ФОКУСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИНХРОЦИКЛОТРОНА

Полезная модель относится к ускорительной технике, непосредственно к фокусирующему устройству синхроциклотрона, предназначенного для формирования сгустка (банча) протонов из газового разряда ионного источника типа Пеннинга для его дальнейшего ускорения дуантом и обеспечения авторегулирования и стабилизации интенсивности синхроциклотрона.
Систему, состоящую из дуанта, ионного источника типа Пеннинга и окружающих ее фокусирующих электродов с блоками их питания, называют фокусирующим устройством синхроциклотрона. Дуга (плазма) газового разряда Пеннинга находится в центре магнитного поля синхроциклотрона между дуантом и системой электродов различной конфигурации, на которые подаются электрические потенциалы различной величины и полярности. Фокусирующее устройство обеспечивает электростатическую фокусировку в центре и служит для формирования начального сгустка (банча) ускоряемых протонов [1] (Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 11-13 октября 1978, Москва, 1979, т. 1, с. 277-280).
В качестве аналогов выбраны фокусирующие устройства синхроциклотрона (фазотрона) на энергию протонов 600 МэВ в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) [2] (Препринт ОИЯИ, Р. 1853, Дубна, 1964 г.) и фокусирующее устройство самого большого в мире синхроциклотрона на энергию 1000 МэВ в Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ) [3] (АС №743243). В устройствах-аналогах используются ионные источники типа Пеннинга с различными конфигурациями и различным расположением электродов вокруг плазменной дуги газового разряда и различными системами электропитания фокусирующих электродов.
Так, например, в фокусирующем устройстве [2] используется один боковой электрод полукруглой формы с отрицательным потенциалом, а в фокусирующем устройстве [3] используется центральный электрод вытянутой эллипсоидальной формы с импульсным положительным потенциалом и боковой электрод полукруглой формы с отрицательным потенциалом.
Независимо от той или иной конфигурации электродов, фокусирующие устройства-аналоги работают следующим образом: за счет подключения электродов к блокам их электропитания вокруг плазменной дуги ионного источника создается фокусирующее электростатическое поле, компенсирующее действие расталкивающих сил Кулона протонов в сгустке, что приводит к увеличению числа захваченных протонов в режим их дальнейшего ускорения дуантом, то есть увеличивается интенсивность синхроциклотрона.
Недостатком аналогов является то, что они не обеспечивают авторегулирование и стабилизацию интенсивности ускорителя.
В качестве прототипа рассмотрено фокусирующее устройство синхроциклотрона [4] (Патент на полезную модель №136669).
Фокусирующее устройство-прототип состоит из дуанта, источника протонов типа Пеннинга с системой фокусирующих центрального и бокового электродов и дефлектора из двух полуколец (пластин), расположенных в центральной области ускорителя. Дуант, источник протонов, электроды подсоединены к соответствующим блокам их питания, а пластины дефлектора подключены к разнополярным выходам генератора радиоимпульсов, причем вход генератора радиоимпульсов подключен по цепи синхронизации к дуанту.
Устройство-прототип работает следующим образом. На дуант, ионный источник, фокусирующие электроды подаются соответствующие напряжения. В результате совместного действия всех электродов фокусирующего устройства-прототипа в центральной области ускорителя создается электрическое поле, которое фокусирует протоны в вертикальном направлении к медианной плоскости магнитного поля ускорителя и формирует сгусток протонов, который ускоряется дуантом и, увеличивая радиус ускорения, занимает положение между пластинами дефлектора. В этот момент включается генератор радиоимпульсов, синхронизованный с ВЧ программой ускоряющего напряжения дуанта при помощи цепи запуска - синхронизации генератора с дуантом. Частота заполнения радиоимпульса выбирается равной частоте вертикальных бетатронных колебаний протонов в сгустке, поэтому электрическое поле между пластинами дефлектора приводит к резонансной вертикальной раскачке части протонов в сгустке, и они выбывают из дальнейшего ускорения.
