Linear IFMIF prototype accelerator (LIPAc) control system: design and development

Distributed real time control systems in scientific instruments, such as particle accelerators or telescopes, have emerged as a solution to control multiple interconnected devices, which required constant attention and observation, along with a complete integration of each of its parts. This enhancement is provided by the intense technological development that control devices have suffered in recent years. With respect to the control software, libraries and applications have also emerged in recent times. These sets of tools have been developed collaboratively in various laboratories and research centers worldwide. Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS), a set of open source tools capable of controlling most of the devices necessary to operate a particle accelerator, can be pointed as a prime example of this progress. This thesis presents the design and development of the EPICS based control system for Linear IFMIF1 Prototype Accelerator (LIPAc), which construction involves several countries and it is currently being carried out in Rokkasho, Japan. LIPAc comprises a succession of devices and systems that focus and accelerate deuteron beam to an energy of 9 MeV with a current of 125mA, developing a previously unobtainable power of 1.125MW for that given energy. Therefore, due to the spatial charge issues associated with those beam properties, the operational requirements of such magnitudes make a complex control system but fundamental to proper operation of the prototype accelerator. LIPAc should serve as a key to demonstrate the feasibility in the construction of the IFMIF, an indispensable tool on the way to the conquest of nuclear fusion as an alternative energy source, capable of evaluating possible materials that can be used in the first nuclear fusion reactor, to be erected in the near future. The paradigm of distributed control systems has been established within the engineering community control as a set of software and hardware technologies that provide the necessary elements for seamless integration of system components, in our case, a particle accelerator. This work presents the development of a distributed control system based on EPICS, using architectures, tools and applications that present the operation of the device as a robust set of data and variables, both accessible and understandable by engineers and operators. The first part of this document is dedicated to review the need for nuclear fusion, framing the work presented as one of the previous steps to achieve this complex milestone. Next, a review in control systems architectures for particle accelerators is exposed. Then, it is provided an overview of current control systems with special emphasis on installations whose control is based on EPICS. Due to the large extension of the existing works, this section is not intended to be a comprehensive review, but rather a framework for establishing the context of this work and a way to highlight the most outstanding ones. The second part provides a description of the proposal made, which involves the design and development of a distributed control system based on EPICS. Among all kinds of control architectures, the distributed multilayer has been chosen, wherein the control system is presented as a set of hierarchical layers ranging from the resource layer, closest to the devices, until the presentation layer, closest to the operator, through the application layer. The main contribution of this proposal is the use of technology-based distributed control system over an EPICS framework, giving specific solutions to each part of the accelerator but maintaining the multi-tiered architecture. Specifically, it proposes several solutions based on the same technology software for different local control systems with the advantage of achieving a complete integration of the system and a complete understanding between all components, highlighting the development of the low level radiofrequency control system, one of the most delicate and important parts of the accelerator. Some elements of the developed system have been tested experimentally, first instance at Ciemat facilities, using the necessary devices to simulate input data. On the other hand, the radio frequency system and its control have been tested also at high energy.Los sistemas de control distribuidos en tiempo real para grandes instrumentos científicos, tales como aceleradores de partículas o telescopios, han surgido como solución al problema de control de múltiples dispositivos interconectados que requerían una atención y observación constante, además de una integración absoluta de cada una de sus partes. Esta mejora viene proporcionada por el intenso desarrollo tecnológico que han sufrido