Способ управления выводом пучка циклотрона и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК H05H7/04 

интегрального компаратора, выход последнего подключен к счетному входу триггера, первый выход которого подключён к входу сложения реверсивного счетчика, второй выход к входу вычитания реверсивного

1101167

счетчика, при этом входы управления реверсивного счетчика соединены с .шинами управления, а выходы разрядов его - с входами цифроаналогового преобразователя, выход которого связян с входом усилителя.

1. Способ управления выводом пучка циклотрона путем воздействия на магнитное поле циклотрона, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьшения интенсивности, уменьшения энергетического разброса и величин поперечного и продольного эмиттансов выведенного пучка, периодически вводят расстройку в магнитное поле циклотрона, регистрируют изменения интенсивности выведенного пучка, корректируют магнитное поле циклотрона до получения максимальной интенсивности выведенного пучка. при этом знак вводимой расстройки магнитного поля определяется изменением интенсивности вьгоеденного пучка циклотрона, вызванным предыдущей расстройкой магнитного поля относительно интенсивности выведенного пучка циклотрона до введения этой расстройки магнитного поля. 2. Устройство для осуществления способа по П.1, содержащее сигнальный электрод, помещенный в ионопроводе циклотрона, и дополнительную обмотку, подключенную к усилителю, отличающе.еря тем, что в него дополнительно введены (П интегратор, два аналоговых ключа, два пиковых детектора, две схемы задержки-, интегральный компаратор, триггер, реверсивный счетчик и с с цифроаналоговый преобразователь, причем вход интегратора подключен к сигнальному электроду, а выход к первым входам аналоговых ключей, вход управления первого аналогового ключа подключен к выходу первой 9д схемы задержки, входу второй схемы задержки и счетному входу реверсивного счетчика, а выход его - к входу первого пикового детектора, вход управления второго аналогового ключа соединен с выходом второй схемы задержки и входом строба интегральHort) компаратора, а выход - с входом второго пикового детектора, вход сброса подключен к входу сброса первого пикового детектора, йходу первой схемы задержки и входу синхронизации, выходы пиковых детекторов соединены с соответствующими входами

1

Способ управлениявьгоодом пучка циклотрона и устройство для его осуществления относятся к области ускорительной техники и могут быть использованы для улучшения характеристик выведенного пучка заряженных частиц циклических ускорителей, работающих как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Для использования выведенного из циклотрона пучка заряженных частиц заданной энергии определяющее значение имеет стабильность его основных параметров: интенсивности, энергетического разброса, величин поперечного и продольного эмиттансо

Известен способ, при котором интенсивность пучка циклотрона может быть достаточно хорошо стабилизирована введением обратной связи по току дуги ионного источника. Недостатком этого способа является то, что с его помощью повьшается только интенсивность внешнего пучка циклотрона.

Известные способы стабилизации режима выпуска, т.е. стабилизации .отдельных параметров выведенного пучка, осуществляется введением контуров обратной связи по ускоряющему напряжению и магнитному полю, Для уменьшения фазовых сдвигов широко используется способ управления магнитным полем циклотрона lj , заключающийся в регулировании магнитного поля циклотрона концентрическими катушками в зависимости от величин сигналов поступающих с датчиков фазы пучка. Устройством для осуществления данного способа является устройство настройки режима работы циклотрона 2j , содержащее дополнительную обмотку, сигнальный электрод, генератор пилообразного напряжения, схему формирователя

-опорного сигнала, схему сравнения и усилитель. Недостаток этого способа заключается в том, что он уменьшает только величину энергетического разброса выведенного пучка циклотрона.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления выводом пучка

циклотрона путем воздействия на магнитное поле циклотрона З, и устройство, реализующее предлагаемьй способ, содержащее сигнальный электрод, помещенньм в ионопроводе циклотрона, и дополнительную обмотку, подключенную к усилителю 4.