В результате совместного действия всех электродов и дефлектора формируется окончательный сгусток протонов с определенными размерами (эмиттансами) по вертикали и радиусу и с определенным числом протонов в единицу времени при каждом цикле работы ускорителя. Это число протонов определяется режимом работы и величинами напряжения блоков питания всех электродов фокусирующего устройства, которые задаются в ручном (стационарном) режиме работы синхроциклотрона.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности во время проведения экспериментов или облучения больных автоматически обеспечивать необходимое, заданное потребителем, количество протонов в единицу времени. То есть отсутствуют возможности использования прототипа в режиме авторегулирования и стабилизации интенсивности пучка синхроциклотрона. Этот недостаток ограничивает возможности использования пучка синхроциклотрона.
Поясним этот недостаток подробно. В зависимости от задач, потребителями может использоваться как выведенный из ускорителя наружу пучок протонов, так и внутренний пучок, когда мишень или облучаемый образец находится внутри вакуумной камеры самого ускорителя. В том и другом случае необходимо обеспечить режим авторегулирования интенсивности синхроциклотрона, при котором во время эксперимента по заданному закону происходит автоматическое изменение количества протонов в единицу времени или ее стабилизация, требуемые для проведения эксперимента. Это важно при проведении отдельных физических исследований или испытаний и, особенно, при проведении лечения больных, когда требуется автоматическое изменение величины интенсивности при сканировании пучком различных участков опухоли [5] (B.C. Хорошков «Эволюция технологий лучевой терапии: от рентгена к адронам». Ядерная физика, 2006, №10, с. 1760-1779).
В принципе, кроме фокусирующего устройства потенциальной возможностью работы в режиме авторегулирования и стабилизации могут обладать и другие устройства синхроциклотрона. Например, его ВЧ ускоряющая система дуанта, система автоколлимации пучка, системы электростатического и электромагнитного отклонения и вывода, С-электрод для растяжки пучка и т.п. При этом известно, что принцип авторегулирования [6] (В.А. Бесекерский «Теория систем автоматического управления», Санкт-Петербург, «Профессия», 2007), применительно к авторегулированию интенсивности синхроциклотрона, заключается в силовом электромагнитном воздействии на ускоряемый пучок протонов при помощи любого из этих устройств, которые являются регулятором интенсивности, и по принципу отрицательной обратной связи могут быть функционально связаны с величиной интенсивности пучка. При этом в процессе авторегулирования происходит обязательная (необходимая) потеря «лишней» части ускоряемых частиц, которые «сбрасываются» на конструктивные элементы устройства, производя радиационную активацию (загрязнение) ускорителя. Так как энергия протонов увеличивается с ростом радиуса их ускорения, то возрастает величина требуемого силового воздействия и увеличивается активация ускорителя.
Минимально возможное силовое воздействие и радиационное загрязнение происходит в центре ускорителя, то есть в случае, если авторегулирование будет осуществляться в самом фокусирующем устройстве, где энергия протонов еще очень мала. Поэтому целесообразно проводить авторегулирование и стабилизацию в фокусирующем устройстве.
Отметим также, что в случае использования внутреннего пучка синхроциклотрона при энергиях, меньших его максимального значения, и расположения внутренней мишени на малых радиусах необходимо, чтобы соответствующее устройство для осуществления процесса авторегулирования располагалось также на радиусах, меньших радиуса расположения мишени. И таким единственным устройством синхроциклотрона из вышеперечисленных для потенциальной возможности осуществления процесса авторегулирования является только фокусирующее устройство.
Отметим также, что в принципе, авторегулятором может быть использован и ионный источник Пеннинга, «инжектирующий» протоны практически с нулевой энергией. Однако, из-за инерционности и нестабильности, связанной с подачей в него газовой смеси водорода, использование его с целью авторегулирования нецелесообразно.
