SD Gruppenseminar Optische Strahldiagnose: Leuchttargets & Beam Induced Fluorescence Monitore (BIF) Christiane Andre

BIF's & Leuchttargets Folie 2 Inhalt Leuchttargets Umstellung auf digitale Kameras Auswahl der Kamera Aufbau des Leuchttarget-Systems Umstellung auf fernsteuerbare Objektive HITRAP Strahlzeit Software Outlook Beam Induced Fluorescence Monitore (BIF) Funktionsprinzip Aufbau des BIF-Systems mit neuer Kammer Optische Auslegung Bildverarbeitung in der Software Kontrollfunktionen in der Software Outlook

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 3 Leuchttargets Strahl zerstörende Standard-Diagnostik Bisher üblich:- Überwachung von Leuchttargets mit Videokameras - Übertragung auf spezielle Videobildschirme - Skalierung auf dem Target (geritzt oder gezeichnet) Probleme: - Kameras werden nicht synchron zum UNILAC/ ESR/ SIS getriggert - Targets sind nicht immer auf Strahlachse justiert - keine Übertragung / Speicherung von Rohdaten  keine Bildbearbeitung !!! - keine Fernbedienung der Blende Ziele:  Videokameras ersetzen durch digitale Kameras  Justierbarer Aufbau mit Halterung für Kamera  Umstellung auf fernsteuerbare Objektive  Erstellung einer bedienerfreundlichen Software

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 4 Leuchttargets & Digitale Kameras Videokamera z.B. Monacor TV CCD-240 Digitalkamera Basler A311f / AVT Marlin Preis100€1000€ Austausch des CCD-Chips: ~250€ Auflösung500 x 582 Pixel494 x 659 Pixel Chip1/3 CCD (4,8 x 3,6mm)1/2 CCD (6,4 x 4,8mm) Externes Triggernnein, möglich nur mit Framegrabber-Karte ja Rohdaten speichernja (bis zu 12 bit / 10bit) Max. Framerate Verwendung bei GSI nur im Video-Modus fps 'full frame' Max. Integrationszeitbis zu 5 Sekunden Vergleich Videokamera & digitaler Kamera: Externe Triggerung  Erfassung kurzer Pulse mit niedriger Wiederholrate Rohdaten  Bildverarbeitung  Anzeige der Rohdaten/ verarbeiteten Bilddaten über ein GUI

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 5 Wahl der Kamera für Leuchttargets Auswahl der digitalen Kameras Basler A311f und AVT Marlin: Schnittstelle: Firewire A / IEEE1394 A + Übertragungsrate bis 400 MBit/s Sensor: ½ CCD (8mm diagonal) bei 494 x 659 Pixeln + CCD: höhere Sensitivität und bessere Linearität als CMOS + Interline Transfer (kein mech. Shutter: kürzere Belichtungszeiten) + bis zu 60fps 'full frame' + gute Empfindlichkeit im gew. Wellenlängenbereich (~ 500nm)  Chipgröße ist Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Sensitivität ADC Auflösung + 10 (AVT) / 12 (Basler) echte Bit Schnelle Systemintegration durch IEEE1394 Treiber Anbindung an unser Datenerfassungssystem NI Compact Vision System 1456 L - lichtempfindliche Pixel T - Transfer-Register, lichtgeschützt A - Ausleseverstärker

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 6 Leuchttarget Aufbau Kamera-Halterung (designed für HIT, C. Dorn):  gut justierbarer Halterung für Kamera  Kamera und Objektiv fixiert (unempfindlich gegen Erschütterungen etc.)  definierter Abstand Kamera-Leuchttarget Justagepunkten auf dem Targethalter  Justage des Targets auf Strahlmitte  Target selbst muß nicht mehr markiert werden  Kalibration per Software möglich

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 7 Leuchttarget-System Kalibration mit Licht: Strahlmitte kann im Experiment eingeblendet werden Leuchttarget-Aufbau:

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 8 Objektive für Leuchttargets  Übersteuerung überwachen (durch Histogramm oder Linienplot)  Abblenden per Remote-Iris (Blendensteuerung) Gute Ausleuchtung leicht übersteuert stark übersteuert Übersteuerung  Daten für Berechnungen (Fit-Funktionen, quantitative Analysen...) unbrauchbar Smear-Effekt bei CCD's mit Interline-Transfer wird während der Datenauslese weiter belichtet  Streifen bis zum unteren Bildrand Blooming-Effekt bei starker Übersteuerung: überschüssige Ladung tritt über auf benachbarte Pixel  'Auslaufen' der Ränder Wozu die Verwendung fernsteuerbarer Objektive?

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 9 Leuchttarget-Anwendung: HITRAP Fazit  Erstellung einer bedienerfreundlicheren Software Erster Aufbau mehrerer Leuchttarget-Systeme in HITRAP (Mai & August 2007) - noch mit 'alter' LabVIEW Software auf Windows-PC - Software für HITRAP erweitert (Kalibration, Anzeige der Strahlmitte...) + digitales Leuchttarget-System wurde zum Fädeln des Strahls viel genutzt + externes Triggern war hier wichtig, da Strahl alle 2 Minuten + Empfindlichkeit ausreichend trotz niedrigem Strom/ weniger Teilchen - Handhabung der Software 'suboptimal' - noch wenig Bildverarbeitung möglich HITRAP: Ne 10+ / ~1,5µA / 1,8 *10^6 Teilchen

