How-To: Bunch-to-Bucket System - Betrieb

Kurzfassung

• nur Extraktionsring: Modus einstellen, B2Extraction für schnelle Extraktion zu einem Cave oder B2Coasting für Transfer zwischen Ringmaschinen; sonst: OFF
• Extraktions- und evtl Injektionsring: Kickertiming einstellen,
  • B2B Trigger Verschiebung [Grad], dies ersetzt Kick Start [Grad]
  • Kicker Offset [us], wie bisher
• falls es Probleme beim Triggern von Strahldiagnosegeräten gibt, dann am Parameter Kick Start Event Verschiebung drehen

Einleitung

Vereinfacht ausgedrückt: Das Bunch-to-Bucket (B2B) System ersetzt die sogenannten Timinggeneratoren. Dabei wird auf die Übertragung von Signalen mit langen Kabeln verzichtet. Stattdessen werden Werte wie die Phasenlage der Ring-HF oder der Zeitpunkt zum Triggern eines Kickers als Telegramme über das White Rabbit Netzwerk in Echtzeit übertragen.

Das B2B System dient wie der bisherige Timinggenerator im wesentlichen zur HF getriggerten Extraktion aus einem Ring. Das betrifft also die schnelle Extraktion Richtung eines Caves oder den Transfer zwischen Ringen. Im letzteren Fall soll im Standardbetrieb verfahren werden wie bisher; der Strahl wird also im Ring als 'coasting beam' (ohne HF) eingeschossen. Das echte Bunch-to-Bucket Verfahren ist zunächst nur für Maschinenexperimente vorgesehen.

Der CRYRING war bisher ein Spezialfall, da dieser über keinen Timinggenerator und somit keine Moeglichkeit zur HF-getriggerten Extraktion verfügte.

Die Abbildung unten skizziert die Vorgehensweise des Kickertimings. Eine Kickerlektronik wird durch ein externes Signal (TTL...) getriggert. Die Elektronik verfügt unter anderem über eine Delay, dessen Wert im ParamModi mit dem Parameter Kick Offset einstellbar ist. Die Kickerelektronik steuert den Ablauf beim Zünden des Kickers (Kondensatoren, Dumps, dicke rote Kabel auf großen Trommeln, schnelle Schaltröhren).

Abbildung: Schema des magnetischen Kickers bei SIS18 und ESR. Die CRYRING Kicker (nicht dargestellt) verfügen über keinen Timinggenerator.

Neue Parameter des B2B Systems

Abbildung: Überblick.

mode	standard operation	extraction kicker	injection kicker	RF-triggered (extraction)	phase matching	remark
OFF	X					inactive, slow extraction
EVT_KICK_START		X	X			kicker test
B2EXTRACTION	X	X		X		fast extraction to fixed target or cave
B2COASTING	X	X	X	X		transfer between rings
B2BUCKET		X	X	X	X	transfer between rings, real bunch-to-bucket

Tabelle: Übersicht der verschiedenen Betriebsmodi.

Die Anordnung der Parameter des B2B Systems auf die verschiedenen Tabs ist für die drei Ringe SIS18, ESR und CRYRING etwas unterschiedlich und wird durch die jeweilige Modellierer:in vorgenommen. Im allgemeinen findet man diese jedoch in den Tabs 'Ring schnelle Extraktion' bzw. 'Ring Injektion'. Manchmal auch in 'SIS18:Modi' (SIS18), 'Strahlparameter' (CRYRING) oder 'Ring Extraktion'.