Технический результат полезной модели заключается в создании такого фокусирующего устройства синхроциклотрона, которое осуществляет не только формирование размеров (эмиттансов) ускоряемого сгустка, но и обеспечивает изменяемое или постоянное количество протонов в единицу времени протонного пучка во время проведения эксперимента, то есть обеспечивает авторегулирование или стабилизацию интенсивности протонного пучка синхроциклотрона, что расширяет возможности использования пучка синхроциклотрона.
Для этого введена функциональная связь между интенсивностью внутреннего и выведенного пучка и режимом работы фокусирующего устройства, что и приводит к возможности использования фокусирующего устройства для авторегулирования по заданной программе изменения величины интенсивности или ее стабилизации в процессе проведения эксперимента и облучения больных.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, включающем дуант, источник протонов типа Пеннинга с системой фокусирующих центральных и бокового электродов, дефлектор в виде двух полуколец с подключенным к ним генератором радиоимпульсов и цепи его запуска и синхронизации с дуантом, новым является то, что дополнительно введены измерители интенсивности внутреннего и выведенного протонного пучка (мониторы), обеспечивающие получение аналогового сигнала, пропорционального интенсивности пучка, переключатель работы мониторов, узел преобразования величины сигнала интенсивности пучка в сигнал «ошибки рассогласования» и блок временной задержки. Узел преобразования величины сигнала интенсивности пучка в сигнал «ошибки рассогласования» состоит из блока задатчика-программатора величины интенсивности, блока сравнения, блока перевода аналогового сигнала во временной, причем один вход переключателя работы мониторов связан с измерителем интенсивности внутреннего пучка, а другой вход с измерителем интенсивности выведенного пучка, а выход переключателя работы мониторов связан с входом блока сравнения, а выход блока перевода аналогового сигнала во временной связан с блоком временной задержки, который включен в разрыв цепи запуска и синхронизации генератора радиоимпульсов.
Сущность предлагаемого устройства поясняется фигурами 1а и 1б, где 1а - схема устройства, вид сбоку, 1б - вид сверху.
1. Вакуумная камера синхроциклотрона.
2. Дуант.
3. Ионный источник типа Пеннинга с центральными фокусирующими электродами.
4. Боковой фокусирующий электрод.
5. Пластины дефлектора в виде полуколец.
6. Генератор радиоимпульсов, подключенный к пластинам дефлектора 5.
7. Цепь запуска и синхронизации генератора радиоимпульсов 6 с дуантом 2.
8. Положение и размер ускоряемого сгустка протонов в момент подачи радиоимпульса. Заштрихованная часть сгустка - протоны, подвергающиеся воздействию дефлектора и выбывающие из ускоряемого сгустка в процессе автостабилизации.
9. Положение и размер сгустка протонов после авторегулятора, продолжающего дальнейшее ускорение.
10. Выведенный сгусток протонов из камеры синхроциклотрона 1.
11. Схематическое изображение выводного канала.
12А Измеритель интенсивности (монитор) внутреннего пучка.
12Б Измеритель интенсивности (монитор) выведенного пучка.
13. Переключатель работы мониторов 12А или 12Б.
14. Узел преобразования величины сигнала интенсивности пучка в сигнал «ошибки рассогласования».
15. Блок задатчик-программатор величины интенсивности (опора).
16. Блок сравнения.
17. Блок перевода аналогового сигнала во временной.
18. Блок временной задержки, включенный в цепь 7 запуска генератора радиоимпульса 6.
