Способ измерения плотности заполнения орбиты кольцевого ускорителя сгустками заряженных частиц и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК H05H13/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при оптимизации процесса захвата пучка в режим ускорения, а также при осуществлении сепарации отдельных микросгустков ускоряемого пучка или его отдельных малоинтенсивных вторичных компонент.

Цель изобретения - повыщение точности измерений и объема получаемой информации за счет обеспечения возможности одновременного определения взвешенной за выбранное число циклов ускорения плотности распределения тока пучка по азимуту равновесной орбиты.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 - функциональная схема блока компенсации временной задержки сигнала кольцевого опроса; на фиг. 3 - блок-схема измерения дифференциального распределения маркированных отсчетов временных интервалов, сортируемых в одном из частичных

подынтервалов гистограммы временного распределения.

Согласно предлагаемому способу при каждом цикле ускорения синхронно с моментом начала посадки пучка инжектора на равновесную орбиту синхротрона формируют последовательность опорных импульсных сигналов с периодом их следования Гт, равным текущей величине т-го периода (где ,2,...) обращения равновесной час- гицы в кольце ускорителя.

Используя получаемые таким путем опорные импульсные сигналы в качестве соответствующих отсчетов дискретной с щагом 7 шкалы времени, при которой исключается из рассмотрения сам процесс непрерывного обращения ускоряемого пучка в кольце синхротрона, обеспечивают в момент наблюдения фиксациЮ НОложения каждого из ускоряемых микросгустков частиц на одной из возможных для них наперед пронумерованных позиций, эквидистантно расположенных

о:

i

4 4

:вдоль азимута равновесной орбиты синхротрона с кратностью q. При этом инвариантность от цикла к циклу ускорения принятой (по направлению обращения пучка) нумерации указанных позиций обеспечивают за счет совмещения начала используемой дискретной шкалы времени с моментом начала посадки пучка инжектора на равновесную орбиту синхротрона. Этот момент начала посадки пучка инжектора на равновесную ор- биту синхротрона в каждом цикле ускорения фиксируют в одной и той же фазе с ускоряющим ВЧ-напряжением синхронно с моментом отпирания пущки инжектора (при фиксированной синхронизации момента включения инфлектора) либо синхронно с моментом включения самого инфлектора. В режим синхротронного ускорения захватываются практически моноэнергетические час- |гицы пучка инжектора, разброс по времени Ьролета которых до их посадки на равновесную орбиту практически не влияет на точность синхронизации момента начала отсче- fa используемой временной щкалы изме- |)ений.

; в этих условиях при оббспечении воз- у1ожности многократного по круговой раз- | ертке обзора равновесной орбиты синхротрона стробом фиксированной длительности измерение плотности распределения ускоряемого пучка на орбите производят путем 1У1ногократной реализации статистической ыборки сигналов мониторных детекторов i|o время постоянства величины периода ускоряющего ВЧ-напряжения синхротрона И постоянства интенсивности облучения им мониторных детекторов. В частности, во вре- йя медленного равномерного вывода вторич- ИОРО излучения синхротрона, продолжительность которого в случае, например, сильно- т очного электронного синхротрона на энер- гИю 6 ГэВ составляет от 2,2 до 4 мс при величине периода TQ обращения равновесной частицы ГоЛ:;0,71 МКС, т. е. в течение более чем от трех до пяти тысяч обращений пучка в кольце ускорителя, в течение каждого из которых путем временной селекции сигналов мониторных детекторов принимают соответствующее статистическое решение о наличии или отсутствии меченого излучения в каждой из возможных для заполнения микросгустками частиц эквидистантно расположенных позиций на равновесной орбите синхротрона. Указанную временную селекцию осуществляют путем измерения временных интервалов между соответствующим опорным импульсом и сигналами мониторных детекторов. Сортируя по длительности получаемые отсчеты временных интервалов, формируют гистрограмму временного их распределения, длину частичных подынтервалов для которой выбирают кратной величине п фиода ускоряющего ВЧ-напряжения синхротрона, а их суммарную длину равной периоду Го обращения равновесной частицы

во время постоянства величины этого параметра ускорителя. При этом для исключения возможности накопления, т. е. фильтрации, ложных отсчетов в тех частичных подынтер- 5 валах формируемой гистограммы, нумерация которых соответствует нумерации тех из наперед фиксированных позиций на равновесной орбите синхротрона, которые оказались не заполненными микросгустками Q заряженных частиц в текущем цикле ускорения, регистрацию излучения синхротрона производят путем включения мониторных детекторов в телескоп совпадений.

