К вопросу об экстремальном регулировании интенсивности излучения бетатрона

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1965

Том 138

К ВОПРОСУ ОБ ЭКСТРЕМАЛЬНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ БЕТАТРОНА

Е. М.,БЕЛОВ, Н. Я- МАКАРОВ, И. Э. НААЦ

Для целей промышленной дефектоскопии требуется получить -максимальную интенсивность излучения, тогда как при проведении различного рода физических экспериментов иногда бывает необходимо работать на требуемом уровне интенсивности излучейия.

Авторы поставили задачу: разработать электронную автоматическую следящую систему, которая позволяла бы эксплуатировать бетатрон в обоих указанных режимах. Однако обеспечение режима работы бетатрона с 'максимальным выходом интенсивности излучения технически трудно выполнимо вследствие острой пиковой статической характеристики объекта регулирования.

Задачи экстремального регулирования существенно отличаются от задач обычного регулирования тем, что искомая величина неизвестна и наперед не задана; с помощью системы автоматического регулирования эта величина определяется и поддерживается с заданной точностью.

На интенсивности излучения бетатрона влияет ряд факторов, учесть которые трудно, а иногда практически невозможно [3]. Основными параметрами, характеризующими ускорительную установку, являются: индукция в зазоре между 'полюсами — В, напряжение инжек-ции — ип , ток со слоя — /сл , положение камеры в зазоре между полюсами магнита, вакуум, расположение пикового трансформатора и, наконец, фаза генерации импульса инжекции — ф.

Анализ экспериментальных зависимостей показывает, что основными параметрами, определяющими интенсивность излучения, являются напряжение и фаза импульса инжекции. Общее выражение для интенсивности излучения с учетом только этих двух параметров имеет азид

/=/

Исследуем возможность экстремального регулирования интенсивности излучения бетатрона, т. е. такого регулирования, когда автоматически определяются значения параметров <р0 и гг0, при которых интенсивность излучения достигает максимально возможного значения при прочих равных условиях. Прежде чем решать такую задачу, необходимо показать наличие экстремумов полного или хотя бы час-66

точного в рабочем диапазоне изменения параметров ср и иа> Условие наличия экстремума у функции /(ср, ии) запишется в виде

дии

дер

0; 0.

Рассмотрим возможность экстремального регулирования по напряжению инжекции.

Считаем, что Тогда

/ ^ кх лПГи. д/ 1

= к.>

даи "Уии где и к2 — некоторые постоянные.

Из выражения (5) следует, что

д!

даи

Ф 0 в рабочем диапазоне

и, следовательно, ставить оптимальную задачу регулирования по данному параметру невозможно, так как увеличение интенсивности излучения ограничивается пробивным напряжением на инжекторе.

Другим параметром, по которому можно осуществить экстремальное регулирование, является фаза' инжекции электронов в ускорительную камеру [4].

При данных выбранных параметрах--обращается в нуль по

дер

крайней мере в одной точке в рабочем диапазоне изменения фаз от 0 до <ртах. В зависимости от соотношений различных параметров ускорительной установки возможны два или более максимума интенсивности излучения, поэтому поиск главного экстремума целесообразнее осуществлять методом запоминания, поскольку использование метода градиента в этих условиях затруднительно.

I л I ----усг--.^

J

7 8

I

3 - к

п

I.

Ч'

_г

6 1 1 1 9

\ 1 1 1 | \

5 1 1 II И Ю

1______

т

Рис. 1. Блок-схема экстремального регулятора.

Блок-схема регулятора с запоминанием экстремума представлена на рис. 1, где:

I — датчик излучения: 1—ионизационная камера с рентгеномет-•ром «Кактус»; 2 — усилительное устройство для преобразования постоянного напряжения сигнала в высокочастотное напряжение.

II — двухканальное устройство преобразования информации: 3 — усилитель .переменного тока с пиковыми детекторами; 4 — интеграторы; 5 — схема сравнения; 6 — схема поиска и слежения; 7—8 — устройство оперативной памяти.

III — канал синхронизации: 9—модулятор поджигающих импульсов; 10 — схема инжекции.

IV — объект регулирования — бетатрон.

Датчик излучения — I служит для преобразования импульсов излучения в высокочастотное напряжение, амплитуда которого пропорциональна интенсивности излучения.

Двухканальное устройство преобразования 'информации — II предназначено для обработки информации, (поступающей по каналам, и выделения сигнала ошибки, управляющего цепями синхронизации.

Канал синхронизации служит для синхронизации электронной управляющей схемы с магнитным полем бетатрона. Принцип действия экстремум-регулятора состоит в следующем.

При работе регулятора в режиме поиска максимального значения интенсивности излучения напряжения на выходах пиковых детекторов точно следуют за изменением интенсивности излучения, причем скорость нарастания напряжения текущей координаты (пик-детектор 4) выше, чем опорной (пик-детектор 4). Благодаря этому полярность сигнала-рассогласования при принятой фазировке дифференциального усилителя — 5 остается отрицательной. Таким образом, движение импульса инжекции по оси фаз к .максимуму интенсивности излучения замедляется с ростом отрицательного сигнала рассогласования.

