Getting Started with EPICS

1
Loslegen mit EPICS Vortragsreihe auf Deutsch

• Einleitung Teil 1

Elke Zimoch Original von Ned Arnold 2004
2
Loslegen mit EPICS

• Zwei Kontrollgruppen des Argon National
  Laboratory haben im Jahr 2004 die Vortragsreihe
  Getting Started with EPICS entwickelt. Im
  Dezember des Jahres entstand auf dem EPICS
  Workshop in Japan die Idee, diese Vortragsreihe
  ganz oder teilweise zu übersetzten. Daraus ist
  die deutsche Version Loslegen mit EPICS
  entstanden. Die Vortragsreihe umfasst die
  folgenden Themen
• Einleitungen zu EPICS
• Getting Started with Using EPICS Tools
• Getting Started with Developing EPICS Tools
• Getting Started with Input/Output Controllers
• Applications/Special Topics

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Einleitung Teil 1

• Inhalt
• Was ist EPICS
• Wie arbeitet EPICS
• Ein kleines EPICS Wörterbuch
• Einführung in die Anwendung des Virtual LINAC

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Was ist EPICS?

• Eine Kollaboration
• Eine Kontrollsystem Architektur
• Eine Software Werkzeugsammlung

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Was ist EPICS? Eine Kollaboration

• 1989 begann die Zusammenarbeit von LANL/GTA und
  ANL/APS
• (Bob Dalesio Marty Kraimer)
• Über 150 Lizenzen wurden vergeben, bevor EPICS
  zur freien Software (Open Source) wurde
• Ein Beispiel Der EPICS Workshop 2004 in Santa Fe
• über 100 Teilnehmer
• von 34 Institutionen
• über 75 Presentationen in drei Tagen
• Tägliche Zusammenarbeit die Maillisten Tech
  Talk etc.
• Der Einsatz für die Kollaboration ist verschieden
• Hilfe bei Fehlersuche
• Veröffentlichung von Werkzeugen, Systemen und
  Beratung

LANL Los Alamos National Laboratory GTA Ground
Test Accelerator ANL Argonne National
Laboratory APS Advanced Photon Source
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Was ist EPICS? Eine Kollaboration

• Einige Mitglieder der Kollaboration (nicht
  vollständig!)
• ANL (APS Accelerator, APS Beamlines, IPNS) in
  Chicago, USA
• LANL in Los Alamos, USA
• ORNL (SNS) in Oak Ridge, USA
• SLAC (SSRL, LCLS) in Standford, USA
• JLAB (CEBAF) in Newport, USA
• DESY in Hamburg, Deutschland
• BESSY in Berlin, Deutschland
• PSI (SLS) in Villigen, Schweiz
• KEK in Tsukuba, Japan
• DIAMOND Light Source (Rutherford Appleton
  Laboratory) in Oxfordshire, England
• The Australian Synchrotron (AusSy) in Melbourne,
  Australien

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Was ist EPICS?

• Eine Kollaboration
• Eine Kontrollsystem Architektur
• Eine Software Werkzeugsammlung

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Was ist EPICS? - Eine Kontrollsystem Architektur

• Netzwerkbasiertes Client/Server Modell (daher das
  EPICS Logo)

EPICS
CA
CA
Client
Client
CA
CA
Server
Server

• Hier bezieht sich Client und Server auf ihre
  Rolle bezüglich Channel Access
• D.h. Channel Access Client und Channel Access
  Server

9
Was ist EPICS? - Eine Kontrollsystem Architektur

• Channel Access Clients (CAC) sind Programme, die
  den Zugriff auf diese Prozess Variablen für ihre
  Ausführung benötigen

StripTool
MEDM
CAC
CAC
Der Dienst, den Channel Access Server (CAS)
anbieten, ist Zugriff auf eine sogenannte Prozess
Variable
Prozess Variablen
Prozess Variablen
CAS
CAS
Eine Prozess Variable (PV) ist ein Datensatz
mit einem Namen
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Was ist EPICS? - Eine Kontrollsystem Architektur

• Eine Prozess Variable (PV) ist ein Datensatz mit
  einem Namen, zum Beispiel ein Setzwert, ein
  Rücklesewert, ein Status, ein Parameter usw.
• Beispiele von PV Namen und Werten
• ARIDI-PCTCURRENT 320 mA
• X10SA-OP-SH1SIZE-SET 5 mm
• BOOSTERgateValvePosition OPEN
• S3DIPOLEPSsetPoint 123.4 Amps
• APSMode Stored Beam
• BL3HISTOGRAM 3, 8, 1, 2, 56, 44, 32, 43, 3,
  5, 1
• Die Namen sind im Prinzip willkürlich und folgen
  in jedem Institut einer anderen Namenskonvention

