СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТ ПОПЕРЕЧНЫХ НЕКОГЕРЕНТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, УСКОРЯЕМЫХ В СИНХРОЦИКЛОТРОНЕ Российский патент 2019 года по МПК H05H13/00 

Способ относится к ускорительной технике, предназначен для наладки и диагностики работы ускорителей заряженных частиц типа синхроциклотрон и непосредственно служит для диагностики и получения информации о параметрах его ускоряемого пучка и, в частности, спектров частот колебаний заряженных частиц, например, протонов для выяснения причин нестабильного ускорения пучка, а также для расчета и оптимизации параметров систем регенеративного вывода и временной растяжки пучка.

В качестве аналога рассмотрен способ, описанный в работе (В.И. Дианов, В.М. Мохов, А.Г. Невский и др. «Ускорительный комплекс ИФВЭ. Диагностика пучка и настройка режимов работы». ИФВЭ 91-63, ОКУ, Протвино, 1991, Глава 5, с. 48-51) [1]. Способ заключается в измерении частот поперечных некогерентных (синоним бетатронных) колебаний протонов путем измерения амплитуд когерентных колебаний протонов после их принудительного возбуждения. Реализация способа-аналога происходит следующим образом. При помощи магнитного толкателя и однократного импульсного воздействия на пучок в нем принудительно возбуждаются поперечные (вертикальные или радиальные) когерентные колебания протонов. При этом форма импульса сигнала с датчика регистрируется с помощью запоминающего осциллографа. Импульс этого сигнала постепенно уменьшается по амплитуде, так как возбужденные когерентные колебания постепенно «раскогеренчиваются» (термин, использованный авторами аналога) из-за различия частот колебаний отдельных частиц в пучке. По темпу уменьшения сигнала на осциллографе определяется диапазон частот требуемых некогерентных колебаний протонов в пучке.

Недостатками способа-аналога являются недостаточная чувствительность и точность способа, так как способ-аналог является не прямым, а косвенным способом измерения. Действительно, в способе-аналоге первоначально принудительно возбуждаются когерентные колебания, а затем по измерению амплитуд когерентных колебаний вычисляется требуемая частота некогерентных колебаний. Процесс измерения частот также является не прямым, а косвенным с привлечением математической обработки сигнала и вычислений. Поэтому точность способа-аналога невысокая, при этом измеряется не спектр всех частот в пучке, а только их среднее значение.

В качестве прототипа рассмотрен способ (В.В. Кольга, Л.М. Онищенко. «Способ измерения частот поперечных некогерентных колебаний сгустка заряженных частиц», Авторское свидетельство №422129, 30.03.74, Бюллетень №12.) [2].

Способ-прототип заключается в измерении частоты поперечных некогерентных колебаний сгустка заряженных частиц путем измерения частоты модуляции энергии сгустка продольным высокочастотным электрическим полем и регистрации резонансного увеличения амплитуд частиц в сгустке.

Реализация способа-прототипа происходит следующим образом. При помощи электрода, создающего продольное электрическое высокочастотное поле, производится принудительная модуляция энергии протонов с частотой равной удвоенной частоте поперечных (вертикальных или радиальных) колебаний сгустка. Так как между продольным и поперечным движением протонов в магнитном поле ускорителя существует связь, то при удвоенной частоте продольных колебаний происходит возбуждение поперечных колебаний и увеличение их амплитуд - возникает параметрический резонанс. Количество протонов, подвергшихся резонансному воздействию, регистрируют по уменьшению интенсивности выводимого из ускорителя пучка протонов. В результате измерений получают среднее значение частоты в спектре некогерентных колебаний частиц в сгустке.

Недостатком способа-прототипа является его низкая частотная избирательность, так как способ-прототип является не прямым, а косвенным способом измерения. Действительно, в способе-прототипе первоначально принудительно возбуждаются продольные колебания, которые и приводят к возникновению поперечных некогерентных колебаний. Поэтому точность способа-прототипа невысокая и обусловлена тем, что измеряется не спектр всех частот в пучке, а только их среднее значение.

Техническим эффектом изобретения является повышение точности способа.

Задачей данного изобретения является повышение частотной избирательности, обеспечение измерения спектра всех частот в пучке

Технический эффект достигается тем, что в способе измерения частот поперечных некогерентных колебаний заряженных частиц, ускоряемых в синхроциклотроне, путем возбуждения вынужденных резонансных колебаний заряженных частиц внешним высокочастотным электрическим полем, новым является то, что возбуждение вынужденных резонансных колебаний производится поперечными локальными высокочастотными электрическими полями, создаваемыми двумя электродами, перемещающимися по радиусу синхроциклотрона, причем измерение частот поперечных некогерентных колебаний производится в режиме циркуляции частиц путем последовательной установки и фиксации частот электрических полей и измерения количества тех частиц, у которых резонансное увеличение амплитуд колебаний и попадание их на электроды совпадают с частотой этих полей, а интервал между очередными измерениями частот спектра равен периоду ускорительного цикла синхроциклотрона.

