УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОТОННОГО ПУЧКА СИНХРОЦИКЛОТРОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ С- ЭЛЕКТРОДА

Полезная модель относится к ускорительной технике и предназначена для стабилизации интенсивности протонного пучка синхроциклотрона в каждом импульсе его работы с использованием С-электрода.
Обеспечение стабильности интенсивности синхроциклотрона важно при проведении отдельных физических исследований, испытаний на радиационную стойкость нано-структур радиоэлектроники и особенно важно при проведении лечения больных (эктомия гипофиза, мальформации головного мозга, онкоофтальмологические заболевания и т.п.).
В качестве устройства - аналога выбрано устройство стабилизации интенсивности синхроциклотрона, предложенное для синхроциклотрона 680 МэВ в Дубне, Россия и описанное в работе: (В.И.Данилов и др. «О возможности стабилизации интенсивности синхроциклотрона». Препринт ОИЯИ Р-2341, 1965, Дубна) [1].
Устройство - аналог содержит измеритель-интегратор средней интенсивности протонного пучка, цепь обратной связи и регулятор интенсивности, в качестве которого используются пластины фокусирующего электрода ионного источника синхроциклотрона. Измеритель-интегратор через цепь отрицательной обратной связи подсоединен непосредственно к пластинам фокусирующего электрода ионного источника, находящегося в центре магнита синхроциклотрона.
Работа аналога основана на классическом способе стабилизации средней величины любого параметра объекта по принципу введения отрицательной обратной связи между стабилизируемым параметром и регулятором.
В аналоге в интеграторе-измерителе средней интенсивности пучка вырабатывается сигнал рассогласования (ошибки) между реальной величиной средней интенсивности синхроциклотрона и опорным напряжением. Этот сигнал в качестве сигнала обратной связи воздействует на регулятор интенсивности - фокусирующий электрод, обеспечивая тем самым стабилизацию средней величины интенсивности синхроциклотрона.
Недостатком устройства - аналога является то, что оно обеспечивает стабилизацию только средней величины интенсивности и не может обеспечить стабилизацию интенсивности в каждом отдельном импульсе пучка синхроциклотрона, а также невысокая стабильность и сложность устройства.
В качестве прототипа выбрано «Устройство для растяжки во времени пучка синхроциклотрона с использованием C-электрода» (А.С. N 370901 А.В.Куликов, Н.Н.Чернов) [2],
Устройство - прототип состоит из дуанта, C-электрода, генератора растяжки пучка, генератора вертикального сброса пучка, блоков для управления и синхронизации работы этих генераторов и общего блока их коммутации. Причем, входы каждого их этих генераторов через блоки управления-синхронизации подключены к дуанту и образуют цепи запуска каждого из генераторов. Выходы каждого из генераторов через блок их коммутации подключены к пластинам С-электрода для подачи на него напряжения, воздействующего на ускоряемый пучок.
Рассмотрим работу прототипа.
Известно, что синхроциклотроны ускоряют при помощи дуанта протоны до высоких энергий в виде отдельных временных импульсов, следующих с частотой модуляции ускорительных циклов работы синхроциклотрона. Различают интенсивность в импульсе и среднюю интенсивность за длительный промежуток времени работы ускорителя. С-электрод предназначен для электростатического воздействия на ускоряемый пучок и обеспечения, как временной длительности (растяжки) и вывода каждого импульса пучка синхроциклотрона из камеры ускорителя на внешнюю мишень, так и для вертикального сброса их на внутреннюю мишень или поглотитель.
Устройство-прототип работает следующим образом. При включении генератора растяжки на пластины C-электрода подается синфазное ВЧ-напряжение и протоны доускоряются C-электродом и выводятся из камеры ускорителя в виде растянутого во времени пучка. При включении генератора сброса на пластины C-электрода подается разнополярный высоковольтный импульс и протоны отклоняются по вертикали и попадают на внутреннюю мишень или поглотитель, выбывая из выведенного пучка. Каждый из этих генераторов связан с дуантом синхроциклотрона своей отдельной цепью запуска, включающей в себя блоки управления и синхронизации, при помощи которых каждый из генераторов может включаться в нужный момент ускорительного цикла работы синхроциклотрона, т.е. при нужном расположении ускоряемого сгустка относительно C-электрода.
Важно отметить, что генераторы растяжки и сброса не связаны между собой по цепям запуска и каждый из них работает по собственной временной программе, задаваемой оператором с пульта управления синхроциклотроном.
Такое устройство-прототип постоянно работает на синхроциклотроне 1000 МэВ Санкт-Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова, Курчатовского института (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.) [3].
