Некоторые схемные элементы полупроводникового оптимизатора интенсивности гамма-излучения бетатрона

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1966

Том 141

НЕКОТОРЫЕ СХЕМНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ОПТИМИЗАТОРА ИНТЕНСИВНОСТИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

БЕТАТРОНА

В. М. РАЗИН, В. П. ШЕРСТОБИТОВ

Известно, что для получения максимума излучения бетатрона применяются оптимизаторы или экстремальные регуляторы, при этом предпочтение отдается оптимизаторам с прямоугольной модуляцией основного регулирующего параметра — фазы инжекции электронов в ускорительную камеру. Основными узлами в данном случае являются интегратор, схема сравнения, исполнительное устройство, модулятор, селектор импульсов и др. вспомогательные схемы. Возможна разнообразная реализация основных узлов. Однако существующие экстремальные регуляторы имеют ряд принципиальных недостатков: замедление поиска максимума в связи с применением модуляции с малой постоянной амплитудой, значительное колебание рабочей точки в окрестности максимума при малой постоянной времени сравнивающих детекторов и ухудшение динамических свойств оптимизатора при увеличении постоянных времени сравнивающих детекторов.

Авторами настоящей работы были выдвинуты идеи усовершенствования оптимизаторов, которые доложены на У-й межвузовской конференции по электронным ускорителям в г. Томске в марте 1964 г.

Были предложены модуляция с переменной амплитудой, схема совмещения времени сравнения пары импульсов излучения и схема автоматического поиска диапазона рабочих фаз инжекции.

Сведения о соображениях, положенных в основу усовершенствованного оптимизатора можно, найти в трудах упомянутой конференции, а целью настоящей статьи является рассмотрение технических принципов построения основных узлов оптимизатора и рекомендации по выполнению их на полупроводниковых приборах.

Исполнительное устройство. В качестве исполнительного устройства применен пик-трансформатор со смещением фазы импульсов путем пропускания подмагничивающего тока через регулирующую обмотку. Пик-трансформатор может устанавливаться в поле электромагнита бетатрона или включаться в сеть.

Модулятор с переменным модулирующим воздействием на фазу инжекции. Модуляция фазы импульсов инжекции осуществляется под-магничивающим током через специальную обмотку (модуляторную) пик-трансформатора. В данной схеме реализуется закон изменения ам-

шштуды модулирующего тока или фазы инжекции электронов по формуле.

ЪТ = ЪТл — аГ.

где — начальная амплитуда при Г==0;

/'— интенсивность гамма-излучения бетатрона в данный момент

времени при отсутствии модуляции; а—размерный коэффициент пропорциональности. Здесь предполагается односторонняя прямоугольная импульсная модуляция, когда через импульс подается подмагничивающий ток. Изменение амплитуды по формуле 1 легко реализовать, так как необходимо лишь выполнить операции вычитания и умножения на постоянный коэффициент.

При достижении интенсивностью излучения /' некоторого уровня •оптимизатор превращается в систему с постоянным модулирующим воздействием. С этой целью /' ограничивается на уровне /о.

Схема модулятора показана на рис. 1.

Начальная амплитуда 6Т0 получается от тока с управляющего триггера ТУ, который запускается отрицательными импульсами с сигнальной обмотки пик-трансформатора (положительные импульсы используются для управления схемой инжекции). Затем происходит усиление тока с помощью транзистора Т.

Сопротивление ./?! предназначено для регулирования б Г0.

Коллекторная цепь управляющего триггера питается отрицательным напряжением, а эмиттерная—положительным так, что напряжение на коллекторе любого транзистор,а может иметь тот или иной знак -в зависимости от состояния триггера.

Импульсы /' положительной полярности выпрямляются и создают ток через сопротивление Я2 таким образом, чтобы результирующий ток базы открытого транзистора Т соответствовал величине б Т. Коэффициент а регулируется переменным сопротивлением.

Селектор импульсов излучения. Для получения информации о направлении движения рабочей точки по оси фаз инжекции необходимо сравниваемые пары импульсов коммутировать шз отдельным каналам.

Рис. 1. Схема модулятора с переменной глубиной модуляции.

Рис 2. Схема селекции импульсов излучения одного канала.

Селекция импульсов осуществляется с помощью транзисторных ключей. Схема одного из каналов сравнения показана на рис. 2 (канал ./" при протекании модулирующего тока через обмотку пик-трансформатора) .

Для импульсов излучения /" при протекании подмагничивающего модулирующего тока детектор £>2#зС3 открыт при закрывании транзистора Т2 типа прп, который управляется триггером ТрУ, показанным в схеме на рис. 1.