Недостатком известного способа при его использовании является то, что улучшается только один параметр выведенного пучка - энергетический разброс.

Целью изобретения является повышение интенсивности, уменьшение энергетического разброса и величин

поперечного и продольного эмиттансов выведенного пучка циклотрона за счет стабилизации эффективности числа оборотов, совершаемых пучком заряженных частиц при их ускорении

в циклотроне.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления выводом пучка, циклотрона путем воздействия на магнитное поле

циклотрона, периодически вводят расстройку в магнитное поле циклотрона, регистрируют изменения интенсивности выведенного пучка, корректируют магнитное поле циклотрона до получения максимальной интенсивности выведенного пучка, при этом знак вводимой расстройки магнитного поля определяется изменением интенсивности вьгоеденного пучка циклотрона, вызванным предыдущей.

3

расстройкой магнитного поля, относительно интенсивности выведенного пучка циклотрона до введения этой расстройки магнитного поля.

В у.стройстве, для осуществления способа, содержащем сигнальный электрод, помещенный в ионопрЬводе циклотрона и дополнительную обмотку, подключенную к усилителю, дополнительно введены интегратор, дв аналоговых ключа, два пиковых детектора, две схемы .задержки, интегральный компаратор, триггер, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, причем вход интегратора подключен к сигнальному электроду, а выход - к первым входам аналоговых ключей, вход управления первого аналогового ключа подключен к выходу первой схемы задержки, входу второй схемы задерки и счетному входу реверсивного счетчика,, а выход его - к входу первого пикового детектора, вход управления второго аналогового ключа соединен с выходом второй схемы задержки и входом строба интегрального компаратора, а выход - с входом второго пикового детектора, вход сброса которого подключен к входу сброса первого пикового дететора, входу первойсхемы задержки и входу синхронизации, выходы пиковых детекторов соединены с соответствздощими входами интегрального компаратора, выход последнего подключен к счетному входу триггера, первьй выход которого подключен к входу сложения реверсивного счетчика, второй выход - к входу вычитания реверсивного счетчика, при этом входы управления реверсивного счетчика соединены с шинами управления, а выходы разрядов его - с входами цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя.

На фиг,1 приведена структурная схема устройства управления выводом Циклотрона; на фиг,2 - зависимость интенсивности выведенного пучка от величины расстройки магнитного поля циклотрона ДН ; на фиг,3 - зависимость интенсивности выведенного пучка от величины ускоряющего напряжения; на фиг,4 типичная серия зависимостей магнитного поля циклотрона при различ

01167

ных значениях ускоряющего напряжения.

Устройство управления выводом пучка циклотрона состоит из циклоЕ трона 1, в ионопроводе которого расположен сигнальный электрод 2, усилителя 3 с выходом, подключенным к дополнительной обмотке 4, интегратора 5, вход которого связан с

10 сигнальным электродом, а выход с входом первого аналогового ключа 6 и с входом второго аналогового ключа 7, первой схемы 8 задержки, выход которой соединен с вхоJ5 дом управления первого аналогового ключа и с входом второй схемы 9 задержки с выходом, связанным с входом управления второго аналогового КЛЮЧИ, первого пикового детек20 тора 10, вход которого подключен к выходу первого аналогового ключа, второго ликового детектора 11 с входом, связанным с выходом второго аналогового ключа, интегрально25 го компаратора 12, первый вход которого подсоединен к выходу первого пикового детектора, а второй вход к выходувторого пикового детектора, а вход строба его - к выходу

,- второй схемы задержки, триггера 13 с счетным входом, подключенным к выходу интегрального компаратора, реверсивного счетчика 14, вход сложения связан с первым выходом триггера, вход вычитания - с вто рым выходом триггера, счетный вход - с выходом первой схемы задержки, цифроаналогового преобразователя 15, входы, которого соединены с выходами разрядов реверсивного счетчика а выход - с входом усилителя, входа 16 синхронизации, подключенного к входу первой схемы задержки и к входам сброса пиковых детекторов, шин управле-

ния 17, связанных с шинами управления реверсивного счетчика.

