Устройство измерения длительности сгустка заряженных частиц циклотрона Советский патент 1985 года по МПК H05H13/00 H05H7/00 

элемента И, второй вход которого связан с выходом первого стробоскопического преобразователя, при этом выход второго логического элемента

И подсоединен к счетному входу второго счетчика, выходы разрядов которого соединены с. шинами чтения регистра памяти.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СГУСТКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ЦИКЛОТРОНА, содержащее схему автосдвига строб-импульсов, высокочастотный вход которой связан с входом запуска устройства и входом схемы задержки, низкочастотньш вход - с входом интервала преобразования, а выход - с входом строба первого стробоскопического преобразователя, сигнальный вход которого соединен с сигнальным электродом, и схему эталонной задержки, вход которой связан с выходом схемы задержки, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности и сокращения времени измерения длительности сгустку заряженных частиц циклотрона, в него введены два дополнительных стробоскопических преобразователя, триггер, формирователи начала и конца интервала преобразования, генератор стабильной частоты, делитель частоты, два логических элемента И, два счетчика, регистр памяти и установочный счетчик, при этом входы стробов стробоскопических преобразователей подключены к выходу схемы автосдвига строб-импульсов, сигнальный вход второго стробоскопического преобразователя связан с входом схемы эталонной задержки, а выход - с входом устанои ки единицы триггера, вход установки нуля триггера соединен с выходом третьего стробоскопического прег образователя, сигнальный вход которого подключен к выходу схемы эталонной задержки, а выход триггера i к второму входу первого логического элемента И, первый вход которого (Л подсоединен через делитель частоты к выходу генератора стабильной частоты, выход первого логического элемента И связан с счетным входом первого счетчика, вход установки нуля которого соединен с входом установки нуля второго счетчика и выходом формирователя начала интервала преобразования, выходы разрядрв Ov первого счетчика подсоединены к информационным входам регистра пак мяти, вход перезаписи которого подключен к выходу формирователя конца интервала преобразования, вход которого связан с входом формирователя начала интервала преобразования и с входом интервала преобразования устройства, выходы регистра памяти подсоединены к входам разрядов установочного счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора стабильной частоты, а выход - к входу записи и К первому входу второго логического

1

Устройство для измерения длительности сгустка заряженных частиц циклотрона относится к области ускорительной техники и мржет быть использовано для измерения в цифровом виде длительности наносекундных сгустков заряженных частиц циклических ускорителей, работаюп1их как в импульсном, так и в непрерывном режмах.

Одной из важнейших характеристик ускоренного пучка при его использовании для время-пролетных экспериментов с нейтронами, а также при ускорении легких ионов с малым энергетическим разбросом является мгновенная временная длительность сгустка заряженных частиц. Получение информации о длительности сгустка непосредственно с сигнального электрода датчика пучка при его наносекундной длительности и применении стандартных измерительных приборов практически невозможно. Эт связано с тем, что измерительные приборы располагаются: в пультовой на значительном расстоянии от циклотрона, что приводит к необходимости иметь тракт передачи сигнала чрезвычайно высокой чувствительности и широкополосности. Поэтому, как правило, притаких измерениях используют принцип линейного преобра зования временного масштаба периодически повторяющихся сигналов стробоскопическим методом. Известны устройства, которые используют указанный метод, позволяющий с помощью осциллографа визуально измерять длительность,сгустка заряженных частиц.

Известно устройство для измерения парамет тов пучка циклотрона, содержащее сшнальный электрод и

преобразователь сигнала, построенный по принципу стробоскопического преобразования высокочастотного сигнала J. В данном устройстве 5 непосредственный отсчет преобразованной длительности измеряемого сигнала производится по низкочастотному осциллографу, прокалиброванному в преобразованном масштабе вреЗ менИо Недостатками известного устройства являются, во-первых, длительный процесс обработки результатов измерений, который сводится к отсчету и вычислению длительности измеряемого сигнала оператором по шкале осциллографа, предварительно прокалиброванной с помощью эталонного интервала в преобразованном масштабе времени, во-вторых, низкая точность измерений, определяемая погрешностями отсчета и масштабирования.

Наиболее близким по технической супдности к изобретению является устройство для измерения фазы и фазовой длительности сгустка ионов. Устройство состоит из схемы автосдвига стробимпульсов, включающей в себя генератор быстрого пилооб0 разного напряжения и генератор медленного пилообразного напряжения, выходы которых соединены с входом схемы сравнения, стробоскопического преобразователя, соединенного с сигнальным электродом и выходом схемы сравнения, схемы эталонной задержки, логического элемента ИЛИ с вспомогательным сигнальным электродом, схемы задержки

0 (для временного сдвига относительно импульсов запуска имитационных сигналов при их стробировании), входа интервала преобразования., соединенного с входом генератора мед5 ленного пилообразного напряжения,

входа запуска и выхода устройства 21.

Недостатками устройства является низкая точность измерений и длительный процесс обработ1си результатов измерений.