• B2B mode
  • OFF: das System ist inaktiv, diese Einstellung sollte bei langsamer Extraktion gewählt werden
  • EVT_KICK_START: dies ermöglicht einen Test der Kicker auch ohne Ring-HF
  • B2EXTRACTION: Standarbetrieb für schnelle Extraktion eines Bunches zB. zu einem Cave; es wird nur der Extraktionskicker getriggert
  • B2COASTING: Standardbetrieb für schnelle Extraktion mit folgender Injektion in einen anderen Ring; es werden Extraktions- und Injektionskicker getriggert
  • B2BUCKET: echtes Bunch-2-Bucket; dabei wird ein fester Phasenbezug zwischen den HF Systemen beider Ringe hergestellt
• B2B Trigger Verschiebung
  • dieser Parameter ersetzt den Wert Kick Start des Timinggenerators und wird in Grad angegeben
  • die Angabe in Grad bezieht sich auf die Extraktionsfrequenz (Injektionsfrequenz) bei Extraktion (Injektion)
  • da die Kabellängen drastisch kürzer sind als beim Timinggenerator, kann dieser Parameter im Vergleich zum Timinggenerator einen anderen Wert haben
• B2B Phasen Differenz
  • dieser Parameter ist nur für den echten Bunch-to-Bucket Betrieb relevant, kein Standardbetrieb; hiermit kann die Phasendifferenz zwischen den Gruppen-DDSen von Extraktions- und Injektionsmaschine eingestellt werden
• B2B SID (Extraktion)
  • findet sich im Tab 'Ring Injektion' der Injektionsmaschine
  • dies ist ein Anzeigeparameter, nur zur Info
  • dient zur korrekten Zuordnung von Settings im Frontend des B2B Systems
  • der Wert sollte beim Koppeln von Pattern mit der Scheduling App automatisch eingestellt werden

Weitere Parameter

Die im Folgenden genannten Parameter sind keine Parameter des B2B Systems aber hilfreich zum Einstellen des Kickertimings oder zur Pre-Triggerung MIL basierter Geräte.

Delay der Kickerelektronik

Alle Kickerelektroniken verfuegen ueber ein Delay, welches in ParamModi mit dem Parameter Kick Offset eingestellt werden kann. Vereinfacht gesagt erlaubt dies eine Verzögerung des tatsächlichen Kickzeitpunktes.

Pre-Triggerung MIL basierter Geräte

Bisher wurden die Events EVT_KICK_START1/2 oder zum Start der Timinggeneratoren verwendet. Da der Trigger am Ausgang der Timingeneratoren mit einer gewissen Verzögerung erzeugt wurde, waren die Events EVT_KICK_START1/2 gut zur Triggerung von weiteren Geräten zB. der Strahldiagnose geeignet. Im ParamModi gibt es nun einen neuen Parameter

Kick Start Event Verschiebung ,

mit dem der Offset zwischen den Events EVT_KICK_START1/2 an SIS18 und ESR (bzw. CMD_EXTR_KICKER_START am CRYRING) eingestellt werden kann. Dieser Parameter wirkt nicht auf das B2B System, sondern bewirkt bei der Erzeugung des Patterns eine Verschiebung der genannten Events relativ zum Event CMD_B2B_START, mit dem das B2B System gestartet wird.

Der Wert Kick Start Event Verschiebung wird in Mikrosekunden eingestellt und sollte insbesondere mit den Kollegen der Strahldiagnose abgesprochen werden. Beispiel: Bei der Einrichtung neuer Patterns sei ein Standardwert von -25 us empfohlen. Dies bewirkt, dass die 'alten' Events ~25 us vor dem Triggerevent CMD_B2B_TRIGGEREXT des Extraktionskickers gespielt werden.

Diagnose

Als einfaches Werkzeug zur Diagnose bietet sich der B2B Monitor an, der auch von den Konsolen via Launcher -> Verschiedenes -> Experten-Apps gestartet werden kann. Wichtig: Vom Patternnamen abgesehen arbeitet das System ausschließlich mit Daten, welche vom Data Master bzw. b2b System via Timing Messages im White Rabbit Netzwerk verteilt werden. Die hier vorgestellte 'App' zeigt nur eine kleine Untermenge der verfügbaren Daten, der Fokus liegt auf einer Übersicht und der schnellen Diagnose möglicher Fehler.

Abbildung: Transfer Monitor. Gezeigt werden ausschließlich Daten zu 'schnellen Maschinen'. In jeder Zeile sind alle Daten zu einem Transfer abgebildet ausgehend von der Extraktionsmaschine (Source) zu einem Ziel (Destination). Details siehe Text.

Die Abbildung oben zeigt den Transfer Monitor . Als Standardeinstellung werden Patterns mit 'schneller Extraktion' für alle drei Ringe angezeigt. Die Bedienung ist simpel und erfolgt durch Drücken von Tasten auf der Tastatur.