Коэффициент усилителя развязки на изменяется в зависимости от состояния ТрУ в -следующих пределах:

К

макс

Я

^Смии _

/?Т

/?1

Здесь /?2 — сопротивления схемы на рис. 2,

/?т — сопротивление открытого транзистора Т>.

Для обеспечения надежной отсечки необходимо выполнить условие

*1»Ят.

Сопротивления и Я2 следует выбирать из условия обеспечения допустимой постоянной времени заряда емкости Сз.

Схема совмещения времени сравнения пары импульсов излучения. Если сравниваемые импульсы следуют поочередно во времени, то при подаче их на детекторы с малой постоянной времени, включенные на входе интегратора, будут наблюдаться значительные колебания напряжения на интеграторе от импульса к импульсу. Малые постоянные времени сравнивающих детекторов необходимы для быстродействующего слежения за максимумом излучения, когда последний может быстро смещаться по оси фаз.

В описываемом оптимизаторе применена схема совмещения времени сравнения пары импульсов, представленная в упрощенном виде на рис. 3-

* ин геграгору

6ре*>*''

н м

У"— У

Рис. 3. Схема канала с запоминанием импульсов излучения.

На входе схемы включается, подобный изображенному на рис. % развязывающий усилитель.

Емкость С2 выполняет функции запоминающего устройства и инвертора напряжения с помощью транзисторных ключей. Триггер ТрУ помогает выбрать импульсы нужного канала (в данном случае импульсы /').

В момент прихода транзистор Т1 открыт с помощью ждущего мультивибратора М, работающего синхронно со схемой сброса ускоренных электронов в бетатроне с орбиты на мишень. Мультивибратор М также формирует импульс, снимающий остаточный заряд с емкости С2 после передачи части напряжения на емкость С3. Это осуществляется 116

с Помощью блоков М и ТрУ. Импульс /' при отсутствии модулирующего воздействия приходит, когда транзистор Т2 открыт и емкость С2 заряжается через него и Д2 (Т1 и Т3 заперты). Напряжение на емкости сохраняется до момента появления (к этому времени транзистор Т2 уже заперт). Затем открывается Т1 и через него и диод Д3, заряжается емкость С3 (синхронно с процессом заряда емкости С3 схемы рис. 2).

При переходе ТрУ из состояния в состояние снова формируется импульс мультивибратором М, и емкость С2 разряжается полностью через транзисторы Т1 и Т3, и схема подготовлена для запоминания нового импульса

При расчете следует учитывать, что коллекторный ток транзисторов мало зависит ог коллекторного напряжения и зависит в основном от управляющего базового тока.

Условие заряда С2 до амплитудного значения входного напряжения приближенно можно записать, считая коллекторный ток постоянным в момент заряда

^ > ¿/макс ,

2

где /3 — ток заряда,

¿и — длительность импульса излучения, ¿/макс — максимальная амплитуда сигнала (напряжение, пропорциональное максимальной интенсивности излучения).

При передаче заряда с емкости С2 на емкость С3 напряжение на последней не превысит величины

С

^ —-— ¿^макс .

С2 + Сз

В этом случае условие 4 запишется в виде

^П * ¿и (С2 + Сз) х 7 г /ЛГУ.

—--V макс у V4" )

где /п — ток передачи заряда с емкости С2 на емкость С3,

£м — длительность импульса ждущего мультивибратора М (длительность открытого состояния транзистора Т1).

Приведенные соотношения помогают правильно выбрать параметры элементов схемы.

Время хранения заряда емкостью С2 зависит от сопротивлений диодов в непроводящем направлении и сопротивлений закрытых транзисторов. В этой схеме лучше везде применять кремниевые элементы, однако достаточно использовать кремниевый диод Д{ и транзистор ТУ Схема выходного каскада интегратора. Известную трудность представляет выполнение интеграторов постоянного тока на транзисторах из-за сильного дрейфа нуля. Однако для оптимизатора возможно применять усилители постоянного тока с невысокой компенсацией дрейфа, так как он работает в следящем режиме.

На рис. 4 приведена схема выходного каскада интегратора с двух-. полярным выходом относительно земли.

Таким образом, через обмотку регулирования пик-трансформатора подмагничивающий ток может протекать в обоих направлениях. Переход от однополярной схемы к двухполярной осуществляется с помощью транзистора Т\ (прп), включенного по схеме с общей базой. Коллектор-.ный ток этого транзистора протекает через сопротивление и базу Т2.

С помощью переменного сопротивления можно устанавливать нуль-интегратора.

* - +£5 "г

Рис. 4. Выходной каскад интегратора.

Пределы изменения напряжения в этом случае будут: верхний предел

нижний предел ик^Ек- —-.

Остальные блоки оптимизатора выполнены по стандартным схемам