В итоге по соотнощению частот п;, накопленных в текущем цикле ускорения в каждом 5 из Л частичных подынтервалов (, 2,..., N) формируемой гистограммы, где N(q /l), 3.1 - пронормированная относительно величины периода ускоряющего ВЧ-напряжения безразмерная длина частичного подын- 2Q тервала, судят о степени (коэффициенте) заполнения орбиты микросгустками заряженных частиц и плотности их распределения по азимуту равновесной орбиты синхротрона. При этом благодаря указанной инвариантности от цикла к циклу ускорения коор- 5 динат фиксированных для заполнения мик-- росгустками частиц позиций на равновесной орбите синхротрона и соответственно инвариантности нумерации подынтервалов формируемой гистограммы обеспечивается также возможность получения статистически устойчивых оценок контролируемых параметров пучка путем их, например, усреднения (сглаживания) по скользящей выборке, а также возможность проведения оперативного корреляционного (спектрального) анализа процесса захвата от цикла к циклу ускорения пучка инжектора в режим синхротронного ускорения.

С этой целью одновременно с осуществлением рассмотренных операций способа произбодят параллельный подсчет суммарного числа Ё л/ всех зарегистрированных

отсчетов временных интервалов за время экспозиции мониторных детекторов в текущем /-М цикле ускорения. По окончании каждого /-ГО цикла ускорения определяют

5 среднюю плотность накопленной частности

как Wi( S л/)/Л , относительно которой пров

изводят нормировку (n-i/Wi) величины л каждой из частот, накопленных в соответствую- щем /-М подынтервале полученной гистограммы. Используя эти значения частот, полученные за соответствующее число циклов ускорения для каждого из Л частичных подынтервалов, формируют обобщенную гистограмму относительных (пронормированных) частэт, путём соответствующей интерполяции значений которых получают возможность достоверной оценки контролируемых параметров пучка и цифрового уп0

5

0

равления (оптимизации) его захвата в режим синхротронного ускорения.

Устройство для осуществления способа содержит детектор 1 излучения синхротрона, дискриминатор-формирователь 2 импульсов, кольцевой счетчик 3 на сдвиговом регистре с управляющей цепью в виде элемента 4-1 запрета, пропускающего синхроимпульсы сдвига содержимого сдвигового регистра 3, и элемента И 4-2, пропускающего синхроимпульсы записи информации в сдвиговый регистр по его параллельным входам, блок 5 временной компенсации сигнала кольцевого опроса, канальные блоки б-/ совпадений

(j, 2N, где Л - число подынтервалов

формируемой гистограммы временного распределения), канальные счетчики 7-/, соединенные счетными входами с выходам 1 одноименных канальных блоков совпадений, объединенные первые входы которых соединены с выходами дискриминатора-формирователя 2 импульсов. Устройство содержит также формирователь 8 импульсов, первый масщтабирующий делитель 9 частоты, про- пускатель 10, высокочастотный аттенюатор 11, генератор 12 ускоряющего ВЧ-на- пряжения синхротрона в виде входной управляющей щины 12, датчик 13 напряженности ведущего поля синхротрона, компаратор 14 напряжения, блок 15 синхронизации момента отпирания пущки инжектора или включения инфлектора синхротрона, триггер 16, блок 17 считывания, блок 18 деления, блок 19 поканального взвещенного усреднения, второй масщтабирующий делитель 20 частоты, суммирующий счетчик 21, блок 22 управления с входом 23 «Пуск и входом 24 «Стоп, соединенными с одноименными управляющими выходами таймерной системы синхротрона. Выход 25 блока 22 соединен с управляющим входом блока 17 и с гасящими У -входами блока 9 и триггера 16, выход 26 соединен с управляющим входом дискриминатора-формирователя 2 импульсов, выход 27 блока 19 является информационным выходом устройства, соединенным с входом специализированного (не показан) цифрового процессора (ЭВМ). Параллельные разрядные выходы 27-/ (, 2, ..., Л) кольцевого счетчика 3 на сдвиговом регистре соединены с одноименными адресными входами блока 5, причем последовательный выход 28-Л кольцевого счетчика на сдвиговом регистре соединен по кольцу с его последовательным Di-входом, а также с элементами 4-1 и 4-2 цепи его управлений и с синхровходом блока 22 управления., Шина 29 является выходом формирователя 8 импульсов, щины 30 и 31 - управляющими и соответственно информационными выходами блока 17, щина 32 - выходом суммирующего счетчика 21, а 33 - объединенными вторичными входами канальных блоков совпадений.

Блок 5 компенсации временной задержки сигнала кольцевого опроса может быть выполнен в виде N поканальных узлов компенсации, каждый из которых содержит эле- мент И 34-/, элемент ИЛИ 35-/ и элемент 36-/ задержки, а также компенсирующего элемента 37 задержки.