SLS
APS
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Was ist EPICS? - Eine Kontrollsystem Architektur

• Eine Prozess Variable ist ein Datensatz mit einem
  Namen und Attributen
• Beispiele für Attribute
• Alarm Severity Wichtigkeit eines
  Fehlerzustandes (NO_ALARM, MINOR, MAJOR, INVALID)
• Alarm Status Grund für einen Fehlerzustand
  (z.B. READ_error)
• Zeitstempel (Wann wurde der Wert gesetzt)
• Anzahl der Werte (array)
• Normaler Betriebsbereich
• Begrenzung der Werte
• Engineering Unit Einheit (z.B. mA, mm, MW)

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Was ist EPICS? - Eine Kontrollsystem Architektur

• Ein Netzwerkbasiertes Client/Server Modell,
  dessen elementarer Datensatz eine Prozess
  Variable ist
• Das Channel Access Protokoll legt fest, wie die
  Daten der Prozess Variablen zwischen Server und
  Client übertragen werden
• Die Gesamtmenge der Prozess Variablen bildet eine
  Distributed Real-time Database (verteilte
  Echtzeit-Datenbank) die den Maschinenzustand,
  Informationen und Parameter enthält

EPICS Datenbank
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Was ist EPICS? - Eine Kontrollsystem Architektur

• Normalerweise sind Channel Access Verbindungen
  auf ein Subnetz beschränkt, aber man kann über
  Konfigurationen einstellen, dass die Verbindungen
  auch weitreichender sind.
• Physikalische Hirarchien können durch den Einsatz
  von Gateways aufgebaut werden.

Gateway
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Was ist EPICS?

• Eine Kollaboration
• Eine Kontrollsystem Architektur
• Eine Software Werkzeugsammlung

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Was ist EPICS? - Eine Software Werkzeugsammlung
Mein spezielles Daten- erfassungs- programm

• Jedes Programm und jede Anwendung, die mit dem
  Channel Access Protokoll arbeitet, kann man als
  EPICS verträglich bezeichnen.

StripTool
MEDM
CAC
CAC
CAC
Man kann EPICS als eine Werkzeugsammlung
betrachten, die aus allen EPICS verträglichen
Programmen besteht. Jeder kann sich das Werkzeug
aussuchen, das am besten zur Aufgabenstelllung
passt, oder auch ein eigenes entwickeln.
Meine Beschleuniger Simmulation (PVs)
CAS
iocCore (PVs)
LabView (PVs)
CAS
CAC
CAS
CAC
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Was ist EPICS? Eine Zusammenfassung

• Eine Kollaboration
• Eine weltweite Kollaboration, die Designs,
  Software Werkzeuge und Erfahrungen zur
  Entwicklung von Kontrollsystemen für Grossanlagen
  untereinander austauscht
• Eine Kontrollsystem Architektur
• Ein Client/Server Modell mit einem effizienten
  Kommunikationsprotokoll (Channel Access) für den
  Austausch einfacher Daten
• Eine verteilte Echtzeit-Datenbank der
  Maschinenwerte
• Eine Software Werkzeugsammlung
• Eine Sammlung von gemeinschaftlich entwickelten
  Software Werkzeugen zum Aufbau eines
  verständlichen und erweiterbaren Kontrollsystems

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Einleitung Teil 1

• Inhalt
• Was ist EPICS
• Wie arbeitet EPICS
• Ein kleines EPICS Wörterbuch
• Einführung in die Anwendung des Virtual LINAC

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Was kann EPICS leisten?

• Fernsteuerung und Überwachung von technischer
  Ausrüstung
• Daten-Konvertierung und -Filterung
• Regelschleifen
• Zugriffsüberwachung
• Beschränkung der Betriebszustände
• Fehler-Erfassung/-Meldung/-Aufzeichnung
• Daten-Archivierung/-Darstellung
• Automatisierung von Abläufen
• Modellierung/Simulation
• Speichern und Laden von komplexen
  Betriebszuständen
• Datenerfassung
• Datenanalyse