Пояснения к способу приведены на фиг. 1а, б, где изображены:

1 - дуант синхроциклотрона;

2 - жгут (бублик) циркулирующих протонов на радиусе R₀;

3 - площадь поперечного сечения циркулирующих протонов;

4 - вертикальный модулирующий электрод электрического поля с частотой ƒ_z;

5 - высокочастотный генератор модуляции частоты ƒ_z, подключенный к электроду 4 для создания поля (генератор вертикальной раскачки протонов);

6 - измеритель количества протонов n_z, попадающих на электрод 4;

7 - горизонтальный модулирующий электрод электрического поля с частотой ƒ_x;

8 - высокочастотный генератор модуляции частоты ƒ_x, подключенный к электроду 7 для создания поля (генератор горизонтальной раскачки протонов);

9 - измеритель количества протонов n_х, попадающих на электрод 7.

На фиг. 1а, б введены обозначения:

- вектор горизонтального (радиального) высокочастотного электрического поля;

- вектор вертикального высокочастотного электрического поля;

ƒ_x - частота модуляции электрического поля генератором 8;

ƒ_z - частота модуляции электрического поля генератором 5;

n_х - количество протонов, попадающих на электрод 7;

n_z - количество протонов, попадающих на электрод 4;

n_x(ƒ_x) - спектр частот горизонтальных (радиальных) поперечных некогерентных колебаний протонов;

n_z(ƒz) - спектр частот вертикальных поперечных некогерентных колебаний протонов;

Поясним предлагаемый способ подробно. Известно (А.А. Коломенский. «Физические основы методов ускорения заряженных частиц», МГУ, 1980.) [3], что в циклических ускорителях типа синхроциклотрон ускоряемые заряженные частицы, например, протоны сгруппированы в сгусток (банч), который вращается по спирали под действием ускоряющего поля дуанта с переменной частотой обращения, равной частоте дуанта ƒ₀(t). Ускорение протонов происходит до радиуса вывода пучка R_max и энергии вывода Е_max=E(R_max).

Протоны в процессе ускорения, находясь в потенциальной яме фокусирующих сил магнитного поля, совершают поперечные некогерентные колебания в вертикальном (z-колебания) и радиальном (x-колебания) направлениях относительно равновесной орбиты их ускорения с радиусом R₀. Все протоны в сгустке имеют одинаковую энергию Е₀=E(R₀). (Продольными (азимутальными) синхротронными колебаниями в сгустке пренебрегаем из-за их очень малого влияния на рассматриваемые колебания). Максимально возможные амплитуды колебаний протонов в сгустке определяют его поперечные размеры. Обобщенными характеристиками колебаний протонов в ускоряемом сгустке являются спектры амплитуд и спектры частот: n_x(ƒ_x), n_z(ƒ_z) - т.е. распределения плотности протонов в сгустке по осям x и z в зависимости от частот их колебаний. Экспериментальный набор таких спектров для всех радиусов R₀ и энергий E(R₀) является обобщенной характеристикой параметров пучка и предназначен для диагностики его стабильного ускорения или выявления паразитных нарушений его движения.

В реальных синхроциклотронах поперечные размеры сгустка имеют большие размеры, так, например, для синхроциклотрона 1000 МэВ ПИЯФ НИЦ КИ его размеры 300 мм × 80 мм (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина. 2012 г.) [4]. При колебаниях протоны захватывают области с разными величинами показателя спада магнитного поля, поэтому частотные и амплитудные характеристики их движения связаны между собой и для выявления особенностей поведения пучка необходимо измерение частот колебаний с высокой точностью, то есть измерение спектра частот поперечных колебаний.

Предлагаемый авторами способ измерения спектра частот поперечных некогерентных колебаний протонов в ускоряемом сгустке основан на особом режиме работы синхроциклотрона и на особенностях внешнего резонансного воздействия на протоны. Объясним эти особенности подробно.

- Энергия выведенного пучка протонов E_max(R_max) для любого из синхроциклотронов фиксирована. Однако ускорение сгустка протонов может быть приостановлено при любой энергии Е₀<Е_max на соответствующем радиусе R₀, фиг. 1а, путем «мгновенного» отключения ускоряющего ВЧ напряжения с дуанта 1 известным способом [4]. В этом случае протоны теряют фазовую устойчивость и «разбегаются» по азимуту, превращаясь в кольцевой жгут (бублик) 2, 3 - поперечное сечение жгута. Это режим циркуляции протонов в синхроциклотроне. Важно, что при этом энергия и все параметры пучка (его поперечные размеры и спектры поперечных колебаний протонов, как амплитудные, так и частотные спектры) полностью сохраняются в идеальном вакууме, так как время жизни пучка определяется рассеянием протонов на молекулах остаточного газа, а в реальном вакууме ~ 10^-6 тор в камере синхроциклотрона сохраняются неизменными в течение нескольких минут [3] (стр. 286). Практически это означает, что измерение частот поперечных некогерентных колебаний заряженных частиц в ускоряемом сгустке синхроциклотрона можно проводить в режиме его циркуляции.

