15.07.2025

Fehlerbehebung von Teilchenbeschleuniger – mit einem Framegrabber

Ein handelsübliches Gerät hilft den Forschenden von SuperKEKB, den Ursprung eines plötzlichen Strahlausfalls zu identifizieren und Beam-Patterns zu unterscheiden.

In seinem Bestreben, die weltweit höchsten Kollisionsraten zu erreichen, wurde SuperKEKB wiederholt von Sudden Beam Loss (SBL)-Ereignissen heimgesucht. Es ist nicht bekannt, was genau ein SBL-Ereignis auslöst. Einer Theorie zufolge führt die Oszillation der Strahlenbahn zu einer deutlichen Zunahme des Strahlquerschnitts einige Umläufe vor dem SBL-Ereignis. Es wurde jedoch auch beobachtet, dass die Größenzunahme früher einsetzte als die Strahloszillation. Es wurden Aufweitungen gemessen, die bis zu zehnmal größer waren als der übliche Strahldurchmesser.

Vom Weißlichtmonitor führen vier Kabel von der Mikrotron CXP-12 Kamera zu... — Beim Weißlichtmonitor führen vier Kabel von der Mikrotron CXP-12 Kamera (links, blaues Gehäuse) zu einen BitFlow Claxon CXP4 PCIe Quad Frame Grabber, um eine Datenübertragungsrate von 50 GB/s zu erreichen.
Quelle: SuperKEKB

Der SuperKEKB-Teilchenbeschleuniger in Tsukuba, Japan, wurde gebaut, um die höchsten Teilchenkollisionsraten der Welt zu erreichen und Grundlagenphysik der nächsten Generation zu ermöglichen. Einzigartig an SuperKEKB ist der Einsatz eines Nanostrahlsystems, das die Strahlen am Wechselwirkungspunkt auf eine Größe im Nanometerbereich zusammenquetscht, sowie die Verwendung eines großen Kreuzungswinkels zwischen den kollidierenden Strahlen, um die Effizienz der Elektron-Positron-Kollisionen zu erhöhen.

Sudden Beam Loss ist das größte Hindernis für die langfristige Stabilität des SuperKEKB-Betriebs. Er kann auch die Beschleunigerkomponenten in den Elektronen- und Positronenringen, die in einem Tunnel nebeneinander angeordnet sind, ernsthaft beschädigen. Daher sollte die Ursache für SBL-Vorfälle ermittelt werden um Maßnahmen ergreifen zu können, die das Phänomen verhindern. Dazu entwickelte das SuperKEKB-Team zwei Turn-by-Turn-Strahlgrößenmonitore, die bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten: ein Röntgensystem für die Strahlgrößendiagnose und einen Monitor für sichtbares Licht, der sich auf Strahlbahnschwankungen und Größenzunahmen konzentriert.

Die Umdrehungsfrequenz des Teilchenbeschleunigers von 99,4 kHz machte den Einsatz von Bildgebungskomponenten erforderlich, die dem Hochgeschwindigkeitsstandard CoaXPress 2.0 (CXP-12) entsprechen. Sowohl im Röntgensystem als auch im System für sichtbares Licht wurden Datenübertragungsraten von bis zu 50 Gigabit pro Sekunde durch die Aggregation von vier Links zwischen einer Mikrotron EoSens 1.1 CXP2 CMOS-Kamera und einem BitFlow Claxon CXP4 PCIe Quad Link Frame Grabber erreicht. Während der Datenerfassung wurde der Kameraverschluss des Mikrotron in präziser Synchronisation mit der 99,4 kHz Umdrehungsfrequenz des SuperKEKB betrieben. Die aufgenommenen Bilddaten wurden kontinuierlich im 2 GB großen Ringpuffer des BitFlow Framegrabbers gespeichert. Nur wenn ein Strahl abbrach, wurden die Daten im Ringpuffer zur Offline-Analyse auf den Plattenserver übertragen.

Durch die Verkleinerung der Region-of-Interest (ROI) der Kamera konnte das Röntgenüberwachungssystem 99.400 Bilder pro Sekunde aufnehmen, während das System für sichtbares Licht eine ROI verwendete, die doppelt so groß war wie das Röntgenbild und mit einer Geschwindigkeit von 49.700 Bildern pro Sekunde arbeitete. Das Strahlprofil wurde mit einer Aufnahme alle zwei Umläufe gemessen.

Claxon CXP4 PCIe Vierfach-Framegrabber
Quelle: BitFlow

Dank der CXP-12-Übertragungsgeschwindigkeit des BitFlow-Framegrabbers konnten die Physiker:innen des SuperKEKB genau zwischen den verschiedenen Strahlenmustern unterscheiden, die sich vor den SBL-Ereignissen entwickelten.

Durch die Kombination der Beobachtungen aus dem Röntgensystem und dem Überwachungssystem für sichtbares Licht konnte ein mögliches Szenario für das SBL-Ereignis entwickelt werden. Die Forschenden stellten die Theorie auf, dass Veränderungen in der Strahlenbahn zu einem plötzlichen Anstieg des Vakuumdrucks in der Dämpfungssektion des SuperKEKB führen könnten. Trifft der Strahl auf eine Vakuumkomponente, z. B. einen Kollimator, käme es nach dieser Theorie zu einem plötzlichen Verlust des Strahls und zu einem SBL-Ereignis. Dies ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Um andere Möglichkeiten zu untersuchen, entwickelt das SuperKEKB-Team fortschrittlichere Röntgenstrahlgrößenmonitore, die einen Siliziumstreifensensor mit einem leistungsstarken ADC kombinieren. [Bitflow / dre]