Недостатком устройства - прототипа является то, что работа генераторов растяжки и сброса не связаны между собой, вследствие чего стабилизация интенсивности достигается путем стабилизации параметров всех блоков по отдельности, входящих в устройство-прототип. Причем качество такой средней стабилизации невысокое и не в состоянии учитывать все возможные факторы влияния на стабильность пучка синхроциклотрона (например, нестабильность работы плазменного ионного источника, отличие частотных программ отдельных циклов ускорения из-за разброса геометрии лопаток вариатора синхроциклотрона и другие).
Основной недостаток прототипа: устройство может стабилизировать только среднюю величину интенсивности и не способно обеспечивать стабилизацию каждого отдельного импульса интенсивности.
Задача изобретения - создание такого устройства для стабилизации интенсивности протонного пучка синхроциклотрона с использованием С-электрода, которое обеспечивает с высокой точностью стабилизацию не только средней величины интенсивности, но и стабилизацию в каждом отдельном импульсе его работы, т.е. стабилизацию импульсной интенсивности синхроциклотрона.
Технический эффект заключается в том, что в устройство-прототип вводятся дополнительно новые составные элементы (радио-технические блоки) и вводятся новые связи, в результате чего генератор растяжки и генератор сброса объединяются в единое функционально новое устройство, обеспечивающее стабилизацию как средней, так и импульсной величины интенсивности пучка.
Положительный эффект достигается тем, что в устройство для стабилизации интенсивности протонного пучка синхроциклотрона с использованием С-электрода, включающее дуант, генератор растяжки пучка, генератор вертикального сброса пучка, блоки управления и синхронизации этих генераторов, а так же блок коммутации, причем входы каждого из генераторов через блоки управления и синхронизации связаны с дуантом и образуют цепи запуска обеих генераторов соответственно, а выходы каждого из генераторов через блок коммутации подсоединены к пластинам C-электрода, вновь введены блок измерения-преобразования интенсивности пучка и блок временной задержки, включенный в разрыв цепи запуска генератора вертикального сброса пучка, причем блок измерения-преобразования содержит монитор, задатчик интенсивности, блок сравнения и преобразователь аналогового сигнала во временной, выход которого связан со входом управления блока временной задержки.
Сущность предлагаемого устройства поясняется фигурой 1а, б, где 1а - схема устройства вид сбоку, 1б - вид сверху.
1 - Вакуумная камера синхроциклотрона.
2 - Дуант.
3 - C-электрод, состоящий из двух пластин.
4. Ускоряемый сгусток потонов.
5 - Схематическое изображение выводного канала.
6 - Генератор растяжки пучка и вывода его из камеры ускорителя по направлению 11.
7 - Генератор вертикального сброса пучка на внутреннюю мишень-поглотитель пучка (на схеме мишень-поглотитель не показаны).
8 - Блок коммутации для подключения генераторов 6 и 7 к пластинам С-электрода 3.
9 - Цепь запуска генератора растяжки 6 и блок запуска-синхронизации его с дуантом 2.
10 - Цепь запуска генератора сброса 7 и блок запуска-синхронизации его с дуантом 2.
11 - Направление вывода из ускорителя стабильного пучка.
12 - Блок измерения-преобразования интенсивности пучка в сигнал ошибки рассогласования.
13 - Блок временной задержки, включенный в цепь 10 запуска генератора сброса 7.
14 - Монитор-измеритель интенсивности пучка.
15 - Задатчик величины стабильной интенсивности.
16 - Блок сравнения.
17 - Блок-преобразователь аналогового сигнала во временной
На Фиг. 1 введены следующие обозначения
O - центр симметрии магнитного поля синхроциклотрона
XYZ - система координат
OYX - медианная плоскость ускорителя
R - радиус ускорения.
Предлагаемое устройство состоит из находящихся в вакуумной камере 1 дуанта - 2, C-электрода 3 и двух генераторов: генератора 6 растяжки пучка и вывода его из камеры ускорителя по направлению 11 и генератора 7 вертикального сброса пучка на внутреннюю мишень-поглотитель пучка. Выходные цепи обеих генераторов 6 и 7 через общий блок коммутаций 8 подключены к пластинам C-электрода 3. Входные цепи обеих генераторов 6 и 7 через собственные блоки запуска- синхронизации 9, 10 подключены к дуанту 2.
В устройство вновь введены: блок измерения и преобразования интенсивности пучка 12 и блок временной задержки 13.