Измерение дифференциального распределения временных интервалов, сортируемых в одном из частичных подынтервалов формируемой гистограммы, может осуществляться по блок-схеме, состоящей из канального блока 6-/ совпадений, пропускате- лей 38 и 39, время-амплитудного преобразователя 40, многоканального амплитудного анализатора 41 и элементов 42, 43 и 44 задержки.

Устройство работает следующим образом.

После того, как блоком 15 вырабатывается соответствующий импульс, синхронизи- рующий момент отпирания пущки инжектора или момент включения инфлектора, одновременно включается триггер 16. Последний, снимая блокировку с пропускателя 10, обеспечивает прохождение на счетный вход мас- 5 щтабирующего делителя 9 частоты проде- тектированного однополупериодного напряжения с выхода высокочастотного аттенюатора 11 ускоряющего ВЧ-напряжения. При этом коэффициент масщтабирующего делителя 9 частоты задают равным безразмерной 0 длине (q/N) частичного подынтервала формируемой гистограммы временного распределения. Причем необходимость в использовании такого масштабного делителя 9 частоты на практике исключают путем временной привязки к фазе соответствующего крат- 5 ного напряжения, снимаемого с соответствующей ступени каскадного умножителя синусоидального сигнала первичного возбудителя ускоряющего ВЧ-напряжения синхротрона. В результате по каждому тактовому импуль- AQ су с выхода первого масштабирующего делителя 9 частоты, формируемого по длительности блоком 8, производится сдвиг вправо на один разряд (адрес) сигнала «1 в кольцевом счетчике 3 до тех пор, пока под воздействием тактовых импульсов этот сигнал 45 «1 уже в качестве опорного импульсного сигнала с последовательного выхода 28-N кольцевого счетчика 3 вновь не будет введен в его первый рязрад по 1-входу очередным импульсом с выхода формирователя 8. Такой процесс обращения сигнала «1 в кольцевом 50 счетчике с частотой, равной текущей частоте обращения равновесной частицы в кольце синхротрона, носит холостой характер до момента поступления по щине 23 от таймерной системы ускорителя сигнала «Пуск, синхронизированного с моментом начала равномерного облучения детекторов. Указанный сигнал «Пуск, устанавливая в нулевое отсчетное положение все счетные элементы, одновременно с выхода 26 блока 22 снимает

блокировку с управляющего входа дискриминатора-формирователя 2 импульсов.

В этих условиях прохождения сигналов мониторных детекторов на объединенные первые входы канальных блоков совпадений 6-/ благодаря периодическому обращению сигнала «1 кольцевого счетчика канальными блоками совпадений 6-/ обеспечивается селекция по длительности регистрируемых временных интервалов между соответствующим сигналом и регистрируемыми сигналами мокиторных детекторов. Г1ри этом однородность ширины каналов еремемной селекции обеспечивается блоком 5 ком1;енсации временной задержки сигнала кольцевого опроса. Блок 5 в период |тереходных состояний кольцевого счетчика 3 Осуществляет согласованное во времени ключ1: ние ранее открытого /-го блока сов- (таденим и следующего по весу ()-го блока совпадений (фиг. 2).

Селектируемые по длительности канальными блоками совпадег ий б-/ отсчеты временных интервалов подсчитываются соот- |}етствующими канальными счетчиками 7-/, чет каждого из которых по окончании экс- Ьозиции MOi;;;горных летекторов характери- .ует частоту {плотр10оть) п , накопленную . цикл ускорения в соответствующем /-м подынтервале полученной гистограммы временного распределения. При этом пронормированная с помощью второго масщтаби- рующего делителя 20 частоты с коэффициентом пересчета N средняя величина плотности W,- определяется показаниями суммирующего счетчика 21, которые с его разрядных выходов выставляются на соответствующие входы блока 18 деления. После поступления сигнала «Стоп от таймерной системы ускорителя блок 17 по управляющему сигналу с шины 25 осуществляет последовательное считывание показаний каналь- tibix счетчиков 7-/, которые после их соответствующей нормировки поступают в блок 18 поканального взвешенного усреднения с последующей обработкой накопленной диагностической информации о контролируемых параметрах пучка в специализированном цифровом процессоре (ЭВМ) управления режимом захвата пучка инжектора в процессе синхротронного ускорения.

При этом до начала указанных измерений лредварительно измеряют дифференциаль- : ioe распределение отсчетов временных интервалов, сортируемых по длительности :з одном из маркируемых подынтервалов фор.мируемой гистограммы временного рас- лределения. Затем посредством регулирования задержки сигналов мониторных детекторов совмещают на все время последующих измерений координату центра группирования получаемого дифференциального распределения с координатой центра мар- ируемого частичного подынтервала.