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Wie macht EPICS das?
Channel Access Client
Operator
Channel Access Client
Channel Access Client
Netzwerk (Channel Access Protokoll)
Channel Access Server
Prozess Variablen
Speise-gerät
Computer Schnittstelle
S1AH1CurrentAO S1P1x S1P1y S1G1vacuum
Beam Position Monitor
Computer Schnittstelle
Vakuum Sonde
Maschine
Computer Schnittstelle
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Wo wird was gemacht?
Fernsteuerung und Überwachung
Beschränkung der Betriebszustände
Fehler-Meldung Aufzeichnung
Automatisierung von Abläufen
Modellierung Simulation
Daten-Archivierung/-Darstellung
Konfiguration der Betriebszustände
Regelschleifen
Channel Access Client
Operator
Channel Access Client
Channel Access Client
Netzwerk (Channel Access Protokoll)
Channel Access Server
Prozess Variablen
Speise-gerät
Computer Schnittstelle
S1AH1CurrentAO S1P1x S1P1y S1G1vacuum
Automatisierung von Abläufen
Zugriffsüberwachung
Beschränkung der Betriebszustände
Fehler-Erfassung
Regelschleifen
Daten-Konvertierung und -Filterung
Daten-Archivierung
iocCore
Beam Position Monitor
Computer Schnittstelle
Vakuum Sonde
Maschine
Computer Schnittstelle
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Standard Form eines EPICS Kontrollsystems
Output
Channel Access
Input
Kommerzielle Instrumente
Eigenbauten
Technische Ausrüstung
22
Typische Umsetzung eines EPICS Kontrollsystems
23
Typische Umsetzung eines EPICS Kontrollsystems
Desktop
Laptop
Die meisten IOCs basieren auf vxWorks (meistens
VME)
Die meisten CAS Anwednungen basieren auf
Unix/Linux oder Windows
24
Typische Umsetzung eines EPICS Kontrollsystems
Mit dem EPICS Release 3.14 wurden die
Beschränkungen für das Betriebssystem von iocCore
abgeschafft.
RTEMS
vxWorks
25
Typische Umsetzung eines EPICS Kontrollsystems
Zeiten ändern sich Ansteuerung eines Motors mit
EPICS
circa 2002
circa 1995
26
Standard Form eines EPICS Kontrollsystems
Client Software
MEDM
OAG Apps
ALH
StripTool
TCL/TK
Und viele andere
Perl Scripts
Output
Channel Access
Input
Kommerzielle Instrumente
Eigenbauten
Technische Ausrüstung
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Unabhängige CA Clients (von der EPICS Website -
unvollständig)

• ALH Alarm Handler
• BURT Backup and Restore Tool
• CASR Host-based Save/Restore
• CAU Channel Access Utility
• Channel Archiver (SNS)
• Channel Watcher (SLAC)
• EDM Extensible Display Manager (ORNL)
• JoiMint Java Operator Interface and Management
  INtegration Toolkit (DESY)
• Knobs Knob Manager und KnobConfig, eine
  Schnittstelle zu SunDials
• MEDM Motif Editor und Display Manager
• StripTool Strip-chart Plotting Tool
• und viele mehr ...

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Standard Form eines EPICS Kontrollsystems
Output
Channel Access
Input
Kommerzielle Instrumente
Eigenbauten
Technische Ausrüstung
29
Channel Access auf einer Folie
connection request oder search request
put oder caPut
get oder caGet
set a monitor
Wer hat eine PV mit dem Namen S1AH1CurrentAO ?
Ändere den Wert auf 30.5 AMPS
Benachichtige mich, wenn sich der Wert ändert
Was ist ihr Wert?
Channel Access Client

• CA Client

• CA Server

Channel Access Server
Ich habe sie
25.5 AMPS
OK, jetzt ist der Wert 30.5 AMP
Jetzt 20.5 AMPS
Jetzt 10.5 AMPS
Jetzt -0.0023 AMPS
Prozess Variablen
S1AH1CurrentAO S1P1x S1P1y S1G1vacuum
put complete
post an event oder post a monitor
30.5 ist zu hoch. Sie wird auf das erlaubte
Maximum von 27.5 AMPS gesetzt.
oder
Sie sind nicht berechtigt diesen Wert zu ändern.
oder
30
Hauptmerkmale von Channel Access

• Clients broadcast (Meldung an alle) PV Namen um
  den Server zu finden, auf dem sie existieren
• Channel Access Security kann eingesetzt werden
  um den Zugriff auf Prozess Variablen zu begrenzen
• Clients können auf die Meldung put request
  warten, bevor sie weiterarbeiten
• Clients können Monitore (set monitors) auf PVs
  setzten und werden dann über Änderungen der Werte
  informiert

