Способ регулирования интенсивности пучка в циклическом ускорителе заряженных частиц

 

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ПУЧКА В ЦИКЛИЧЕСКОМ УСКОРИТЕЛЕ ЗАРЯЖЕННЩ ЧАСТИЦ с жесткой фокусировкой, включающий измерение захваченного тока, воздействие на частицы на локальном з астке орбиты в течение конечного промежутка времени параллельным медианной плоскбсти ускорителя переменным магнитным полем с постоянными в течение этого промежутка времени амплитудной и частотой, кратной частоте вертикальных бетатронных колебаний частиц, отличающийся тей, что, с целью увеличения , точности и диапазона регулирования , в течение первого промежутка времени осуществляют прием от пучка сигнала, соответствующего моменту касания пучк.а стенок камеры ускорителя , продолжают воздействие на пучок переменным магнитным полем до уменьшения тока пучка до промежуточной между захваченной и требуемой величинами на интервал времени, .кратный периоду переменного магнитного поля, прекращают воздействие этого поля на пучок и в течение этого интервала уменьшают амплитуду переменного магнитного поля по сравнению с амплитудой на первом промежутке , после чего дополнительно (Л воздействуют на пучок полем с уменьшенной амплитудой в течение дополнительного промежутка времени вплоть до достижения током требуемой велиg чины, при этом измеряют девиацшо частоты бетатронных колебаний в каждом цикле ускорения и производят, э ч равную ей девиацию частоты переменного магнитного поля в этом же цикле N9 ускорения. J X) 4:

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) 3(5D H 05 H 13 04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3447535/18-21 (22) 04.06.82 (46) 23.12,84. Бюл. 1(- 47 (72) Л.С.Хуршулян (53) 621.384.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

1(- 135552, кл. Н 05 Н 13/04, 11/00, 1961.

2. Авторское свидетельство СССР и 670087, кл. H 05 H 13/04, 1978 (прототип).

{54) (57) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ИНТЕНСИВНОСТИ ПУЧКА В ЦИКЛИЧЕСКОМ

УСКОРИТЕЛЕ ЗАРЯЖЕННБП ЧАСТИЦ с жест- кой фокусировкой, включающий измерение захваченного тока,. воздействие на частицы на локальном участке орбиты в течение конечного промежут-. ка времени параллельным медианной плоскости ускорителя переменным магнитным полем с постоянными в течение этого промежутка времени амплитудной и частотой, кратной частоте вертикальных бетатронных колебаний частиц, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью увеличения точности и диапазона регулирования, в течение первого промежутка времени осуществляют прием от пучка сигнала, соответствующего моменту касания пучка стенок камеры ускорителя, продолжают воздействие на пучок переменным магнитным полем до уменьшения тока пучка до промежуточной между захваченной и требуемой величинами на интервал времени,,кратный периоду переменного магнитного поля, прекращают воздействие этого поля на пучок и в течение этого интервала уменьшают амплитуду переменного магнитного поля по срав нению с амплитудой на первом проме- 19

O жутке, после чего дополнительно воздействуют на пучок полем с уменьшенной амплитудой в течение дополкительного промежутка времени вплоть до достижения током требуемой велийЙ чины, при этом измеряют девиацию частоты бетатронных колебаний в каждом цикле ускорения и производят, равную ей девиацию частоты переменнО.

ro магнитного поля в этом же цикле ускорения.

1072784

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке устройств для проведения физических экспериментов с высокой точностью регулировки интенсивности ускорения пучка.

Известен способ регулирования интенсивности пучка в циклическом ускорителе заряженных частиц, основанный на сбросе излишка инжектируемого пучка кольцевой камере синхротрона в период квазибетатронного ускорения пучка tlj .

Недостатком известного способа является низкая точность регулирования, обусловленная нестабильностью пространственно-временных параметров инжектируемого пучка.