Целью .изобретения является повышение точности и сокращение времени измерения длительности сгустка заряженных частиц циклотрона. -.

Эта цель достигается тем, что в предложенное устройство для измерения длительности сгустка заряженных частиц циклотрона, содержащее схему автосдвига стробимпульсов, высокочастотный вход которой связан с входом запуска устройства и входом схемы задержки, низкочастотный вход - с входом интервала преобразования, а выход - с входом строба первого стробоскопического преобразователя, сигнальный вход которого соединен с сигнальным электродом, и схему эталонной задержки, вход которой связан с выходом схемы задержки, введены два стробоскопических преобразователя, триггер, формирователи начала и конца интервала преобразования, генератор стабильной частоты, делитель частоты, два логических элемента И, два счетчика, регистр памяти и установочньй счетчик. Входы стробов стробоскопических преобразоватешей подключены к выходу схемы автосдвига стробимпульсов.; Сигнальный вход второго стробоскопического преобразователя связан с входом схемы эталонной задержки, а выход - с входом установки единицы триггера. Вхо установки нуля триггера соединен с выходом третьего стробоскопического преобразователя, сигнальный вход которого подключен к выходу схемы эталонной задержки, а выход ко второму входу первого логического элемента И, первый вход которого подсоединен через делитель частоты к выходу генератора стабильной частоты. Выход первого логического элемента И связан с счетным входом первого счетчика, вход . установки нуля которого соединен с входом установки нуля второго счетчика и выходом формирователя начала ч интервала преобразования. Выходы разрядов первого счетчика подсоединены к информационным входам регистра памяти, вход перезаписи которого подключен к выходу формирователя конца интервала преобразования, вход которого связан с входом форс мирователя начала интервала преобразования и с входом интервала преобразования устройства. Выходы регистра памяти подсоединены к входам разрядов установочного счет1Q чика, счетньй вход которого подключен к выходу генератора стабильной частоты, а выход - к входу записи и к первому входу второго логического элемента И, второй вход которого связан с выходом первого стробоскопического преобразователя. Выход второго логического элемента И подсоединен к счетному входу второго счетчика, выходы разря20 дов которого соединены с шинами чтения регистра памяти.

Принцип действия устройства измерения длительности сгустка заряженных частиц циклотрона заклю5 чается в том, что в реальном масштабе времени измеряется преобразованньш с помощью стробоскопического преобразователя эталонный временной интервал. Результат измерений учитывается как весовой множитель при измерении в реальном масштабе времени преобразованной стробоскопическим методом длительности сгустка заряженных частиц циклотрона. 5

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство состоит из схемы 1 автосдвига стробимпульсов, выход 0 которой соединен с входами стробов

первого стробоскопического преобразо вателя 2, сигнальньй вход которого подключен сигнальному электроду 3 второго стробоскопического преоб5 разователя 4 и третьего стробоскопического преобразователя 5, триггера 6, вход установки единицы которого связан с выходом преобразователя 4, а вход установки нуля - с выходом 0 преобразователя 5 схемы эталонной