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Standard Form eines EPICS Kontrollsystems
Output
Channel Access
Input
IOC Software
EPICS Datenbank
Sequence Programme
Eigene Programme
Kommerzielle Instrumente
Eigenbauten
Echtzeit Kontrolle
Technische Ausrüstung
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IOC Software auf einer Folie
Network (Channel Access)
IOC Software
EPICS iocCore Dienste und Programme von EPICS
mitgeliefert
Anwendungsspezifische Datenbank aus Records
Anwendungs- spezifische Programme z.B. State
Notation Language
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Record
Treiber (Device/Driver Support) von EPICS
mitgeliefert/erweiterbar
Neue Treiber (Device Support)
Unterstützte Instrumente
Unterstützte Instrumente
Neue Ausrüstung
Unterstützte Instrumente
mitgeliefert
Notwendig
Optional
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Hauptmerkmale der IOC Software

• Es gibt zwei wesentliche Andwendungsabhängige
  Komponenten
• Die Echtzeitdatenbank bestehend aus Records
  (notwendig)
• State Notation Language (SNL) Programme, um
  Status basierte Abläufe umzusetzen (optional)
• Maschinenstatus, Informationen und
  Kontrollparameter werden durch sogenannte
  Records in der anwendungsspezifischen Datenbank
  definiert.
• Die Daten innerhalb eines Records sind über
  Prozess Variablen zugänglich.
• Records sind mit bestimmten Funktionalitäten
  verknüpft (Skalierung, Filtern, Fehlererkennung,
  Berechnungen, usw). Es gibt unterschiedliche
  Record-Typen mit unterschiedlichen Funktionen und
  Einsatzmöglichkeiten.
• Records sind häufig mit Ein-/Ausgabe Geräten
  verbunden, die über Device Support (Treiber)
  angesteuert werden.

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Standard Form eines EPICS Kontrollsystems
Output
Channel Access
Input
Kommerzielle Instrumente
Eigenbauten
CA Server Anwedungen
Technische Ausrüstung
Prozess Variablen
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Häufig benutzte CA Server Anwendungen

• IOC Core
• PV Gateway
• CA Server Interface to LabVIEW
• CA Server Schnittstelle zu PC
  Bilderfassungs-Systemen

Gateway
CAS
CAC
CAS
CAC
(PVs) LabVIEW
CAS
CAC
(PVs) PC Bild- erfassung
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Zehn wirklich nette Tatsachen über EPICS

• Es ist umsonst
• Es ist Open Source (Quellcode ist zugänglich)
• Es gibt eine Menge Leute, die es benutzen
• Alles was ein Client wissen muss um auf die
  Daten zuzugreifen ist der PV Name
• Man kann unter den besten Werkzeuge auswählen
• oder seine eigenen schreiben
• Der langweilige Teil ist schon gemacht
• Es gibt bereits eine Menge Erfahrungen in
  verschiedenen Instituten
• Eine gute Erweiterung findet internationale
  Aufmerksamkeit
• Es ist egal, ob man 10 oder 10 Millionen PVs
  braucht (beliebig skalierbar)

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Einleitung Teil 1

• Inhalt
• Was ist EPICS
• Wie arbeitet EPICS
• Ein kleines EPICS Wörterbuch
• Einführung in die Anwendung des Virtual LINAC

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Wörterbuch

• EPICS
• Experimental Physics and Industrial Control
  System
• Channel Access
• Das Kommunikations-Protokoll von EPICS
• Prozess Variable (PV)
• Ein Datensatz mit einem Namen, der über diesen
  Namen angesprochen wird
• Die Basis-Dateneinheit des Channel Access
  Protokolls

39
Wörterbuch

• Channel oder Kanal
• Ein Synonym für Prozess Variable
• Channel Access Server
• Software, die Zugriffe über Channel Access auf
  Prozess Variablen zur Verfügung stellt
• Vereinfacht Software, die Records erzeugt
• Channel Access Client
• Software, die über Channel Access auf Prozess
  Variablen zugreift

40
Wörterbuch

• IOC Input Output Controller
• Ein Computer auf dem iocCore läuft. Das ist eine
  Sammlung von EPICS Routinen, die benutzt werden
  um Prozess Variablen zu definieren und Echtzeit
  Algorithmen zu implementieren.
• iocCore benutzt Records um Prozess Variablen und
  ihr Verhalten zu definieren
• Soft IOC
• Ein Computer (häufig ein PC), auf dem nicht
  ausschliesslich iocCore läuft oder laufen kann.
• Häufig wird wird mit einer IOC ein VME-Rechner
  gemeint, während eine SoftIOC meistens ein PC
  ist.