При достижении экстремума оперативная память отключается (оперативная память реагирует только на изменение амплитуды импульса интенсивности излучения), величина сигнала рассогласования уменьшается, тем самым изменяя скорость сканирования импульса инжекции по оси фаз.

Каскад сканирования (поиск) переводится в режим усилителя постоянного тока с медленно меняющимся выходным напряжением, в результате чего фаза импульса инжекции колеблется вокруг экстремума (¿j).

(н+li) от н ед

В случае резкого уменьшения интенсивности излучения, например, вследствие резкого увеличения напряжения на магните, напряжение интегратора опорной координаты остается практически постоянным,

t

Рис. 2, График изменения напряжений на интеграторах текущей и опорной координат.

тогда как на интеграторе текущей координаты оно резко уменьшается (/2) - Сигнал рассогласования при этом становится положительным, и импульс инжекции перемещается с увеличенной скоростью в сторону уменьшения величины фазы.

Аналогичный процесс наблюдается при уменьшении напряжения питающей сети. Эпюры напряжений на интеграторах текущей <и опорной координат иллюстрируются графиками рис. 2, где: 1 — напряжение на интеграторе опорной координаты; 2 — напряжение на интеграторе текущей 'координаты.

Изменения напряжений на -интеграторах текущей и опорной координат в момент времени ¿2 соответствуют такому увеличению напряжения на магните, при котором интенсивность излучения падает до нуля.

Момент времени и соответствует значению интенсивности излучения при новом установившемся напряжении на магните. Эпюры напряжений в 'момент времени ¿4 соответствуют пониженному напряжению на магните бетатрона.

К вопросу о выборе скорости сканирования

*

При проектировании экстремум-регулятора необходимо определить начальную скорость сканирования импульса инжекции при движении последнего по оси фаз.

__ /

~ —/-7-'

¿/С-г 1 - ¿К

где с — скорость сканирования; ср^ь — соответственно зна-

чения фазы импульса инжекции и временного интервала между импульсами инжекции через период питающего напряжения.

Обозначим через в величину сдвига фазы на один импульс инжекции

в = 9Л+1 — <?«,

тогда приращение интенсивности излучения

А/

Выбираем линейную развертку с постоянной скоростью сканирования, т. е. непрерывным принудительным изменением фазы импульса инжекции. Из выражения (8) следует, что приращение интенсивности излучения на каждый импульс инжекции постоянной амплитуды является функцией 3 переменных

А/= /

или

Д/шах = тах/

где А/тах — максимальное значение приращения интенсивности излучения между двумя импульсами инжекции.

Из экспериментально полученных характеристик / = /(<?«) для данного ускорителя выбираем в области расположения главного экстремума точки ук с наибольшей производной. В этой области

Д/тах>е,

где е — величина, равная погрешности измерительного прибора.

В конкретной реализации регулятора в качестве измерительного устройства использован рентгенометр „Кактус", погрешность кото-

рого 10%. Таким образом, в области главного максимума на кривой рис. 3 откладываем участок 0,1 /тах по оси ^ординат и, проектируя точки на ось фаз, получаем максимальное значение вшах.

J отн. e¿.

Рис. 3. Зависимость интенсивности излучения бетатрона от фазы инжекции.

Если учесть возможные достижимые напряжения на инжекторе, то для данного ускорителя имеем значение — ©шах, при этом время полного пробега всех возможных значений фаз от 0 до ?тах составляет

¿ = (12) А

^max

у-

где Т — период повторения импульсов инжекции.

Экстремум-регулятор с непрерывным принудительным изменением фазы импульса инжекции с запоминанием максимального значения интенсивности излучения был проверен на бетатронах с максимальной энергией ускоренных электронов 15 и 30 Мэв. Результаты экспериментальной проверки оказались несколько неожиданными: регулятор с «оперативной памятью» поддерживал интенсивность излучения, более чем в 2 раза превосходящую значение, достижимое при ручной подстройке импульса ¡инжекции на оптимальное значение при прочих равных условиях. Коэффициент спадания магнитного поля в опыте составлял 0,68.

Электронные схемы двух вариантов экстремум-регуляторов, их обсуждение и результаты экспериментальных исследований будут даны в следующих работах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Е. М. Белов, В. Н. Титов. Устройство для регулирования интенсивности гамма-излучения бетатрона. Авторское свидетельство № 140 505.

2. Е. М. Белов, И. Э. Н а а ц. Экстремальный регулятор интенсивности гамма-излучения. Авторское свидетельство № 141 912.

3.Е. М. Белов, В. Н. Титов. Стабилизатор интенсивности гамма-излучения бетатрона. Известия вузов, раздел радиотехника, № 1, 1960.

4. В. М. Разин. Стабилизация излучения бетатрона. Известия Томского политехнического института, т. 87, 1957.