задержки 7 с выходом, подключенным к сигнальному входу преобразователя 5, схемы задержки 8, выход которой связан с сигнальным входом преобразова5 теля 4 и входом схемы эталонной задержки генератора стабильной частоты 9 - с выходом, подключенным через делитель частоты 10 к первому входу первого логического элемента И 11 с вторым входом, связанн1 1м с выходом триггера, первого счетчика 12, счетньй вход которого подсоединен к элемента И 1 1 , а выходы разрядов - к входам регистра памяти 13 с выходами, подключенными к соответствующим входам разрядов уст новочного счетчика 14. Счетньй вход последнего соединен с выходом генератора стабильной частоты, а выход, связанный с входом записи, с первым входом второго логического элемента И 15 с вторым входом, под соединенным к выходу преобразовател 2, второго счетчика 16, счетный вход которого подключен,к выходу элемента И 15, а вход установки нуля - к входу установки нуля первого счетчика и выходу формирователя 17 начала интервала преобразования, фо мрфователя конца интервала преобразования 18, выход которого связан с входом перезаписи регистра памяти, а вход - с входом формирователя нач ла интервала преобразования, низкочастотным входом схемы автосдвига стробимпульсов и входом 19 интерва ла преобразования устройства. Вход 20 запуска соединен с высокочастотньм входом схемы автосдвига стробимпульсов и с входом схемы задержки о Шины чтения 21 подключены к выходам разрядов второго счетчика Устройство работает следующим образом. На вход 20 -запуска устройства поступают запускающие импульсы синхронно с напряжением ускоряющего высокочастотного поля циклотрона. На вход 19 интервала преобразования устройства подается сигнал, длительность которого при импульсном режиме работы циклотрона соответствует длительности макроимпульса ускорителя, а при непрерывном режиме работы циклотрона определяется длительностью импульса, поступающего от внешнего генератора. На сигнальный электрод 3 проле тающий пучок заряженных частиц наводит сигнал, пропорциональньй его длительности и интенсивности. Во время действия интервала преобразования на входе 19 с выхода схе мы 1 автосдвига стробимпульсов на входы стробов преобразователей 2, 4и 5 поступают сдвигающиеся во времени относительно запускающих импульсов стробимпульсы, которые обеспечивают линейное преобразование временного масштаба периодически понторяю1н;ихся сигналов на сигнальных входах преобразователей. С выхода преобразователя 2 снимается преобразованньм низкочастотный сигнал, характеризующий длительность и интенсивность пучка циклотрона. Схема задержки 8 осуществляет временной сдвиг поступающих на вход запуска импульсов, в результате чего с выходов преобразователей 4 и 5 соответственно на вход установки единицы и вход установки нуля триггера 6 подаются сдвинутые один относительно другого с помощью;схемы эталонной задержки7 (время задержки выбирается из условия Т( где Т - период ускоряющего напряжения) и преобразованные низкочастотные сигналы На выходе триггера 6 формируется эталонный интервал, соответствующий длительности задержки в преобразованном масштабе времени. С выхода генератора стабильной частоты 9 поделенная в W раз делителем частоты 10 тактовая частота поступает ,на вход элемента И 11, который деблокируется на время действия преобразованного эталонного интервала, . поступающего с триггера 6. При этом с выхода элемента И 11 на счетньй вход счетчика 12 поступают импульсм поделенной частоты генератора стабильной частоты 9 в течение времени, определяемого длительностью . преобразованного эталонного интервала. Установка счетчика 12 в нулевое состояние осуществляется каждьй раз началом интервала преобразования импульсом, поступающим с выхода формироватепя 17. При этом длительность сосчитанного в реальном масштабе времени преобразованного эталонного временного интервала равна 9т , , где N - коэффициент деления делителя частоты lOj К - количество импульсов, сосчитанных счетчиков 12j Т - период следования импульсов с выхода генератора 9сЛ, - абсолютная погрешность измерения длительности эталонного интервала, равная единице младшего разряда первого счетчика

cf, NT. (2)

Код, соответствующий этому временному интервалу, пропорционален коэф фициенту трансформации временного масштаба стробоскопического преобразования. С выходов разрядов счетчика 12 этот код переписьшается в регистр памяти 13 импульсом, поступающим на его вход перезаписи с выхда формирователя 18 Установочный счетчик 14 работает в режиме генерации временного интервала, т.е. с его выхода генерируется последо вательность импульсов, период которой определяется кодом, поступающим на его входы разрядов с регистра памяти 13 (работа установочного счетчика 14 в этом режиме осуществляется за счет подачи выходного импульса на вход записи). На первый вход элемента И 15 с выхода счетчика 14 поступают тактовые импульсы, период которых равен , куда весовым множителем входит число R. На выходе элемента И 15 тактовые импульсы появляются на время, в течение которого этот элемент деблокирован по второму его входу измеряемым импульсом, поступающим с преооразователя 2 сигнала пучка. Установка счетчика 16 в нулевое состояние осуществляется каждый раз началом интервала пре образования импульсом, поступающим с выхода формирователя 17. Импульсы с выхода элемента И 15 подсчитываются счетчиком 16, а полученная информация,соответствующая длительности сгустка заряженных частиц циклотрона,выводится на шины чтения 21. Измеренная в реальном масштабе времени величина преобразованной длительности сгустка заряженных частиц равна

njM T, М t сГ.

(3)

1

где М - количество импульсов, сое- 55 читанных счетчиком 16; fz абсолютная погрешность измерения длительности сгустка заряженных частиц.

равная единице младшего разряда второго счетчика

(4)

Подставляя в выражение (3) значение К из формулы (1), получим

W«T., ,

Запишем последнее вьфажение .в виде

М

Т -HL г „

CS) изм N эт - ° 2

где сГ - абсолютная погрешность измерения устройства.

Несколько завышая ее значение, можно записать

,.,,. (о;

Подставляя в вьфажение (6) значния сГ и dj соответственно их формул (2) и (4), получим

(M Относительная погрешность измерения устройства

N 9

или после подставки значения Т, из формулы (1)

м+к

Исходя из принципа действия устройства измерения длительности сгустка заряженных частиц циклотрона, для его эффективной работы период следования импульсов Tf, с выхода генератора стабильной частоты должен выбираться по возможности малой величины (в практических случаях используется кварцевый генератор высокой частоты), а коэффициент деления К делителя частоты большой величины. В этом случае количество импульсов, сосчитанных первым и вторым счетчиками, будет достаточно велико, поэтому всегда справедливо неравенство

с «1Км Полагая, к лучаем и т.д. 9111167210 примеру, К М 100, по- Изобретение позволит существенно 2%, К /М 500 - 0,4% сократить время измерения длительности .сгустка заряженных частиц циклотрона.