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Veröffentlicht von:Dorothea Franke Geändert vor über 8 Jahren
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SD Gruppenseminar Optische Strahldiagnose: Leuchttargets & Beam Induced Fluorescence Monitore (BIF) Christiane Andre
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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
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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
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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 60- 73 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
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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
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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
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Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 7 Leuchttarget-System Kalibration mit Licht: Strahlmitte kann im Experiment eingeblendet werden Leuchttarget-Aufbau:
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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?
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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: 12.8.2007 Ne 10+ / ~1,5µA / 1,8 *10^6 Teilchen
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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 (60-100 Mbyte/s) erste Tests durch R. Haseitl Target-Materialien je nach Strahlparameter werden unterschiedliche Materialien benötigt Untersuchungen momentan durch E. Gütlich
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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 5-750 MeV/u Untersuchungen von Frank Becker Prototyp: Aufbau im Unilac
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Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 12 BIF: Funktionsprinzip
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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
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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
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Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 15 Wellenlängenbereiche bei BIF: N 2 -Übergänge emittieren bei 370-430nm Sichtflansch : Fused Silica UV-Enhaced Transmission 300-400nm: 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
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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
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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:
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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
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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)
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Christiane Andre BIF's & Leuchttargets Folie 20 Leuchttarget Software - die Neue !!!
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