Прототипом .изобретения является способ регулирования интенсивности цучка в циклическом ускорителе заряженных частиц с жесткой фокусировкой, включающий измерение захваченного тока, воздействие на частицы на локальном участке орбиты в течение конечного промежутка времени параллельным медианной плоскости ускорителя переменным магнитным полем с постоянными в течение этого промежутка времени амплитудой и

30 частотой, кратной частоте .вертикальных бетатронных колебаний частиц (2j, Согласно известному способу на ускоряемый пучок в одном из прямолинейных промежутков синхротрона воздействуют перемещенным во времени 35 магнитным полем Ч, вырабатываемым р У по следующему закону регулирования:

Н =г;((3, „-3 q) p), ( с где(З gð„- Э, ) - измеренное в теку" щем i -м цикле ускорения отклонение величины интенсивности пучка aly g 45 г от требуемого ее

I значения 3„, — коэффициент усиления преобразователя ,сигнала отклонения 5О интенсивности в задающее напряжение;

1 — параметр, учитывающий зону .нечувстви" 55 тельности регулировочной характе- . ристики;

r„ — определяемые путем подбора соответствующего режима резонансной раскачки пучка желаемые динамические коэффициенты объекта регулирования.

Недостаток известного способа— низкая точность регулирования, обусловленная сложностью обеспечения при большом динамическом диапазоне изменений интенсивности пучка надлежащего соответствия между измеряемыми параметрами r oL и, P используемого закона регулирования fl) а так же необходимостью учета в этом случае уже существенно нелинЕйного характера процесса резонансного разгона амплитуд бетатронных колебаний в начале цикла ускорения. Кроме того, данный способ характеризуется также недостаточной устойчивостью самого процесса резонансного регулирования интенсивности пучка из-за колебаний от цикла к циклу регулирования и сравнительно медленной сходимости переходных процессов после окончания резонансной раскачки пучка. В результате снижается не только точность, но и диапазон регулирования.

Целью изобретения является увеличение точности и диапазона регулирования.

Цель достигается тем, что по способу регулирования интенсивности пучка в циклическом ускорителе заряженных частиц с жесткой фокусировкой, включающему измерение захваченного тока, воздействие на частицы на локальном участке орбиты в течение конечного промежутка времени параллельным медианной плоскости ускорителя переменным магнитным полем с постоянными л» / в течение этого. промежутка времени амплитудой и частотой, кратной частоте вертикальных бетатронных колебаний частиц, в течение первого промежутка времени осуществляют прием от пучка сигнала, соответствующего моменту касания пучка стенок камеры ускорителя, продолжают воздействие на пучок переменным магнитным полем до уменьшения тока пучка до промежуточной между захваченной и требуемой величинами, иа интервал времени, кратный периоду переменного магнитного поля,прекращают воздействие этого поля на

1072784 пучок, и в течение этого интервала уменьшают амплитуду переменного магнитного поля по сравнению с амплитудой на первом промежутке, после чего дополнительно воздейст5 вуют на пучок пошлем с уменьшенной амплитудой в течение дополнительного промежутка времени вплоть до достижения током требуемой величины, при этом измеряют девиацию частоты бетатронных колебаний в каждом цикле ускорения и производят равную ей цевиацию частоты переменного магнитного поля в этом же цикле ускорения.

На фиг, 1 представлена блок-схема 15 одного из возможных вариантов устройства для реализации данного спосо ба; на фиг. 2,3 и 4 — графики переменных во времени величин.

Устройство, реализующее данный способ, содержит высокочастотный(ВЧ) магнит 1 расположенный на одном из прямолинейных промежутков между .фокусирующими полублоками кольцевого . магнита, оконечный каскад усилителя 25 2 тока, модулятор 3 с независимыми управляющими входами, задающий генератор 4 высокочастотных синусоидальных колебаний с регулируемой частотой, многоканальный блок 5

30 компараторных различителей (дифференциальных дискриминаторов) амплитуды сигнала интенсивности, функциональный преобразователь 6 сигнала интенсивности в пронормированный по амплитуде импульсный сигнал .длитель-. 5 ностью, пропорциональной значению арк-тангенса от нормализованной величины достигнутого относительного отклонения интенсивности пучка, задатчик 7 уровня сигнала интенсивности, требуемого в данном цикле ускорения, блок 8 аналогового запоминания сигнала интенсивности ускоряемого пучка, измеритель 9 сигнала интенсивности ускоряемого пучка, таймерное устройство 10 управления длительностью фаз двухступенчатого регулирования, программно-управляемый по шинам 11 блок 12 электронной задержки запускающего сигнала, поступающего по шине 13 от таймерной системы ускорителя(не показана), триггер 14 управления, блок -15 аналого-цифрового преобразования (АЦП)сигнала интенсивности с инфор- 55 мационными выходами 16, блок 17 фиксированной электронной задержки, триггерный- датчик 18 сигнала критического размера пучка, управляющую шину 19 сигнала обратной связи от цифрового процессора(не показан), обеспечивающего корректировку регулировочной характеристики устройства.

