Profibus per la Fisica Nucleare

I fieldbus rappresentano una valida soluzione per il controllo remoto e la misura nei sistemi d’acquisizione usati nel campo della ricerca sperimentale

La continua evoluzione delle tecnologie basate su sistemi digitali ha fortemente modificato le tecniche e metodologie usate nei sistemi di controllo, specie negli esperimenti di fisica nucleare. In particolare, oggi la richiesta di processi distribuiti richiede sistemi intelligenti, dispositivi di controllo e sistemi di misura capaci di comunicare attraverso la rete. Tali sistemi vengono richiesti per ridurre le connessioni, il che si traduce in una semplificazione della gestione dei sistemi poiché diminuiscono le problematiche inerenti alla manutenzione. I sistemi fieldbus rappresentano una valida soluzione per il controllo remoto e per la misura nei sistemi d’acquisizione normalmente applicati nella ricerca sperimentale oggetto della fisica nucleare. Questo campo di ricerca richiede apparati di controllo distribuiti capaci di lavorare in condizioni particolarmente difficili (campi elettromagnetici elevati, presenza di particelle radioattive, bassa temperatura, ecc.); al tempo stesso bisogna soddisfare i fondamentali requisiti di sicurezza, portatilità e semplicità richiesti. La presenza di un gran numero di dispositivi complica ulteriormente la progettazione e realizzazione di tali sistemi di controllo. Molti dispositivi devono essere controllati localmente, ciò richiede frequenti accessi alle sale sperimentali. Sfortunatamente, l’ambiente tipico degli esperimenti nucleari non è sicuro; di conseguenza, è molto difficile e pericoloso per un operatore umano recarsi all’interno di tali sale sperimentali per modificare i parametri dei sistemi quando l’esperimento è in esecuzione.

Misurare gli ioni pesanti

Il sistema sperimentale a cui ci si riferisce viene utilizzato per studiare le reazioni e interazioni degli ioni pesanti. La struttura è alloggiata in una sala sperimentale dei Laboratori Nazionali del Sud di Catania che prende il nome di ‘Neutron Hall’. Tale esperimento è gestito dal gruppo di ricerca Chic (Collaboration for Heavy Ion Collision). La struttura sperimentale si compone di una serie di camere a vuoto, con finestre d’osservazione, nelle quali vengono effettuate gli esperimenti di interferometria nucleare. Un fascio di ioni ad energia intermedia (10-50 MeV/A) viene deflesso nel vuoto e quindi convogliato ali’ interno della camera di reazione attraverso opportuni magneti. Il fascio urta il bersaglio nucleare; durante la collisione genera delle particelle subatomiche le cui caratteristiche vengono rilevate da vari rivelatori; i dati generati vengono acquisiti e successivamente analizzati dagli operatori. Una prima applicazione del sistema Profibus si può trovare nel controllo remoto di un multidetector (costituito da un array bidimensionale di scintilla tori allo Ioduro di Cesio) usato per rilevare particelle nucleari come protoni e/o ioni leggeri. L’apparato meccanico deve poter essere movimentato lungo i tre assi x, y e z in realtime, senza che il fascio prodotto dagli acceleratori di particelle venga interrotto. Un’altra esigenza stringente è costituita dalla precisione della meccanica e quindi dell’elettronica di controllo. Tramite l’utilizzo dei sistemi Profibus è stato implementato il controllo remoto dell ‘apparato meccanico integrato con un sistema di monitoraggio online della posizione di ogni singolo rivelatore. Tale applicazione ha messo in evidenza i vantaggi derivanti dall’introduzione dei sistemi Profibus in termini di portabilità e semplicità, grazie all’uso di un sistema a singolo bus di comunicazione. Inoltre, si sono registrate buone performance in termini di velocità della rete durante la sofisticata interazione dinamica tra la console di comando e il dispositivo di controllo remoto. Una seconda applicazione presenta l’implementazione di un apparato fieldbus su un sistema di controllo del vuoto utilizzato per una camera a vuoto speciale usata per sviluppare e testare sistemi di rivelazione di particelle operanti in condizioni di vuoto spinto. Il sistema nel suo complesso include due pompe da vuoto, due sensori per il vuoto e un PLC. Le due pompe lavorano in sequenza, poiché ognuna di esse opera in un determinato range di pressione. Il PLC viene impiegato per monitorare la pressione nella camera e contiene una logica capace di far commutare il funzionamento di ogni pompa. In questo caso è stato dimostrato come sia possibile combinare le caratteristiche dell’intelligenza decentrata, in accordo con la filosofia dei sistemi fieldbus, con stazioni di supervisione, sistemi di controllo (regolatori, PLC, ecc.), attuatori e trasduttori che condividono il bus e interagiscono in modi differenti.

__________

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

Per scaricare l’articolo pubblicato sulla rivista, seguire il link riportato di seguito http://www.intellisystem.it/portfolio/fns-set-2003-profibus/

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 

_______

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/

_______

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.

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.

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.

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.

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.

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. 

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.