Способ управления вьшодом пучка циклотрона заключается в управлении магнитным полем циклотрона

50 в зависимости от отклонения интенсивности выведенного пучка от максимального значения, для этого периодически вводится расстройка в магнитное поле циклотрона и, в

55 соответствии с изменением интенсивности выведенного пучка корректируется магнитное поле циклотрона до получения максимальной интенсив5

ности выведенного пучка, причем знак вводимой расстройки магнитного поля определяется изменением интенсивности выведенного пучка циклотрона, вызванным предыдущей расстройкой магнитного поля относительно интенсивности магнитного поля. Возможность обусловлена тем, что эффективное число оборотов определяется

Е.

М

ксзнетгиая энергия ускоренКньтх частиц;

:4Е

эффективный средний прирос энергии за оборот;

Нк iE йЕ„. солср,Н,- ------

где U Eg амплитудньй прирост энергии за оборот; qi - фазовый сдвиг сгустка заряженных частиц относительно ускоряющего напряжения. Отсюда следует, что нестабильность эффективного числа оборотов обуславливается нестабильностью ускоряющего напряжения (Б) и фазы сгустка Lf . Последнее является результатом временной нестабильности магнитного поля

ЕК (iH

&CfS2ir --nЬЕо о

Функция выведенного пучка от величины расстройки магнитного поля циклотрона О (иИ) имеет, как правило, вид кривой, имеющей область плато и ocTpbEi максимум (см.фиг.2) а зависимость интенсивности выведенного пучка от величины ускоряющего напряжения Л (лЕ). имеет явно выраженный максимум (см.фиг.3). Причем в обоих случаях максимумы интенсивности соответствуют режиму однооборотного выпуска с заданными высокими характеристиками, отклонение от экстремумов - режиму многооборотного выпуска. Наглядной иллюстрацией воздействия нестабильности ускоряющего напряжения и магнитного поля на эффективное число оборотов сгустка, выражающегося в отклонении интенсивности выведенного пучка от максимального значения, является серия зависимостей воспроизведенная на фиг,4, Очевидно , что при оптимальном значении магнитного поля Нд отклонение

величины ускоряющего напряжения от оптимального значения Е доЕ, или Б, приводит к уменьшению интенсивности выведенного пучка (Л,, 5 Соответственным изменением величины магнитного поля до значения

И, или И„ можно добиться того же максимального значения (Зд,;,)

интенсивности выведенного пучка, ко0 торое св ойственно режиму работы при значениях ускоряющего напряжения ЕО и магнитного поля Н , Таким образом, нестабильность ускоряющего напряжения (так же как

5 и уходы фазы сгустка заряженных частиц) будет компенсироваться соответствуюв1им изменением величины магнитного поля. Отсюда следует, что управление величиной магнитного

0 поля циклотрона в зависимости от отклонения, интенсивности выведенного пучка от максимального значения приводит к стабилизации эффективного числа оборотов пучка в цикло5 троне.

Устройство управления выводом пучка циклотрона работает следующим образом. В исходном состоянии на входе синхронизации 16 импульсы

Q отсутствуют, по шинам управления 17 в реверсивный счетчик 14 записано число, соответствующее среднему значению выходного напряжения ЦАП 15, а в дополнительной обмотке 4, подключенной к усилителю 3, протекает