Для графиков на фиг. 2, 3 и 4 приняты следующие обозначения: 20— высокочастотный сигнал возмущающего электромагнитного поля на орбите пучка при первой ступени регулирования(сигнал показан только для одного цикла ускорения), 21 - высокочастотный сигнал возмущающего электромагнит ного поля(сигнал показан только для одного цикла ускорения), 22-сигнал интенсивности пучка до начала наступления его разрушения (сигнал показан только для одного цикла ускорения), 23-тот же сигнал интенсивности пучка в период начального разрушения на первой ступени регули- рования, 24-тот же сигнал интенсив- . ности пучка в период его резонансного разрушения на второй ступени регулирования, 25 и 26-напряжения на времязадающем конденсаторе функционального преобразователя Ь соответственно на первой и второй ступенях регулирования интенсивности пучка для одного цикла ускорения, 27-уровень напряжения на времязадающем конденсаторе, соответствующий моменту фиксации окончания второй ступени регулирования(уровень

> ,показан только для опорного: цикла . ускорения).

Регулирование интенсивности пучка по данному способу осуществляется следующим образом.

При достижении ускоряемыми частицами заданного значения энергии

Е>2,7.E„„ гдеE„„ — энергия инжекции, в установленный момент времени по задержанному (блоком 12) запускающему сигналу взводят триггер 14. управления, посредством которого фиксируют в блоке 8 аналоговой памяти усреднен. ное за несколько последних оборотов пучка амплитудное значение сигнала интенсивности 3 э„„. С поступлением сигнала интенсивности на вход блока

5 запускают таймерное устройство 10 регулятора; а с помощью блока АЦП

15 производят преобразование сигнала интенсивности в соответствующий двоичиый код и его передачу в цифровой процессор(не показан).

В то же время гармоническим ,воздействием на пучок с наперед про1072784 калиброванной амплитудой Н произр1 водят начальное понижение интенсивности пучка пропорционально кратности ее относительного превышения от требуемого значения 0 (.1 -,1 1Д 5

-1< а» тР тР

При этом временной интервал резонансной раскачки в течение М 1 оборотов

0 пучка с момента начала его разрушения до момента окончания первой ступени регулирования выдерживают 10 одинаковым для одних и тех же значений кратности 1 ; . Тем самым по предлагаемому способу обеспечивают точную обработку начального рассогласования независимо от величины, регу- 1 лируемой интенсивности пучка 3 а» и соответственно независимо от вариаций его вертикального размера от цикла к циклу регулирования и наличия помех. 20

Вместе с этим амплитуду начального гармонического воздействия fl

= F(q;) (в частном случае 11 = Н,) подбирают так, чтобы по отношению к минимально допустимой для данного ускорителя относительно среднеквадратичной ошибке регулирования 3 мин выполнялось следующее условие:

О Г1 (1-К), 3„,„„, Ммин

; где М 11 — соответствующая каждому зиачеййю q, минимально допустимая продолжительность интерВала резо- 35 нансной раскачки в оборотах пучка с момента начала его разрушения; (1- К;) — глубина начального по1 нижения интенсивности пучка, величи ну которой в условиях обеспечения надлежащей точности, например при 2,2-кратном диапазоне регулирования интенсивности пучка на второй ступени регулирования, для первой ступени регулирования задают пропорционально следующему ряду значений 1 ;: при кратности О, 1 с g(1) g I начальное понижение интенсивности пучка прои водят íà lOX,(Ê, =0,9), при кратности leg(2) с 2 - Hà 20Х (4<=0,8), а при кратности 2 (3)c3 на 407..

