsto un elevato livello di radiazioni l’utilizzo di un rivelatore al diamante ha dimostrato, meglio di ogni altro materiale, la capacità di caratterizzare la regione interna di un fascio di particelle emesse da un acceleratore.

Intellisystem Diamond experiment 1

Misure di questo tipo rivestono particolare importanza per le applicazioni derivabili in ambito medico che utilizzino fasci di radiazioni. Solitamente tali misure vengono effettuate mediante dei rivelatori denominati ‘tazze di Faraday’, il cui limite sta nel fatto che il segnale da essi emesso è troppo basso perché se ne possa ottenere una risoluzione spaziale, il che limita la misura del profilo del fascio in esame.

Intellisystem Diamond experiment 2

Scopo dell’esperimento era porre a confronto le misure ottenute ottenute con tre diversi tipi di rivelatori, ossia al silicio, al diamante e basati sulle tazze di Faraday.

Spesso durante gli esperimenti di fisica nucleare si pone maggiore attenzione ai sistemi di acquisizione dei dati che non agli apparati di gestione dell’esperimento, trascurando a volte tutta una serie di complicazioni puramente operazionali che possono limitare la corretta esecuzione dell’esperimento stesso.

WiFi Spectrum Intellisystem Diamond experiment

L’insorgere di questo tipo di problematiche, infatti, può ridurre drasticamente l’effettivo tempo di acquisizione dei dati sperimentali, poiché ogni qualvolta occorre accedere alla sala sperimentale, è necessario sospendere il fascio ed eseguire un nuovo set-up.

Intellisystem Diamond experiment 3

Facciamo qualche osservazione

Attualmente la maggior parte dei sistemi di supporto agli esperimenti di fisica nucleare sono attivati manualmente all’interno delle sale sperimentali. Durante ogni esperimento la presenza di radiazioni, pericolose sia per gli essere umani, sia per la strumentazione, richiede di porre le sale sperimentali in un cosiddetto stato di ‘Safety contro!’; perciò occorre sospendere il fascio ogni qualvolta un operatore deve intervenire all’interno delle sale.

Intellisystem Diamond experiment 4

Tra le sale sperimentali e quelle di acquisizione vengono approntate connessioni dedicate di tipo punto-punto; ciò significa che un gran numero di conduttori collegano le due zone, rappresentando di fatto un potenziale punto di diffusione delle radiazioni. I sistemi di telecontrollo e teleassistenza di ultima generazione proposti da Intellisystem Technologies, utilizzando la suite di protocolli TCP/IP permettono di ottimizzare le risorse logistiche, riducendo il numero delle connessioni necessarie, e riducono i costi di gestione. Consentono inoltre agli addetti di concentrarsi con maggiore libertà sul lavoro primario di acquisizione di dati e misure sperimentali. 

Intellisystem Diamond experiment 5

A prova di radiazione

Prendendo parte all’esperimento Diamante, Intellisystem Technologies ha testato un valido strumento per il monitoraggio delle sale sperimentali utilizzando le moderne tecnologie di telecontrollo e teleassistenza. Il micro embedded Web server Recs 1O1 prodotto dall’azienda, in grado di controllare 16 ingessi e 16 uscite, è stato impiegato in combinazione con una videocamera Axis 2120, a sua volta collegata a un modulo audio Axis 2191. E’ stato possibile disporre di una postazione di telecontrollo capace non solo di gestire immagini, ma anche di controllare lo stato di dispositivi esterni quali i sensori, e di manovrarne altri, quali gli attuatori. In particolare, il dispositivo Recs 101 è stato testato per la prima volta come sistema di supervisione e controllo per il posizionamento di un bersaglio mobile oggetto del test dell’esperimento, posto all’interno della camera a vuoto sperimentale ove ha avuto luogo il test. I risultati hanno mostrato l’ottima immunità della soluzione ai disturbi dovuti a radiazioni di tipo nucleare, nella fatti specie neutroni. L’integrazione del sistema Recs 101 con i dispositivi Axis e il sistema di movimentazione hanno dimostrato come sia possibile controllare da remoto tramite Internet un impianto sperimentale per la ricerca nel campo della fisica nucleare, ottimizzando costi e tempi d’esecuzione. Sono stati anche ridotti i tempi d’intervento degli operatori durante le varie fasi dell’esperimento, con conseguente diminuzione dei rischi da esposizione a radiazioni nucleari per gli addetti. Inoltre, per la prima volta più ricercatori da ogni parte del mondo hanno potuto connettersi alla sala sperimentale via Internet, tramite un canale video e uno audio bidirezionale, e controllare la movimentazione del bersaglio.

 

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