ток, пропорциональньй этому значению. Пролетающий пучок заряженных частиц наводит на сигнальный электрод 2, помещенный в ионопровод циклотрона 1, пропорциональный величине тока и азимутальной длительности пучка сигнал, который поступает на интегратор 5. Постоянная интегратора 5 выбирается больще постоянной времени магнитной системы циклотрона. При этом на выходе интегратора и соотв етственно на входах аналоговых ключей 6 и 7 присутствует напряжение, соответствующее среднему значению тока пучка циклотрона. На выходах аналоговых ключей 6 и 7, пиковых детекторов 10 и 11, а также на выходе интегрального компаратора 12 сигналы отсутствуют. Триггер 13 находится в одном из устойчивых состояний, при поступлении на вхйд 16 импульса старта (как при непрерывном, так и при импульсном рёжимах работы циклотрона импульсы поступают с внешнего генератора импульсов, причем период их повторения выбирается больше суммарной постоянной времени интегратора 5 и маг нитной системы циклотрона 1) последний сбрасывает пиковые детекторы 10 и 11 в нулевое состояние и поступает на первую схему задержки.8, время задержки которой выбирается больше времени установления пиковых детекторов в нулевое состояние. С вьгхода первой схемы задержки 8 импульсный сигнал подается на вход управления первого аналогового ключа 6, при этом на его выходе появляется импульс, амплитуда которого соответствует величине сигнала на выходе интегратора 5. Амплитуда этого сигнала запоминается .на выходе первого пикового детектора 10. С выхода первой схемы задержки 8 импульсный сигнал также поступает на счетньш вход реверсивного счетчика 14 и на вход второй схемы задержки 9, время задержки которой выбирается больше суммарной постоянной времени магнитной системы циклотрона и интегратора Ь и меньше периода следования импульсов старта. В зависимости от состояния триггера 13-на выходах разрядов реверсивного счетчика 14 изменяется информация (в сторону увеличения или .уменьшения на единицу) . Соответственно изменяется уровень постоянного напряжения на выходе ЦАП 15 которое через усилитель 3 и дополнительную обмотку будет воздействовать на магнитное поле циклотрона, приводя к изменению интенсивности пучка циклотрона. Сигнал на выходе интегратора 5 и,- следовательно, на входах аналоговых ключей 6 и 7 также изменяются. С выхода второй схемы задержки 9 импульсный сигнал поступает на вход управления второго аналогового ключа 7. С выхода второго аналогового ключа 7 импульс, амплитуда которого соответствует величине измененного сигнала на выходе интегратора 5, поступает на вход второго пикового детектора 11 и запоминается на его выходе. С выхода второй схемы задержки 9 сигнал поступает также на

вход строба интегрального компаратора 12.

В зависимости от величин потенциальных сигналов на входах интегрального компаратора на выходе его при поступлении на вход строба будет присутствовать уровень логической единицы или уровень логического нуля. При этом, если величина напряжения на выходе второго пикового детектора 11 окажется больше величины напряжения на выходе первого пикового детектора 10, то на счетный вход триггера 13с выхода интегрального компаратора 12 будет поступать уровень логического нуля, который не изменит состояние триггера 13. В случае, если величина напряжения на входе второго детектора 11 окажется меньше величины напряжения на выходе первого пикового детектора 10, то на триггер 13 поступит уровень логической единицы и он переключится в другое состояние. .При поступлении следующих импульсов старта на вход синхронизации 16 все процессы будут повторяться до возрастания интенсивности выведенного пучка циклотрона до максимального значения.

Таким образом, в устройстве управления выводом пучка циклотрона происходит компенсация отклонения интенсивности выведенного пучка циклотрона от максимального значения и тем самым обеспечивается стабилизация эффективного числа оборотов пучка циклотрона.

По сравнению с базовым объектом в качестве которого можно принять разработанную на предприятии-заявителе систему измерения и стабилизации фазы пучка 240-сантиметрового изохронного циклотрона ИЯИ АН УССР, обеспечивающую улучшение параметров пучка путем компенсации нестабильности магнитного поля циклотрона, предлагаемый способ управления вьтодом пучка циклотрона и устройство для его осуществления позволяет осуществлять стабилизацию эффективного числа оборотов пучка и тем самым компенсировать уходы интенсивности выведенного пучка, вызываемые нестабильностьюмагнитного поляцклотрона, и ускоряющегонапряжения.