О некоторых направлениях дальнейшей автоматизации бетатронов

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 155 1968

О НЕКОТОРЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ДАЛЬНЕЙШЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ БЕТАТРОНОВ

В. м. РАЗИН, Н. я. МАКАРОВ

Широкое внедрение бетатронов в промышленность поставило ряд новых задач по дальнейшему их совершенствованию, по разработке новых режимов работы ускорителелей и, в частности, более полной автоматизации процессов ускорения электронов.

Основным процессом, который в значительной степени определяет эффективность работы бетатрона'—величину полученного тока высоко-энергетичесиих электронов и связанную с ним интенсивность излучения— является процесс захвата электронов'в ускорение.

Ниже рассматриваются некоторые вопросы дальнейшей автоматизации этой части процесса ускорения электронов.

Основным регулирующим параметром является фаза инжекции, т. е. момент подачи электронов в камеру бетатрона, а регулируемым параметром — интенсивность гамма-излучения [1]. По характеру работы бетапрон представляет собой дискретную автоматическую систему с время-импульсной (фазо-импульсной) модуляцией входного параметра. При указанном выше выборе входного и выходного параметров бетатрон ведет себя как безынерционный объект регулирования.

Одним из основных режимов работы ускорителя является режим поддержания с высокой точностью интенсивности излучения на определенном, заданном уровне.

Анализ работы применяемых на бетатронах систем' стабилизации интенсивности показывает, что они в некоторой степени не удовлетворяют требованиям производства. Точность поддержания постоянного значения интенсивности на уровне 0,7 от максимума колеблется около 2%. Эти параметры системь! стабилизации не являются оптимальными.

Основным дестабилизирующим фактором (внешним возмущающим воздействием) является колебание питающего напряжения [2], незначительные изменения которого приводят к резкому изменению оптимальных условий захвата электронов в ускорение. В этих условиях наиболее эффективными могут быть комбинированные системы, использующие в качестве рабочей информации одновременно как сигналы отклонений регулируемой величины, так и сигналы возмущающих воздействий. Такие системы регулирования для бетатронов могут быть разработаны по одному из принципов, рассмотренных в [2].

За счет повышенного количества рабочей информации в комбинированных системах стабилизации при соответствующих условиях получается более высокая точность управления [3].

В процессе работы от бетатрона часто требуется получать и максимальную интенсивность излучения. Наиболее эффективно это можно осуществить автоматическим путем. В качестве регулирующего параметра также выбирается фаза инжекции. Зависимость интенсивности излучения бетатрона от фазы инжекции имеет резко выраженный экстремальный характер и в процессе работы изменяется по случайному закону.

В этих условиях задача достижения максимальной производительности ускорителя может быть решена с помощью самонастраивающихся систем автоматического регулирования (СЭР).

Необходимость осуществления режима экстремального регулирования вытекает из самого характера работы объекта. Интенсивность излучения зависит от многих параметров [2], которые непрерывно подвергаются внешним воздействиям, имеющим совершенно нерегулярный характер изменения во времени. Обеспечение необходимой помехоустойчивости системы регулирования является основным фактором, определяющим (быстродействие и эффективность системы.

Проведенный для бетатрона на 30 Мэв амплитудный статистический анализ импульсов с датчика излучения (ФЭУ) показывает изменение интенсивности от цикла к циклу около 14% от средней величины амплитуды импульсов.

Случайный характер таких флуктуаций позволяет рассматривать их как помеху, поступающую наряду с полезным сигналом на вход СЭР.

В этих условиях более эффективное регулирование, как и в режиме стабилизации* интенсивности, могут обеспечить комбинированные СЭР, позволяющие наилучшим образом добиться независимости регулируемой величины от .внешних условий [3].

На рис. 1 приведена функциональная схема одного из возможных ьариантов комбинированной СЭР интенсивности излучения бетатрона.

Рис. 1. Функциональная схема комбинированной системы эстремального регулирования интенсивности излучения бетатрона.

1 — объект регулирования — бетатрон; 2 — датчик измерения — ФЭУ; 3 — ключ; 4 — командное устройство; 5 — схема поиска; 6 — схема слежения; 7 — генератор пилообразного напряжения; •8 — функциональный преобразователь; 9 — дат-ч чик измерения возмущения; 10 — управляющее

устройство компенсации; I — интенсивность излучения; ф—фаза инжекции.

Рис. 2. Структурная схема.

Командное устройство 4 запускает генератор пилообразного напряжения 7. Сигнал, пропорциональный величине интенсивности излучения/, полученной с датчика ФЭУ 2, через ключ 3 поступает на схему поиска 5. Максимальное значение / фиксируется специальным «запоминающим» устройством. В режиме слежения после перехода через максимум текущее значение / сравнивается с ее экстремальным значенйем, и, когда разность.б — /тах •—/-достигает определенного значения — , происходит реверс направления изменения I и запоминание снимается. В дальнейшем процесс повторяется. Датчик 9 и управляющее устройство 10 через функциональный преобразователь 8 позволяют осуществить эффективную компенсацию изменения внешнего воздействия.

Аналитический расчет систем экстремального регулирования, особенно с учетом влияния помех, представляет значительные трудности. Однако использование для расчетов вычислительных устройств позволяет сравнительно полно и в короткие сроки исследовать задачи оптимизации параметров системы уже на первой стадии проектирования [4].

На рис. 2 представлена структурная схема модели одного из возможных вариантов экстремального регулирования интенсивности, разработанная на основе аналоговой электронной модели МН-7.

Усредненная характеристика объекта, которая отражает его динамические свойства в модели, представлена отдельными линейными отрезками. Погрешность аппроксимации не превышает 5%, в области максимума— не более 1%

Сравниваемые каналы моделируются двумя функциональными усилителями 4 и 12. Электрические импульсы в данной схеме получаются с помощью реле Р0 на выходе усилителя 17, управляемого напряжением 100 в через контакт 1 «гц» модели.

Детектор сравнения совпадает по форме с реальным детектором, но имеет постоянные заряда и разряда емкостей С\ и С2) согласованные с масштабом времени.

Разностное напряжение с выхода детектора интегрируется усилителем 5, который непосредственно моделирует интегратор регулятора.

Усилители 9, 11,2 и 3 необходимы для осуществления обратной связи на регулируемый объект.

На вход решающего усилителя 9, наряду с полезным сигналом с усилителя 5, поступает также напряжение помех с генератора нормального шума.

Применение описанной электронной модели позволяет исследовать при наличии случайных помех влияние отдельных параметров регулятора на время поиска, а также на точность поддержания максимальной интенсивности излучения бетатрона.

I ЛИТЕРАТУРА

1. Д. М. А н а н ь е в, А. А. Воробьев, В. И. Горбунов. Индукционный ускоритель электронов— бетатрон, Атомиздат, 1961.

2. В. М. Разин. Стабилизация излучения бетатрона, Известия Томского политехнического института, т. 87, 206—215, 1957.

3. А. Г. Ивахненко. Элементы общей теории комбинированных кибернетических систем, Автоматика, № 1, 1958.

4. Б. Я. Коган. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования, Физматгиз, 1959.