Способ регулирования интенсивности пучка в циклическом ускорителе заряженных частиц Советский патент 1984 года по МПК H05H13/04 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке устройств для проведения физических эксперимен тов с высокой точностью регулировки .интенсивности ускорения пучка. Известен способ регулирования интенсивности пучка в циклическом ускорителе заряженных частиц, основанный на сбросе излишка инжектируе мого пучка кольцевой камере синхротрона в период квазибетатронного ускорения пучка ij . 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 параллельнь1м медианной плоскости ускорителя переменным магнитным полем с постоянными в течение этого промежутка времени амплитудой и частотой, кратной частоте вертикаль ных бетатронных колебаний частиц 2J Согласно известному- способу на ускоряемый пучок в одном из прямоли нейных промежутков синхротрона воздействуют перемещенным во времени магнитным полем HI вырабатываемым по следующему закону регулирования: н г;№;„г р1, - с где(3зо1х ЗТР ) - измеренное в текущем i -м цикле ускорения отклонение величины инт.ен сивности пучка от требуемрго ее значения 0,р ; ot - коэффициент усиления преобразовател .сигнала отклонения интенсивности в задающее напряжение;Р - параметр, учитываю щий зону -нечувстви тельности регулировочной характеристики ; г; - 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 г, о(. и i Р используемого закона регулирования l), 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 спосо-бу регулирования интенсивности пучка . в циклическом ускорителе заряженных . частиц Ъ 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 в течение этого- промежутка времени амплитудой и частотой, кратной частоте вертикальных бетатронньп: 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 : меньшения 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 этохО интервала уменьшают амплитуду переменного магнитного поля по сравнению с амплитудой на первом промежутке, после чего дополнительно воздействуют на пучок полем 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 девиацию частоты переменного магнитного поля в этом же цикле ускорения На фиг. 1 представлена блок-схема 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 кольцевог магнита, оконечный каскад усилителя 2 тока, модулятор 3 с независимыми управляющими-входами, задающий генератор 4 высокочастотных синусоидальных колебаний с регулируемой частотой, многоканальный блок 5 компараторных различителей(дифферен циальных дискриминаторов) амплитуды сигнала интенсивности, функциональный преобразователь 6 сигнала интен сивности в пронормированный по амплитуде импульсный сигнал длитель 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 запом нания сигнала интенсивности ускоряе мого 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 таймерно системы ускорителя(не показана), триггер 14 управления, блок-15 аналого-цифрового преобразования: (АЦП)сигнала интенсивности с информационньши 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 электромагнитного 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 регулирования, 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 6 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 ,7.Ei, гдеЕцн.ц- энергия инжекци в установленный момент времени по задержанному(блоком 12) запускающему сигналу взводят триггер 14. управления, посредством которого фиксируют в блоке В аналоговой памяти усредненное за несколько последних оборотов пучка амплитудное ,значение сигнала интенсивности 3 зд . 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 двоичный кбд и его передачу в цифровой процессор(не показан). В то же время гармоническим воздействием на пучок с наперед прокалиброванной амплитудой HJ,; произ водят начальное понижение интенсивности пучка пропорционально кратнос ти ее относительного превышения от требуемого значения cjj«(3 j-3Tp a p При этом временной интервал резонан ной раскачки в течение Mj. оборотов пучка с момента начала его разрушения до момента окончания первой ступени рег улирования вьвдерживают одинаковым для одних и тех же значе ний кратности dj . Тем самым по предлагаемому способу обеспечивают точную обработку начального рассогл сования независимо от величины, регу лируемой интенсивности пучка и соответственно независимо от вариаций его вертикального размера от цикла к циклу регулирования и Наличия помех. Вместе с этим амплитуду начадьно го гармонического воздействия Нр, Ц;1 ( частном случае , Н р, подбирают так, чтобы по отношению к минимально допустимой для данного ускорителя относительно среднеквадратичной ошибке-регулирования о ми выполнялось следующее условие: ;ГдеМ. - соответствуЪщая каждому аиачению а минимально допустимая продолжительность интервала резонансной раскачки в оборотах пучка с момента начала его разрушения; (l-K) - глубина начального-поп нижения интенсивности пучка, величину которой в условиях обеспечения надлежащей точности, например при л/2,2-кратном диапазоне регулирования интенсивности пучка на второй ступени регулирования, для первой ступени регулирования задают пропорционально следующему ряду значений 0 : при кратности 0,1 «(Cl) начальное понижение интенсивности пучка производят на А, 10%,(К, 0,9) , при кратности (2)2 - наv20%, (,8), а при кратности (3):$3 . Таким образом, при срабатывании в блоке 5 соответствующего дифференциального дискриминатора амплитуд, у которого (задаваемые с помош;ью опорного напряжения от задатчика 7) нижний порог срабатывания оказался ниже, а верхний порог - вьш1е уровня сигнала интенсивности 3 на первый управляющий вход модулятора 3 от блока 5 поступает наперед прокалиброванный уровень напряжения, отвечающий установленной кратности превышения с . Далее по этому уровню задающего напряжения производят соответствующую амплитудную модуляцию синусоидальных колебаний, вырабатываемых. генератором 4 с частотой ±p-io( , где io - частота обращения равновесной частицы; $ 7 ближайшее KQj целое число; () uQl2 При этом перед началом каждого цикла регулирования с помощью цифрового сигнала в виде дополнительного двоичного кода с выходов 16 блока АЦП 15 по управляющему входу генератора 4 производят автоматическую подстройку девиации отклоненияjего частоты от цикла к циклу регулирования к девиации частоты вертикальных