en los últimos años los dispositivos destinados al control de sistemas. Con respecto al software de control, han aparecido en los últimos tiempos conjuntos de herramientas, librerías y aplicaciones, desarrolladas de manera colaborativa en diversos laboratorios y centros de investigación de todo el mundo. Como máximo exponente de este progreso está EPICS, un conjunto de herramientas Open Source, capaz de controlar la mayoría de los dispositivos necesarios para hacer funcionar un acelerador de partículas. En esta tesis se presenta el diseño y desarrollo del sistema de control, basado en EPICS, del acelerador lineal prototipo IFMIF, LIPAc en inglés, en cuya construcción participan varios países, llevándose a cabo en Rokkasho, Japón. LIPAc está compuesto por una sucesión de sistemas y dispositivos que focalizan y aceleran un haz de deuterones hasta una energía de 9 MeV con una corriente de 125mA, desarrollando una potencia nunca antes conseguida, con dicha energía, de 1.125MW. Por tanto, los requisitos operacionales derivados de tales magnitudes y de la carga espacial asociada, hacen del sistema de control un elemento complejo pero fundamental para el correcto funcionamiento del acelerador prototipo. LIPAc debe servir como elemento clave para demostrar la viabilidad de la construcción de IFMIF, una herramienta indispensable en el camino hacia la conquista de la fusión nuclear como fuente alternativa de energía, capaz de evaluar posibles materiales que puedan ser utilizados dentro del primer reactor nuclear de fusión, que se erigirá en un futuro próximo. El paradigma de los sistemas de control distribuidos se ha establecido dentro de la comunidad de la ingeniería de control, como el conjunto de tecnologías tanto software como hardware que pretenden proporcionar los elementos necesarios para conseguir una total integración de los sistemas que componen en este, nuestro caso, un acelerador de partículas. En el presente trabajo se propone el desarrollo de un sistema de control distribuido basado en EPICS que utilice arquitecturas, herramientas y aplicaciones que muestren el funcionamiento del artefacto como un conjunto robusto de datos y variables, accesibles y entendibles tanto por los ingenieros como por los operadores. La primera parte del documento se dedica a revisar, en primer lugar, la necesidad de la energía nuclear de fusión, enmarcando el trabajo presentado como una de los pasos previos para conseguir este complejo hito. Seguidamente, se ofrece una visión general de arquitecturas de sistemas de control actuales en aceleradores de partículas, haciendo especial hincapié en aquellas instalaciones cuyo control está basado en EPICS. Debido a la gran extensión de los trabajos existentes, esta sección no pretende ser una revisión exhaustiva, sino un marco para establecer el contexto de esta tesis y una forma de resaltar los trabajos más destacados. La segunda parte proporciona una descripción de la propuesta realizada, que consiste en el diseño y desarrollo de un sistema de control basado en EPICS. Entre todos los tipos de arquitecturas de control se ha optado por seguir el modelo distribuido multicapa, en el cual el sistema de control se presenta como un conjunto de estratos jerarquizados que van desde la capa de recursos, la más cercana a los dispositivos, hasta la capa de presentación, la más cercana al operador, pasando por la de aplicación. La principal aportación de la propuesta es el uso de la tecnología de sistemas de control distribuidos basados en EPICS que da solución específica a cada parte o subsistema del acelerador, manteniendo siempre la arquitectura multicapa. En concreto se proponen diversas soluciones basadas en la misma tecnología software para los diferentes sistemas de control locales del acelerador, con la ventaja de conseguir una integración absoluta del sistema y un entendimiento completo entre todas las partes que lo componen; destacando en esta segunda parte, el desarrollo del control del sistema de radiofrecuencia a bajo nivel, una de las partes más delicadas e importantes del acelerador. El sistema desarrollado se ha probado en primera instancia de forma experimental en los bancos de pruebas de las instalaciones del Ciemat, utilizando los dispositivos necesarios para simular datos de entrada. Por otro lado, el sistema de radiofrecuencia y su control han sido además evaluados en tests a altas energías.Este trabajo ha sido realizado en su mayor parte dentro de las instalaciones del Centro de Investigaciones Medioambientales, Energéticas y Tecnológicas (Ciemat), gracias a sus medios técnicos y a su personal, financiado por el MINECO a través de los proyectos AIC-2010-A-000441 y AIC-A-2011-0654.Programa en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: Joaquín Sánchez Sanz; Vocal: Luis Correia; Secretario: José Manuel Molina Lópe