Таким образом, при срабатывании в блоке 5 соответствующего дифферен циального дискриминатора амплитуд, у которого(задаваемые с помощью опорного напряжения от задатчика 7) нижний порог срабатывания оказался ниже, а верхний порог — выше уровня сигнала интенсивности O на первый

$d» управляющий вход модулятора 3 от блока 5 поступает наперед прокалиброванный уровень напряжения, отвечающий установленной кратности превышения 1 ; ° Далее по этому уровню задающего напряжения производят соответствующую амплитудную модуляцию синусоидальных колебаний, вырабатываемых, генератором 4 с частотой 1 = 1 (ц1 -Я, где (0 — частота обращенйя равновесной частицы; б — ближайшее к Ц целое число „ (Ч - 5) = д ц1 . При этом перед началом каждого цикла регулирования с помощью цифрового сигнала в виде дополнительного двоичного кода с выходов lб блока АЦН 15 по управляющему входу генератора 4 производят автоматическую подстройку девиации (отклонения)его частоты от цикла к циклу регулирования к девиации частоты вертикальных бетатронных колебаний ускоряемых частиц от цикла к циклу ускорения пропорционально

1-1 1 разности (3 „ -> d„) на величину ч ч 1-1 макс макс "ъа» ">ldKc " а» р Р = Ь макс "макс где 1 акс — величина максимально С1 Х возможной для данного ускорителя интенсивности пучка; hg — максимакс мально допустимое для данного ускорителя отклонение дробной части ДЯ„ числа вертикальных бетатронных колебаний от ее минимального значения в момент начала резонансной раскачки пучка.

В результате запитки ВЧ магнита

1 таким усиленным радиоимпульсом происходит увеличение занимаемой ускоряемым пучком области по вертикали, при котором момент наступления начала процесса выпадания ускоряемых частиц с точностью, определяемой "транспортным запаздыванием этого процесса в течение (1/д(1) оборотов пучка, фиксируют с

Я помощью датчика 18 критического размера пучка, выполняемого, например, на основе радиационного или акустического преобразователя. Соответственно этому три герный сигнал от датчика 18 поступает в таймерное устройство 10, которое после этого начинает отсчитывать соответствующую установленному значению кратности

0 длительность интервала начального

1 1

10727

1 Тзд» тр

К Т ыл .

I („-T Avcth

2 2 А1

7 разрушения пучка Ф . По истечении н ,М, оборотов пучка с момента начала

И его разрушения сигналом от таймерного устройства 1О,привязанным к определенной фазе синусоидального напряжения генератора 4, выключают работу блока 5 и выдерживают предусмотренную паузу длительностью, кратной периоду гармонического воздействия

Т =1 Др . Затем с ослабленной до наперед установленного уровня амплитудой гармонического воздействия на пучок Н < =F(g;)по управляющему сиг налу от блока 6 возобновляют дальнейшее резонансное увеличение амплитуд вертикальных бетатронных колебаний. При этом в качестве меры компен сирующего возмущения используют продолжительность действия резонансной раскачки пропорционально значению Дгс -тангенса от нормализованной величины достигнутого относительного отклонения интенсивнос. ти пучка. Вместе с этим момент начала двухступенчатого возбуждения бетатронных колебаний Тя с помощью блока 12 электронной задержки подбирают таким, чтобы в рамках, необходимых для устойчивого регулирования ограничений(уход от резонансного значения частоты бетатронных колебаний с ростом ведущего поля, действие адиабатического затухания их амплитуд и т.д.), обеспечивалось наилучшее приближение процесса монотонного выпадания ускоряемых частиц к используемой регулировочной характеристике,т.е. чтобы при используемом в этом случае оптимальном значении масштабного коэффициента нормализации m =1/ и обеспечивалась минимизация среднеквадратичной ошибки регулирования за счет экстремального сдвига характеристики резонансного разгона R = F(T»PA) амплитуд бетатронных колебаний.

84 8 бетатронных колебаний Q с ростом энергии электронов достигает максимального значения.

Таким образом, подбирая в указантт ных условиях амплитуду гармонического воздействия Н р =Г(т(;) так, чтобы требуемое л 2,2-кратнре уменьшение интенсивности пучка на второй ступени регулирования осуществлялось в течение М 180 оборотов пучка, плавную регулировку интенсивности пучка с достаточной статистической точностью -(Щ /М „)производят в течение интервала времени в частности, на основе соотношения

20 я„Ь- А Еп"

2 1-х и соответственно на основе соотноше; ний зал тр Р2 Р

К1 -З т г Ь„К 3 „2

k; in;-т) 3;„+ g ð "1п1 ты„-t("" > "Л ах тр) С момента начала второй ступени регулирования в функциональном блоке

6 начинают разряжать времязадающий конденсатор, который в период первой ступени регулирования (см. графики 25, 26 на фиг. 4) заряжен до напряжения 25; ц, =((.; д, .„-о,ф,м,з,.„,Д