- Второй особенностью является узкая полоса частот резонансного воздействия на протоны в жгуте внешними электрическими полями. Так, например, при воздействии на протоны внешним электрическим полем с частотой F (простой резонанс) рост амплитуд колебаний протонов будет происходить только в узкой полосе частот ΔF, величина которой очень мала. Наши расчеты, проведенные для синхроциклотрона СЦ-1000, показывают, что ΔF/F≈2.3⋅10^-3. Аналогичный расчет для синхроциклотрона ОИЯИ приведен в работе (Л.М. Онищенко. «Возможные способы увеличения длительности пучка в синхроциклотроне», Препринт ОИЯИ, Дубна, 1974, стр. 10. [5]), где ширина полосы резонансного возбуждения протонов оценивается величиной ΔF/F<1.2 10^-4. Практически это означает, что рост амплитуд колебаний будет происходить только для тех протонов, частота некогерентных колебаний которых, с большой точностью будет равна частоте F внешнего электрического поля.

Сущность предлагаемого способа измерения частот поперечных некогерентных колебаний в сгустке заряженных частиц, ускоряемых в синхроциклотроне, заключается в прямом, непосредственном силовом резонансном воздействии на пучок внешними высокочастотными электрическими полями в вертикальном и горизонтальном направлениях в режиме его циркуляции. Частоты электрических полей вручную или автоматически перестраиваются в предполагаемом диапазоне частот вертикальных или радиальных колебаний протонов. При этом протоны, частота которых совпадает с частотой электрического поля, подвергаются резонансному воздействию. Их амплитуды колебаний возрастают, протоны выбывают из пучка и попадают на вертикальный или горизонтальный электроды, одновременно используемые и как датчики-измерители их количества n_х, n_z. Происходит измерение вертикальных и горизонтальных частот поперечных некогерентных колебаний протонов в сгустке с большой точностью, то есть измерение частотного спектра колебаний в пучке.

На фиг. 1а, б изображена принципиальная схема реализации способа. Поясним на примере измерения спектра частот вертикальных колебаний протонов n_z(ƒ_z) при энергии Е₀. Вертикальный модулирующий электрод 4 в виде квадратной или круглой пластины устанавливается на радиусе R₀. Процесс ускорения сгустка приостанавливается на радиусе R₀ и переводится в режим циркуляции. На электрод 4 подается высокочастотное напряжение от генератора 5, фиг. 1б, в котором вручную или автоматически последовательно устанавливаются частоты ƒ_z, лежащие в предполагаемом диапазоне частотного спектра. Протоны, выбывающие из пучка при резонансном воздействии на них электрического поля попадают на электрод 4, который одновременно является датчиком-измерителем. Число выбывающих протонов n_z фиксируется измерителем 6, то есть измеряется спектр частот вертикальных поперечных некогерентных колебаний протонов n_z(ƒ_z) с большой точностью.

Важно отметить, что размер электрода 4 и неоднородность поля не имеют принципиального значения, так как только вертикальная составляющая электрического поля приводит к резонансному воздействию и так как все протоны из-за их орбитально-радиального движения с частотой обращения ƒ₀ и ƒ_x, ƒ_z проходят через зону воздействия электродом 4. В качестве антиэлектрода используется заземленная плакировка камеры ускорителя.

Как было отмечено выше, способ обладает высокой точностью и селективностью, резонансно воздействуя только на те протоны, частота вертикальных колебаний которых совпадает с частотой генератора с очень высокой точностью Δƒ_z/ƒ_z ≈ 10^-4 [5].

Важно отметить, что все остающиеся в пучке протоны также подвергаются поперечному воздействию электрического поля и их амплитудно-частотный спектр нарушается, но амплитуды их колебаний не достигают электрода 4. Поэтому очередной замер частоты ƒ_z должен производиться в последующем ускорительном цикле через интервал времени, равный или больше периода ускорительного цикла Т (для синхроциклотрона 1000 МэВ ПИЯФ НИЦ КИ Т≈2⋅10^-2 с [4]).

Для измерения спектра колебаний протонов при другой энергии электрод 4 передвигается на другой радиус.

Полностью аналогичным образом происходит измерение и радиального спектра частот n_x(ƒ_x) с использованием электрода 7 и блоков 8, 9.