бетатронных колебаний ускоряемых частиц от цикла к циклу ускорения пропорционально разности (Di oxэах) на величину -,м MctKcJ-iax л f-i MOKcN MOKC JMOKC „ -f макс величина максимально MX возможной для данного ускорителя интенсивности пучка; - максимально допустимое для данного ускорителя отклонение дробной части лО 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 выпада-, ния ускоряемых частиц с точностью, определяемой транспортным запазды ванием этого процесса в течение (l/AQ) оборотов пучка, фиксируют с помощью датчика 18 критического размера пучка, вьшолняемого, например, на основе радиационного или акустического преобразователя. Соответственно этому триЛ ерный сигнал от датчика 18 поступает в таймерное устройство 10, которое после этого начинает отсчитьшать соответствующую установленному значению кратности а длительность интервала начального разрушения пучка А . По истечении ,М. оборотов пучка с момента начала его разрушения сигналом от таймерного устройства 10,привязанным к определенной фазе синусоидального напряжения генератора 4, выключают работу блока 5 и вьщерживают предусмотренную паузу длительностью, кратной периоду гармонического воздействия , Затем с ослабленной до наперед установленного уровня амплитудой гармрнического воздействия на пучок Нр2 F()no управляющему сиг налу от блока 6 возобновляют дальнейшее резонансное увеличение амплитуд вертикальных бетатронных колебаний. При этом в качестве меры крмпен сирующего возмущения используют продолжительность действия резонансной раскачки пропорционально значению 0|гС -тангенса от нормализованной величины достигнутого относительного отклонения Si интенсивнос ти пучка. Вместе с этим момент начала двухступенчатого возбуждения бетатронных колебаний Т, 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 наилучвюе приближение процесса монотонного выпадания ускоряемых частиц к используемой регулировочно характеристике,т.е. чтобы при испол зуемом в этом случае оптимальном значении масштабного коэффициента нормализации m 1/п обеспечивалась минимизация среднеквадратичной ошибки регулирования за счет экстре мального сдвига характеристики резонансного разгона R F(tj,M) амплитуд бетатронных колебаний. Приводимая ниже сводка(см.таблиц результатов расчета зависимости ,) для двух значений М, 180 оборотов пучка мс - случай-прототипа) иллюстри .pyeTjвозможность на примере данного :способа в электронном синхротроне на энергию 6 ГэВ и соответствует изменению момента начала резонансно раскачки с Tj, - момента достижения энергией ускоряемых электронов значения Е 2,7Ej,H ДоТц2 момента, огда скорость изменения частоты- бетатронных колебаний Q с ростом энергии электронов достигает максимального значения. Таким образом, подбирая в указанг ных условиях амплитуду гармонического воздействия Нр2 СЯ1) так, чтобы требуемое «v2,2-кратнре уменьшение интенсивности пучка на второй ступени регулирования осуществлялось в течение оборотов пучка, плавную регулировку интенсивности пучка с достаточной статистической точностью -(ь 2/М22 производят в течение интервала времени . I/.T .-1 ,1 т- л 11. Р . в частности на основе соотношения Arcth en и соответственно на основе соотноше-, т ft ди . Рг р„, )3 aKt:i;p 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; u;{ n;k;3U,-o,5(n;-Ok;:i;,.:i;p|. При достижении экспоненциально спадающего напряжения 26 до порогового значения 27 : о;р -Оф;-1)К;:3;„,о;р в соответствии с соотношением o.5-u;p k;u;,-o,5u;piexpii; it;), где с - наперед подобранная постоянная -времени разряда времязадающегО конденсатора, по предлагаемому способу прекращают возмуш,ать 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 цифровой процессор значение отрегули рованной интенсивности пучка, на основе совокупности сопоставительных оценок которых судят по среднеквадра тичному критерию о качестве осуществляемого регулирования за заданное число циклов ускорения и при изменении настройки ускорителя сигналом обратной связи от цифрового процессо ра по шине 9 корректируют в блоке 6 соответствующее значение масштабнюго козффициента нормализации «i . ; Преимущества данного способа регулирования интенсивности пучка состоят прежде всего в том, что здес отсутствуют характерные для известгг ньк способов с замкнутым циклом регулирования трудности, связанные с запаздыванием сигнала обратной связи и ошибками, получаемыми в условиях возмущенной орбиты количест венной информации по пучку. Данный способ регулирования отличается; от прото.типа и его известных аналогов также тем, что в этом случа по мере уменьшения отклонения интенсивности ускоряемого пучка от требуе мого значения первая ступень)дальней шее принудительное разрушение избытка ускоряемых частиц производят уже со значительно ослабленной силой управляющего гармонического воздейст ВИЯ на.пучок, что обеспечивает повыщение степени астатизма регулирования и дает возможность компенсации динамических погрешностей переходных процессов и увеличивает точность отработки исходного рассогласования. При этом повьш1ение степени устойчивости процесса резонансного регулиосвания интенсивного пучка одновре- . 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 возмояшости неконтролируемого разрушения всего ускоряемого пучка в условиях наличия большого уровня возмущающих воздействий (помех). 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 (l) -неконтролируемая зависимость динамических коэффициентов регулятора г, ot и р, Зот амплитуды управляющего гармонического воздейст. ВИЯ , а сама выработка управляющего воздействия при предлагаемом способе производится уже по нормализованному задающему воздействию. Вместе с этнм использование в предлагаемом способе продолжительности действия резонансного возмущения пучка как меры регулирования его разрушением на требуемую глубину позволяет в предусматриваемых условиях сохранения стационарности процесса резонансной раскачки вьдаужденных колебаний повысить воспроизводимость результ-атов регулирования при вариациях от цикла к циклу распределения частиц в ускоряемом пучке по амплитудам бетатронных колебаний.

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 срав- нению 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:

Значения показателя степени Р характеристики разгона для различных моментов начала раскачки пучка