При достижении экспоненциально спадающего напряжения 26 до порогового зна"ÍÈß 27:, =-05((ь„-1)К;Э, „3,1 в соответствии с соотношением

0 5 0 (1 тах 0 5 от ) ехР E ð 1 " у

Приводимая ниже сводка(см. таблицу) результатов расчета зависимости

Ц F(Tq, hA) для двух значений

М,=180 и Alp =420 оборотов пучка х300 мс — случай прототипа)иллюстри.рует.возможность на примере данного способа в электронном синхротроне на энергию 6 ГэВ и соответствует йэменению момента начала резонансной раскачки с Тн, — момента достижения

55 энергией ускоряемых электронов значения E =2, 7 Е „л, доТн,2 — момента, <огда скорость изменения частоты где,„ — наперед подобранная постоянная -времени разряда времязадающегО конденсатора, по предлагаемому способу прекращают возмущать орбиту циркулирующего пучка и сбросом триггера управления 14 по сигналу от блока 6 фиксируют окончание процесса регулирования в данном цикле ускорения.

Вместе с этим по окончании каждого цикла регулирования задержанным сигналом от блока 17 передают в

2784 10 менно достигается также за счет подстройки к началу каждого цикла регулирования частоты задающего воздействия к его резонансному значению и соответственно за счет постепенного в этом случае увеличения его расстройки(по мере уменьшения избытка ускоряемых частиц) с предотвращением. таким образом возможности неконтролируемого разрушения всего ускоряемого пучка в условиях наличия большого уровня возмущающих воздействий помех) .

Длительность раскачки И (в оборотах пучка) Значения показателя степени P характеристики разгона для различных моментов начала раскачки пучка

Т +40мкс н1

И,- 180

И 420

l,154 1,117 1,1!1

1, 164

1,177

1,298 1,236 1,227

1,335 1,315

9 107 цифровой процессор значение отрегулированной интенсивности пучка, на основе совокупности сопоставительных

:оценок которых судят по среднеквадратичному критерию о качестве осущест" вляемого регулирования за ваданное число циклов ускорения и при изменении настройки ускорителя сигналом обратной связи от цифрового процессо. ра по шине 19 корректируют в блоке t0

6 соответствующее значение масштабного коэффициента нормализации Е

Преимущества данного спрсоба регулирования интенсивности пучка состоят прежде всего в том, что здесь 5 отсутствуют характерные для извест".. ных способов с замкнутым циклом регулирования трудности, связанные с запаздыванием сигнала обратной связи и ошибками, получаемыми в условиях возмущенной орбиты количественной информации по пучку.

Данный способ регулирования отличается от прототипа и его известных аналогов также тем, что в этом случае25 по мере уменьшения отклонения интенсивности ускоряемого пучка от требуе-, мого значения (первая ступень) дальнейшее принудительное разрушение избытка ускоряемых частиц производят уже со значительно ослабленной силой управляющего гармонического воздейст вия на.пучок, что обеспечивает повышение степени астатизма регулирования и дает воэможность компенсации динамических погрешностей переходных 35 процессов и увеличивает точность отработки исходного рассогласования.

При этом повышение степени устойчивости процесса резонансного регулирования интенсивного пучка одновре-, 40

В целом существенное повышение точности и эксплуатационной надеж-. ности способа обеспечивается тем, что при двухступенчатом возбуждении бетатронных колебаний отпадает имеющая место в прототипе-см. уравнение(1) -неконтролируемая зависимость динамических коэффициентов регулятора г,,и г, Pот амплитуды управляющего гармонического воздейст вия 11, а сама выработка управляющего воздействия при предлагаемом способе производится уже по нормализованному задающему воздействию.

Вместе с этим использование в предлагаемом способе продолжительности действия резонансного возмущения пучка как меры регулирования его разру шением на требуемую глубину позволяет в предусматриваемых условиях сохранения стационарности процесса резонансной раскачки вынужденных колебаний повысить воспроизводимость результатов регулирования при вариациях от цикла к циклу распределения частиц в ускоряемом пучке по амплитудам бетатронных колебаний.

Т +80мкс ТН Tä +40мкс н н

1072784

1072784

Корректор М.Максимишинец

Редактор О.Юркова Техред А.Ач

Заказ 9234/3 Тираж 782 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4