На фиг. 1 введены следующие обозначения:
О - центр симметрии магнитного поля синхроциклотрона;
XYZ - система координат;
OXY - медианная плоскость магнитного поля ускорителя;
R - радиус ускорения сгустка;
А - точка подключения к переключателю 13 монитора внутреннего пучка 12А;
Б - точка подключения к переключателю 13 монитора выведенного пучка 12Б.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из находящихся в вакуумной камере 1 дуанта 2, источника протонов типа Пеннинга с центральными фокусирующими электродами 3 и бокового фокусирующего электрода 4 с блоками их питания (схема крепления электродов и блоки питания не показаны). В устройство так же входят дефлектор в виде двух полуколец 5 и генератор радиоимпульсов 6, причем частота заполнения радиоимпульсов равна частоте бетатронных вертикальных колебаний протонов в ускоряемом сгустке. Разнополярные выводы генератора 6 подключены к пластинам дефлектора 5. Вход генератора 6 подключен к дуанту 2 через цепь запуска и синхронизации 7 и блок временной задержки 18 для временной синхронизации работы генератора 6 с циклом работы и частотной ВЧ программой работы дуанта 2.
В устройство вновь введены блоки: измеритель интенсивности (монитор) внутреннего пучка 12А, измеритель интенсивности (монитор) выведенного пучка 12Б, переключатель работы мониторов 13 и узел преобразования величины сигнала интенсивности пучка в сигнал «ошибки рассогласования» 14. При этом узел 14 компануется по стандартной схеме известного принципа авторегулирования с использованием отрицательной обратной связи и состоит из блока задатчика-программатора величины интенсивности 15, блока сравнения 16 сигналов измеряемой величины интенсивности от мониторов 12А, 12Б с величиной сигнала от задатчика-программатора интенсивности 15 и блока перевода этого аналогового сигнала во временной 17, выход которого (выход сигнала обратной связи) подсоединен к управляемому входу блока задержки 18, включенному в разрыв цепи синхронизации 7 между дуантом 2 и генератором радиоимпульсов 6.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Ускоряемый дуантом 2 сгусток (банч) протонов 8 при увеличении своей энергии движется по спирали, увеличивает свой радиус и в некоторый момент времени ускорения часть сгустка занимает положение между дефлекторными пластинами 5. В этот момент программно включается генератор радиоимпульса 6, и так как частота заполнения радиоимпульса выбрана равной частоте вертикальных бетатронных колебаний протонов в сгустке, то протоны, находящиеся в заштрихованной части сгустка, подвергаются вертикальной резонансной раскачке и выбывают из дальнейшего ускорения. Генератор радиоимпульса 6 связан с дуантом 2 цепью запуска и синхронизации 7, при помощи которой он «следит» за положением сгустка протонов при движении его по радиусу, и в нужный момент каждого цикла ускорения пучка и при нахождении сгустка между пластинами дефлектора 5 вырабатывается сигнал на включение генератора радиоимпульса 6. Изменяя момент включения генератора 6, можно изменять интенсивность ускоряемого пучка, которая происходит за счет выбывания заштрихованной части протонов из ускоряемого сгустка 8. Момент включения генератора 6 происходит программно по цепи запуска и синхронизации 7, связанной с дуантом 2.
Авторегулирование и стабилизация интенсивности пучка синхроциклотрона в предлагаемом устройстве производится следующим образом. В зависимости от задач использования ускорителя переключателем 13 включается один их мониторов - внутреннего 12А или выведенного протонного пучка 12Б, в качестве которых используются известные безконтактные с пучком (прозрачные) измерители числа ускоряемых протонов в пучке [7] (В.Д. Москалев, Г.И. Сергеев «Измерение параметров пучков заряженных частиц», Энергоатомиздат, 1981).