• d ; toggelt die angezeigten Daten (Umschalten zwischen Daten der Kicker und der Ring-HF); default: Kicker
• u ; toggelt die angezeigten Einheiten (Umschalten zwischen Nanosekunden und Grad); default: Grad; die gewaehlte Einheit wird in der Titelzeile angezeigt; die Angabe von Grad bezieht sich auf die Umlauffrequenz der jeweiligen Patterns und Ringes
• q ; beendet das Programm
• i ; toggelt das Anzeigen/Wegfiltern von inaktiven Patterns; default: zeigt alle vor kurzem ausgefuehrten Patterns aller Ringe
  • 0 ; toggelt das Anzeigen/Wegfiltern von Patterns des SIS18
  • 1 ; toggelt das Anzeigen/Wegfiltern von Patterns des ESR
  • 2 ; toggelt das Anzeigen/Wegfiltern von Patterns des CRYRING

Die folgende Tabelle erklärt die Spalten gibt einen Überblick über mögliche Fehlerzustände. Bei Fehlern sollte zusätzlich mit der 'App' B2B System Status geprüft werden, ob alle b2b Systeme im Zustand opReady sind.

Spalte	Was ist gezeigt	Hinweise
pattern name	Name des Patterns
t_last [UTC]	Uhrzeit der letzten Ausführung
origin	von wo wird der Strahl extrahiert	die folgenden Spalten beziehen auf die Extraktionsmaschine
sid	Sequenz ID des Beam Prozesses der schnellen Extraktion
kick(er) set	Sollwert Triggerzeitpunkt bezogen auf Nulldurchgang des Signals von der Gruppen DDS
... trg	Messwert Triggerzeitpunkt bezogen auf Nulldurchgang des Signals von der Gruppen DDS	bei ERROR wurde kein Triggerevent b2b detektiert; evtl Triggerzeitpunkt nicht sinnvoll?; bei echtem 'bunch-2-bucket': Schwebungsdauer > 16 ms? - in der Regel sollte der Messwert vom Sollwert nicht mehr als 1 ns abweichen. Eine systematische Abweichung deutet darauf hin, dass entweder die Frequenz der Ring-HF Gruppen-DDS nicht dem LSA-Wert entspricht oder dass BuTiS und White Rabbit nicht synchronisiert sind; in diesem Fall zunaechst Vollversorgung mit ParamModi versuchen. Ein 'Springen' des Wertes deutet evtl auf ein Problem mit der Gruppen-DDS hin
... offs(e)t	Messwert des ParamModi Parameters 'Kicker Offset' an der Kickerelektronik	bei ERROR wurde kein Signal am Ausgang der Kickerelektronik detektiert; Kickersignal auf Oszi im HKR prüfen; kein Signal: Vollversorgung via ParamModi; evtl ist die Kickersteuerung kapuut; bei UNKWN vermutlich Folgefehler wegen fehlendem Triggerevent
... start	Messwert des Zeitpunkts der steigende Flanke des Kickersondensignals bezogen auf das Triggerevent	bei UNKWN Kickersignal auf Oszi im HKR prüfen
... fl(at)top	Messwert der Laenges Kickerflattops (nur SIS18 und ESR)
dest(inatio)n	wo geht der Strahl hin	die folgenden Spalten beziehen auf die Extraktionsmaschine
sid	Sequenz ID des Beam Prozesses der Injektion
phase set	bei echtem bunch-2-bucket transfer: Sollwert der Phasendifferenz der beteiligten h=1 Gruppen DDSen zum Zeitpunkt des Transfers	bei coast(in)g wird der Strahl als 'coasting beam' injiziert
... get	Messwert der Phasendifferenz (nur echtes bunch-2-bucket): bei ERROR detektiert das b2b System kein Signal der von der h=1 Gruppen DDS der Injektions maschine; Vollversorgung via ParamModi probieren; evtl Hardwaredefekt
kick(er) set, trg, offst, start, fltop	Bedeutung wie bei Extraktionsmaschine
... dOffs(e)t	Messwert der Zeitdifferenz zwischen den Ausgangssignalen der Kickerelektroniken von Injektion und Extraktion
... ToF	Messwert der Zeitdifferenz zwischen Magnetsondensignalen von Injektion (fallende Flanke) und Extraktion (steigende Flanke)	entspricht in etwa der Flugzeit zwischen den Kickern; dieser Wert wird bei korrekter Kickereinstellung jedoch ueberschaetzt, da die Signalflanke der Bunchluecke vor dem ersten Bunch (Extraktion) bzw. der Bunchluecke nach dem letzten Bunch (Injektion) entspricht
Alternativ	(Taste < d >)
		die folgenden Spalten beziehen auf die Extraktionsmaschine
h1gDDS ext set	Sollwert der Frequenz der h=1 Gruppen DDS auf Extraktionsniveau	bei ERROR detektiert das b2b System kein Signal von der Gruppen DDS; zunaechst Vollversorgung via ParamModi probieren; evtl Fehler bei der Datenversorgung der Gruppen DDS; evtl Hardwarefehler bei Ring-HF
... get	Messwert der Frequenz der der h=1 Gruppen-DDS auf Extraktionsniveau (in Klammern: Schaetzung der Unsicherheit des Messwertes)
... diff	Differenz Messwert - Sollwert	die Abweichung sollte in der selben Groessenordnung sein wie die Unsicherheit des Messwertes
... v/c	Umlaufgeschwindigkeit in Einheit der Lichtgeschwindigkeit
h1gDDS inj set, get. diff, v/c	Werte der Injektionsmaschine; Bedeutung wie bei Extraktionsmaschine
prob ext inj	Sollwert der Komparatorschwelle der Elektronik fuer die Erfassung der Magnetsondensignale