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 10 Leuchttargets Outlook Aufbau weiterer digitaler Leuchttarget-Systeme Erstellung einer bedienerfreundlicheren Software unter Linux  läuft auf Hochtouren (R. Haseitl, C. Andre, Firma Hagel) Gigabit Ethernet-Kameras für FAIR (?) + keine optische Übertragungsstrecke mehr nötig + schneller Datentransfer ( Mbyte/s)  erste Tests durch R. Haseitl Target-Materialien je nach Strahlparameter werden unterschiedliche Materialien benötigt  Untersuchungen momentan durch E. Gütlich

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 11 Ziel: BIF soll Standard-Strahldiagnostik werden !  Konstruktion einer 'Standard-Kammer' für BIF mit Halterung etc.  Optische Auslegung des BIF-Systems  Software-Erstellung unter Beachtung verschiedener Sicherheitsaspekte! Beam Induced Fluorescence Monitor BIF Monitor: Nicht Strahl zerstörende optische Diagnostik System besteht aus 2 Kameras zur Betrachtung des Strahls horizontal und vertikal Bildverstärker zum Nachweis einzelner Photonen Leuchtmedium: N 2 Einsatz für Energiebereiche von MeV/u  Untersuchungen von Frank Becker Prototyp: Aufbau im Unilac

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 12 BIF: Funktionsprinzip

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 13 Experiment: Gasregelung Pfeiffer (fernsteuerbar)  Regelung des N 2 -Drucks Objektivsteuerung  Fernsteuerung Objektiv-Blende  Fernsteuerung MCP Steuerspannungen Puls-Generator Proxitronic  Hochspannung MCP's Lokaler Steuerbereich: Timing Interface (TIF)  ferngesteuertes Timing (Kamera, MCP) NI Compact Vision System (NI CVS 1456)  Bilddatenerfassung/ Verarbeitung in LabVIEW  Timingkontrolle über FPGA HKR / Serverraum: Linux-Server  Programm mit Bildbearbeitung, GUI  Speicherung der Daten, Datenbank X-Terminal im HKR  Zugriff auf das GUI BIF: Geplanter Aufbau des Systems

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 14 BIF: Standard Diagnose-Kammer Neue Diagnose-Kammer, konstruiert von C. Dorn  Einbau an mehreren BIF-Stationen möglich  Platz für 1 BIF-System (horizontal & vertikal) und 2 Profilgitter (horizontal & vertikal)  neuer Antrieb für LED's (zur Justage/ Kalibration) Noch in Planung:  Anordnung/ Auslegung der LED's  Halterungen für Kamera-Systeme Vorteile: kurz im Vergleich zu 2 separaten Kammern mehrfach verwendbar fester Abstand Strahlmitte-Sichtflansch: 180 mm  vergleichbare Maßstäbe der optischen Abbildungen 470 mm

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 15 Wellenlängenbereiche bei BIF: N 2 -Übergänge emittieren bei nm  Sichtflansch : Fused Silica UV-Enhaced Transmission nm: 90%  Pentax Objektiv : - schlechte Transmission im UV (400nm: 40%) + fernsteuerbar über Objektivsteuerung  Photokathode (T) bei 380nm: Q~20-25% Phosphorschirm P46: Emissionsmaximum bei 530nm  CCD: + maximale Empfindlichkeit bei 500nm Spektrale Empfindlichkeit der Photokathode T = UV Enhaced S20 on quartz input Window BIF: Optische Auslegung Sensitivität CCD-Chip Sony ICX414AL

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 16 BIF: Optische Auslegung Geplant für neuen BIF-Afbau: Kammer: Objektabstand : ~200mm Kameras: Taper 25:14 Objektiv: 16 mm Zwischenring: 0,5 mm Vergrö- ßerung Schärfen- tiefe Licht- ausbeute Objektabstandklein +-+ Mindestabstand gegeben groß -+- Brennweiteklein (8mm) +-+ ! Verzeichnungen groß (25mm) -+- Blendegeschlossen /+- ! Verzeichnungen offen /-+  Abbildungsmaßstab: ~5 Pixel/mm  Schärfentiefe (bei Unschärfekreis 0,03mm): Blende 2,8: 20mm / Blende 5,6: 40mm

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 17 Benötigte Bildverarbeitung in der neuen Software: Histogramm  Überwachung von Übersteuerung Entzerrung  Perspektivische Korrektur des Bildes Region of Interest (ROI)  Verbesserung der Performance Dunkelbild subtrahieren  Korrektur von 'toten' Pixeln Vignettierung korrigieren  Verzeichnung, besonders bei kleiner Brennweite BIF: Software mit Bildverarbeitung Übersteuerung: Lichtpunkte nicht mehr trennbar! Target um 45° gekippt Dunkelbild mit toten Pixeln Vignettierung Pentax Objektive:

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 18 Die Photokathode ist sehr lichtempfindlich MCP's unterliegen Alterungsprozess  Timingkontrolle durch FPGA  Verhalten der Objektivsteuerung anpassen Kontrolle des Gaseinlasses ins Vakuum !!!  Sicherheitseinstellung Gassteuerung Trotz Allem: Anforderungen an den Bediener  Bewusster Umgang mit den Regelparametern: Gassteuerung Blende MCP-Spannung Belichtungszeit BIF: Software mit Kontrollfunktion

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 19 BIF: Outlook Geplant für 2008: 3 BIF-Stationen im Unilac Fertigstellung, Test und Inbetriebnahme der neuen Software Planung neuer LED-Kalibrationstargets Fertigung und Einbau der neuen Kammer Optimierung des Systems (optisch)  UV-optimierte Objektive  alternative Kamerahersteller  Faseroptische Kopplung ersetzen durch Relay-Optik Tests auf Strahlenresistenz bzw. Abschirmung in Hinblick auf FAIR (  Frank Becker)

Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 20 Leuchttarget Software - die Neue !!!