По сравнению с прототипом в предлагаемом способе обеспечивается измерение азимутальной микроструктуры пучка, без идеализированного представления пучка в виде

строго периодического цуга банчей. Согласно предлагаемому способу нет необходимости поддерживать близкое к оптимальному значение задержки между сигналами однородных измерительных систем, благодаря чему относительная среднеквадратическая ошибка измерения коэффициента заполнения орбиты оказывается практически независимой от условий захвата пучка из инжектора в режим синхротронного ускорения, что обеспечивает высокую достоверность

5 получаемых оценок контролируемого параметра пучка.

Формула изобретения

. Способ измерения плотности заполне0 ния орбиты кольцевого ускорителя сгустка- .ми заряженных частиц, включающий многократную за цикл ускорения регистрацию их излучения быстродействующими монитор- ными детекторами во время постоянства

5 периода обращения равновесной частицы в кольце ускорителя, огличаюш,ийсятем, что, с целью повышения точности измерений и объема получаемой информации за счет обеспечения возможности одновременного определения взвешенной за выбранное число

0 циклов ускорения плотности распределения тока пучка по азимуту равновесной орбиты, формируют синхронизированную с моментом начала первого оборота пучка циклическую последовательность опорных .меток времени, частоту формирования которых поддержи5 вают синфазной и равной частоте обр. :1щения равновесной частицы в кольце ускорителя, и в течение всего вре.мени измерения производят синхронное накопление регистрируемых сигналов быстродействующих мониторных детекторов относительно соответствующих опорных меток времени, период следования которых задают кратным периоду ускоряющего ВЧ-напряжения кольцевого ускорителя.

5 2. Устройство для измерения плотности заполнения орбиты кольцевого ускорителя сгустками заряженных частиц, содержащее быстродействующий мониторный детектор излучения кольцевого ускорителя заряженных частиц, соединенный выходом с входом

0 дискриминатора-формирователя импульсов, выход которого соединен с объединенными первыми входами блоков совпадений, соединенных выходами со счетными входами соответствующих счетчиков, кольцевой счетчик, соединенный синхровходом с выходом фор5 мирователя импульсов, и блок управления, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности измерения и объема получаемой информации, в устройство введены после0

довательно соединенные генератор ускоряющего ВЧ-напряження кольцевого ускорителя, высокочастотный аттенюатор, блок пропускания синхроимпульсов, первый делитель частоты, соединенный выходом с входом формирователя импульсов, последовательно соединенные датчик магнитного поля кольцевого ускорителя, компаратор напряжения, блок синхронизации момента отпирания пушки инжектора или включения инфлек- тора кольцевого ускорителя и триггер, соединенный выходом с управляющим входом блока пропускания синхроимпульсов, последовательно соединенные второй делитель частоты, счетчик, блок деления и блок усреднения, блок компенсации временной задержки сигнала кольцевого опроса и блок считывания, соединенный информационными входами с выходами одноименных счетчиков, информационным выходом - с вторым информационным входом блока деления, управляющим выходом - с объединенными син- хровходами блока деления и блока усреднения, а управляющим входом - с R-BXO0

5

0

дами первого делителя частоты и триггера и с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом дискриминатора-формироватетя импульсов, первый и второй входы снабжены клеммами для подсоединения к выходам «Пуск и «Стоп таймерной системы кольцевого ускорителя, а синхровход - с последовательным выходом кольцевого сче тчика, соединенного разрядными выходами с одноименными адресными входами блока компенсации временной задержки сигнала кольцевого опроса, синхровход которого соединен с выходом формирователя импульсов, а его поканальные разрядные выходы - с вторыми входами одноименных блоков совпадений, каждый из которых соединен входом антисовпадения с вторым входом следующего блока совпадений, при этом выход дискриминатора-формировате. я соединен с входом второго масщтабирующего делителя частоты, / -Бход которого объединен с одноименными входами счетчиков, и с входом блока управления.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при оптимизации процесса захвата пучка в режим ускорения, а также при осуществлении сепарации отдельных микросгустков ускоряемого пучка или его отдельных малоинтенсивных вторичных компонент. Цель изобретения - повышение точности измерений и объема получаемой информации - достигается путем обеспечения возможности одновременного определения взвешенной за выбранное число циклов ускорения плотности распределения тока пучка по азимуту равновесной орбиты. Для этого при каждом цикле ускорения синхронно с моментом начала посадки пучка инжектора на равновесную орбиту синхротрона формируют последовательность опорных импульсных сигналов с периодом их следования, равным текущей величине M-го периода, где M=1,2..., обращения равновесной частицы в кольце ускорителя. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

we.f

28-f

Фиг. 2

(Риг.з