Блок измерения-преобразования интенсивности пучка 12 компануется по стандартной схеме принципа отрицательной обратной связи и, в свою очередь, состоит из монитора 14 - (измерителя интенсивности протонного пучка), задатчика интенсивности 15 - (опора), блока сравнения 16 - (выделение ошибки рассогласования) и преобразователя аналогового сигнала во временной 17. Выход этого преобразователя 17 - (выход сигнала обратной связи) подсоединен к управляемому входу блока задержки 13.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Ускоряемый дуантом 2 сгусток (банч) протонов 4 при увеличении своей энергии движется по спирали и увеличивает свой радиус К. При максимальной энергии сгусток 4 достигает радиуса С-электрода 3 и вращается между его пластинами. В этот момент программно может включаться либо генератор растяжки 6 и пучок 4 через канал 5 выводится из камеры ускорителя 1 по направлению 11, либо может включаться генератор вертикального сброса пучка 7 и тогда пучок 4 отклоняется вертикально вверх и попадает на внутреннюю мишень-поглотитель (на схеме не показаны). Генератор растяжки 6 и генератор сброса пучка 7 связаны с дуантом 2 собственными цепями запуска и временной синхронизации. С помощью блоков в этих цепях 9 и 10 производится определение положения сгустка 4 по радиусу и углу (фазе) относительно C-электрода, которое зависит от значения ускоряющей частоты ВЧ-программы дуанта 2 и в нужный момент каждого цикла ускорения пучка вырабатываются сигналы на включение генераторов 6 и 7.
Важно отметить, что за время длительности каждого импульса пучка одна его часть может быть выведена из ускорителя (при этом включается и работает генератор растяжки 6), а оставшаяся часть может быть отклонена вверх на мишень-поглотитель (при этом включается и работает генератор сброса 7).
Стабилизация импульсной интенсивности пучка синхроциклотрона в предлагаемом устройстве производится следующим образом.
В устройство вновь введен блок измерения-преобразования интенсивности пучка 12. Выведенный из ускорителя пучок «проходит» через монитор 14, где происходит измерение интенсивности пучка (мониторирование) и вырабатывается сигнал (напряжение) пропорциональный интенсивности пучка в импульсе. Этот сигнал сравнивается в блоке 16 с опорным сигналом задатчика 15 и вырабатывается сигнал рассогласования (ошибки), пропорциональный величине отклонения интенсивности от установленной задатчиком опорной величины. Сигнал рассогласования преобразовывается в блоке 17 в интервал временной длительности и поступает в блок задержки 13. Блок задержки 13 сдвигает момент включения генератора сброса пучка 7 в сторону его увеличения или уменьшения для автоматического поддержания величины интенсивности пучка 11 стабильной. Тем самым реализуется принцип отрицательной обратной связи, приводящий к пропорциональной стабилизации интенсивности по величине ошибки ее рассогласования от установленной задатчиком 15 величины в каждом импульсе работы синхроциклотрона. При этом функцию управляемого регулятора интенсивности исполняет генератор вертикального сброса 7, управляемый «самим пучком» 11.
Таким образом, в предлагаемом устройстве генератор растяжки 6 и генератор сброса 7 становятся не независимыми устройствами (по прототипу), а связанными друг с другом через цепь обратной связи по величине интенсивности пучка синхроциклотрона. Эта связь в предлагаемом устройстве реализована путем добавления блока измерения-преобразования интенсивности пучка в сигнал рассогласования 12 и включением блока задержки 13 в цепь запуска 10 между дуантом 2 и генератором 7.
По существу работы предлагаемого устройства генератор растяжки 6 «выводит» ускоренные протоны из ускорителя, а генератор сброса 7 «следит» за величиной интенсивности протонов в импульсе и при отклонении ее от заданной стабильной величины либо сбрасывает «излишек» протонов на поглотитель, либо увеличивает время работы генератора растяжки 6, поддерживая тем самым постоянной величину интенсивности в каждом отдельном импульсе работы синхроциклотрона.
Преимущество предлагаемого устройства выгодно отличает его от прототипа и всех известных аналогичных ему устройств.
Предлагаемое устройство стабилизации импульсной интенсивности пучка синхроциклотрона прошло макетные испытания в ФГБУ «ПИЯФ» КИ на синхроциклотроне 1000 МэВ, ведутся работы по внедрению его в постоянную эксплуатацию.
Литература
1. В.И. Данилов и др. «О возможности стабилизации интенсивности синхроциклотрона». Препринт ОИЯИ Р-2341, 1965, Дубна.
2. А.В. Куликов, Н.Н. Чернов. «Устройство для растяжки во времени пучка синхроциклотрона». А.С. N 370901 - прототип.
3. Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.