Пучок 9 или 10 «проходит» через один из соответствующий им монитор 12А или 12Б, где происходит измерение интенсивности пучка (мониторирование) и вырабатывается аналоговый сигнал (напряжение), пропорциональный интенсивности пучка. Этот сигнал поступает в узел преобразования величины сигнала интенсивности в сигнал «ошибки рассогласования» 14, в котором сигнал величины интенсивности с одного из мониторов 12А, 12Б сравнивается в блоке сравнения 16 с опорным сигналом (напряжением) блока задатчика-программатора величины интенсивности 15, и вырабатывается сигнал рассогласования (ошибки), пропорциональный величине отклонения интенсивности от установленной задатчиком-программатором 15 опорной величины. В блоке 17 сигнал рассогласования преобразуется из аналогового во временной, то есть в интервал временной длительности, и поступает в блок временной задержки 18. Блок задержки 18, включенный в разрыв цепи запуска и синхронизации 7, сдвигает момент включения генератора радиоимпульса 6 в сторону увеличения или уменьшения количества выбывающих из сгустка протонов для автоматического поддержания заданной задатчиком-программатором интенсивности пучка. Тем самым реализуется принцип отрицательной обратной связи, приводящий к авторегулированию интенсивности по величине ошибки ее рассогласования от установленной задатчиком-программатором 15. При этом функцию управляемого регулятора интенсивности исполняет генератор радиоимпульсов 6, управляемый «самим пучком».
Таким образом, в предлагаемом устройстве генератор радиоимпульсов 6 становится не независимым устройством (по прототипу), а связанным через цепь обратной связи с величиной интенсивности пучка синхроциклотрона. Эта связь в предлагаемом устройстве реализована путем добавления новых блоков и новых функций при работе предлагаемого устройства: измерителей интенсивности (мониторов) протонного пучка 12А, 12Б, переключателя их работы 13, узла преобразования 14, состоящего из блока задатчика-программатора интенсивности 15, блока сравнения 16, блока преобразования аналогового сигнала во временной 17 и блока временной задержки 18, который включен в разрыв цепи синхронизации 7 для запуска генератора радиоимпульсов 6.
По существу работы предлагаемого устройства генератор 6 «следит» за величиной интенсивности протонного пучка синхроциклотрона и при отклонении ее от заданной величины «сбрасывает излишек» протонов из ускоряемого сгустка, поддерживая тем самым интенсивность синхроциклотрона, заданную задатчиком-программатором.
Таким образом, предлагаемое фокусирующее устройство синхроциклотрона, кроме своего прямого назначения формировать инжектируемый сгусток протонов для его дальнейшего ускорения дуантом, превращается в авторегулятор интенсивности внутреннего или выведенного пучка синхроциклотрона.
Преимущество предлагаемого устройства выгодно отличает его от прототипа и всех известных аналогичных ему устройств.
Предлагаемое фокусирующее устройство синхроциклотрона прошло макетные испытания в ФГБУ «ПИЯФ» НИЦ КИ на синхроциклотроне 1000 МэВ, ведутся работы по внедрению его в постоянную эксплуатацию.
Источники информации
1. Н.К. Абросимов, С.П. Дмитриев, А.В. Куликов и др. «Увеличение интенсивности пучка синхроциклотрона ЛИЯФ им. Б.П. Константинова АН СССР за счет улучшения электростатической фокусировки в центральной области». Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 11-13 окт., 1978; Москва, 1979, т. 1, с. 277-280.
2. В.И. Данилов, И.Б. Енчевич, Б.Н. Марченко и др. «Увеличение тока внутреннего пучка синхроциклотрона ОИЯИ введением дополнительной электростатической фокусировки». Препринт ОИЯИ, Р. 1853, Дубна, 1964 г.
3. Н.К. Абросимов, А.В. Куликов, Г.Ф. Михеев «Фокусирующее устройство синхроциклотрона» Авторское свидетельство №743243, Н05Н 13/02.
4. Иванов Е.М., Михеев Г.Ф., Покровский А.С., Рябов Г.А. «Фокусирующее устройство синхроциклотрона», Патент на полезную модель №136669.
5. B.C. Хорошков «Эволюция технологий лучевой терапии: от рентгена к адронам». Ядерная физика, 2006, №10, с. 1760-1779.
6. В.А. Бесекерский «Теория систем автоматического управления», Санкт-Петербург, «Профессия», 2007.
7. В.Д. Москалев, Г.И. Сергеев «Измерение параметров пучков заряженных частиц», Энергоатомиздат, 1981.