Mehr Infos

Eventnummern

Eine Liste aller Eventnummern gibt es hier.

Neue Events

Bei den drei Ringen SIS18, ESR und CRYRING habe es bisher keine einheitliche Zuordnung von Eventnummern und Aktionen. Das B2B System führt hier neue Eventnummern ein, deren Bedeutung in allen Ringen gleich ist. Die wichtigsten Events sind:

• CMD_B2B_START
  • Start des B2B Systems
  • wird vom Data Master ausschließlich (!) in der Timinggruppe der Extraktionsmaschine gespielt
• CMD_B2B_TRIGGEREXT
  • triggert die Elektronik des Extraktionskickers
  • fester Bezug auf die Phase der Gruppen DDS der Extraktionsmaschine mit einer Genauigkeit von 1 ns
  • wird vom B2B System in der Timinggruppe der Extraktionsmaschine gespielt
  • wird NICHT vom Data Master gespielt
• CMD_B2B_TRIGGERINJ
  • triggert die Elektronik des Injektionskickers
  • der Offset zum CMD_B2B_TRIGGEREXT kann mit einer Genauigkeit von 1 ns eingestellt werden
  • wird vom B2B System in der Timinggruppe der Injektionsmaschine gespielt
  • wird NICHT vom Data Master gespielt

Bisherige Events

Die bisherigen Events bleiben Bestandteil der Patterns. Sie sind unter anderem auch weiterhin als Trigger von Geräten notwendig, welche für Timing noch den MIL-Eventbus nutzen:

• EVT_KICK_START1
  • SIS18: startet den Timinggenerator bei der Extraktion
  • ESR: Kickertest für die Injektion
• EVT_KICK_START2
  • SIS18: ?
  • ESR: startet den Timinggenerator bei der Extraktion
• CMD_EXTR_KICKER_START
  • SIS18, ESR: N/A
  • CRYRING: triggert Extraktionskicker (ohne HF, vergleichbar mit Kickertrigger auf EVT_KICK_START1 bei der SIS18 Extraktion)
• CMD_INJ_KICKER_START
  • SIS18, ESR: N/A
  • CRYRING: triggert Injektionskicker (ohne HF, zum Test, vergleichbar mit Kickertrigger auf EVT_KICK_START1 bei der ESR Injektion)

Nomen

• GS00ZB_E, SIS18 Extraktion
• GE00ZB_I, ESR Injektion
• GE00ZB_E, ESR Extraktion
• YR00ZB_I, CRYRING Injektion
• YR00ZB_E, CRYRING Extraktion

Fehler

Eine Liste gibts hier.

-- DietrichBeck - 29 Sep 2023