41
Wörterbuch

• Record
• Der Mechanismus, mit dem Prozess Variablen von
  iocCore definiert werden (auf einer IOC)
• Es existieren dutzende von verschiedenen
  Record-Typen, jeweils mit eigenen Attributen
  (Feldern) und einer eigenen Funktionalität
• Vorsicht Die Begriffe Record, Channel oder
  Kanal, sowie Prozess Variable werden im täglichen
  Sprachgebrauch häufig synonym benutzt, obwohl sie
  nicht genau das gleiche meinen
• Beispiel Record Strom PVs, Channel
• Attribut EGU Strom.EGU
• Attribut VAL Strom.VAL

42
Einige Fragen, die man stellen sollte

• Versteht das neue Gerät EPICS, Channel
  Access?
• Gibt es bereits ein EPICS Werkzeug, das
  was_auch_immer macht?
• Was ist der PV Name von igendeinem_Gerät?
• Gibt es einen EPICS Treiber für
  das_Gerät_das_ich_nutzen_will?
• Welche Computer Typen und Betriebssysteme
  werden genutzt?
• Welche Funktionen sollen zur Verfügung stehen?
• In einem Client? In einer IOC? In einer eigenen
  CAS Anwendung?
• Warum kann mein CA Client die PV auf einem CA
  Server in einem anderen Subnetz nicht finden?

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Einleitung Teil 1

• Inhalt
• Was ist EPICS
• Wie arbeitet EPICS
• Ein kleines EPICS Wörterbuch
• Einführung in die Anwendung des Virtual LINAC

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Die Virtual LINAC Anwendung

• Eine vorkonfigurierte EPICS Anwendung, die auf
  jedem Rechner installiert werden kann zum Üben,
  zum Testen, zum Spielen
• Alles wird auf dem gleichen Rechner (z.B. einem
  Office PC) installiert.

Mein spezielles Daten- erfassungs- programm
StripTool
MEDM
OAG Tools
CAC
CAC
CAC
CAC
Installierbar auf
Solaris Workstation
LINUX PC
IOC Anwendung vlinac PVs
CAS
CAC
MAC
Windows PC
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MEDM Oberfläche der Virtual LINAC Anwendung
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Die Virtual LINAC Anwendung
Der LINAC
Die Elektronen, die in einem Speicherring
umlaufen, werden häufig in Linearbeschleunigern
( Linear Accelerator oder Linac) erzeugt. Die
eigentliche Erzeugung der Elektronen geschieht
mit einer Glühkathode in der Electron Gun.
Danach werden sie durch sogenannte Accelerating
Cavities beschleunigt. Da Elektronen geladene
Teilchen sind, können sie durch Elektromagneten
durch die enge Vakuum Kammer geleitet werden.
Natürlich gehen die Elektronen verloren, wenn sie
durch falsch eingestellte Magnete auf die
Kammerwand gelenkt werden.
Der Operateur
Vom Kontrollraum aus kann der Operateur die
Beschleunigeranlage steuern und überwachen. In
dieser Simulation muss der Operateur die
Temperatur der Electron Gun einstellen, die
Positon des Elektronenstrahls in der Vakuumkammer
überwachen, den Strom der Korrekturmagnete regeln
und ein Vakuum-Ventil kontrollieren.
Die Herausforderung
Die einzelnen Schritte auf der nächsten Folie
beschreiben, wie man Elektronen erfolgreich
virtuell erzeugen und bis zum Ende des Linac
transportieren kann.
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Die Virtual LINAC Anwendung
Schritt 7 RESET macht den Linac für den nächsten
Operateur oder den nächsten Versuch bereit.
Schritt 1 Den blauen Slider benutzen um die
Kathode zu heizen, bis die Temperatur im
gewünschten Bereich liegt (die Anzeige wird
grün).
Schritt 6 Die übrigen Korrekturmagnet müssen
ebenfalls richtig eingestellt werden, um den
Strahl bis zum Ende zu transportieren. Der
Strahlstrom wird am Ende mit einem so genannten
Faraday Cup (FC1) gemessen. Durch leichte
Variation der Magnetströme kann der Strom
maximiert werden (15 mA sind sehr gut!).
Schritt 2 Beam On drücken, um die Elektronen
in den Linac zu schicken.
Schritt 5 Das Vakuum-Ventil muss geöffnet werden
um die Elektronen durch zu lassen.
Schritt 3 Die Ströme der Korrekturmagneten (H1
und V1) müssen so eingeregelt werden, dass die
horizontale (X) und vertikale (Y) Position des
Elektronenstrahls kleiner als 1mm wird. Die
Positionen werden in dem Diagramm dargestellt
Blau ist X und Braun ist Y. Die rote Linie
repräsentiert die Anzahl der Elektronen.
Schritt 4 Noch mehr Korrektur- magnete
HILFE für Frustrierte Aufgegeben? Der Kopf
Auto-Start lässt den Computer die Arbeit
übernehmen.