На фиг. 1a показана схема расположения электродов 4 и 7 в камере синхроциклотрона. Заметим, что конструктивно электроды 4, 7 могут быть размещены на одной штанге, передвигающейся по радиусу R₀, а индикация координаты R₀ производится по измерению частоты дуанта ƒ₀(R₀) в момент прекращения ускорения пучка и перехода его в режим циркуляции протонов известным способом [4].

Способ прошел опытную проверку на синхроциклотроне 1000 МэВ ПИЯФ НИЦ. В качестве примера приведем результаты измерения спектра частот вертикальных некогерентных колебаний протонов в пучке, измеренных при энергии пучка Е₀ ≈ 1000 МэВ на радиусе циркуляции R₀=296.2 см, при частоте циркуляции f₀=13.94 мГц. Шаг установки частоты вертикального электрического поля 20 кГц в диапазоне 4-5 мГц, точность ~ 10^-3. В качестве высокочастотных электродов 4, 7 использовались пластины С-электродов для системы растяжки протонного пучка [4]. Величина амплитуды высокочастотного напряжения на электродах ~ 500÷1000 В.

Измеренный спектр частот вертикальных некогерентных колебаний протонов в пучке имеет вид «Гаусовского спектра» с максимумом на частоте 4.25 мГц и шириной на полувысоте 192 кГц. Таким образом, разброс частот колебаний протонов в пучке, оцененный по полуширине, составляет 4.52%, и приблизительно в 1.5 раза больше по основанию. Измерение количества протонов n_z(ƒ_z), подвергшихся резонансному воздействию электрического поля и достигших вертикально расположенной на расстоянии ~ 4 см от медианной плоскости свинцовой мишени, производилось по амплитуде сигнала ФЭУ гамма-излучения с мишени. Точность измерения полученных параметров спектра ~ 10^-2 лимитировалась не принципом и точностью предложенного способа измерения частоты ~ 10^-3÷10^-4, а точностью измерения количества протонов при помощи ФЭУ, а также нестабильностью суммарного количества протонов в пучке от цикла к циклу его ускорения, то есть нестабильностью интенсивности при работе синхроциклотрона.

Таким образом, апробация предложенного способа подтверждает положительное отличие его от прототипа и всех известных аналогов.

Источники информации

1. Аналог.

В.И. Дианов, В.М. Мохов, А.Г. Невский и др. «Ускорительный комплекс ИФВЭ. Диагностика пучка и настройка режимов работы». ИФВЭ 91-63, ОКУ, Протвино, 1991, Глава 5, с. 48-51.

2. Прототип.

В.В. Кольга, Л.М. Онищенко. «Способ измерения частот поперечных некогерентных колебаний сгустка заряженных частиц», Авторское свидетельство №422129, 30.03.74, Бюллетень №12.

3. А.А. Коломенский. «Физические основы методов ускорения заряженных частиц», МГУ, 1980.

4. Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина. 2012 г.

5. Л.М. Онищенко. «Возможные способы увеличения длительности пучка в синхроциклотроне», Препринт ОИЯИ, Дубна, 1974, стр. 10.

Изобретение относится к способу измерения частот поперечных некогерентных колебаний заряженных частиц, ускоряемых в синхроциклотроне и предназначен для измерения частот поперечных некогерентных колебаний заряженных частиц для которых частотные и амплитудные параметры их колебаний связаны между собой. Способ основан на резонансном воздействии на пучок в режиме его циркуляции внешними электрическими полями в вертикальном и горизонтальном направлениях. Измерение частот поперечных некогерентных колебаний производится в режиме циркуляции частиц путем последовательной установки и фиксации частот электрических полей и измерения количества тех частиц, у которых резонансное увеличение амплитуд колебаний и попадание их на электроды совпадают с частотой этих полей, а интервал между очередными измерениями частот спектра равен периоду ускорительного цикла синхроциклотрона. Техническим результатом является возможность, экспериментального измерения спектра частот поперечных колебаний протонов в пучке при обеспечении точности измерений порядка10^-3. 1 ил.

Способ измерения частот поперечных некогерентных колебаний заряженных частиц, ускоряемых в синхроциклотроне, путем возбуждения вынужденных резонансных колебаний заряженных частиц внешним высокочастотным электрическим полем, отличающийся тем, что возбуждение вынужденных резонансных колебаний производится поперечными локальными высокочастотными электрическими полями, создаваемыми двумя электродами, перемещающимися по радиусу синхроциклотрона, причем измерение частот поперечных некогерентных колебаний производится в режиме циркуляции частиц путем последовательной установки и фиксации частот электрических полей и измерения количества тех частиц, у которых резонансное увеличение амплитуд колебаний и попадание их на электроды совпадают с частотой этих полей, а интервал между очередными измерениями частот спектра равен периоду ускорительного цикла синхроциклотрона.