ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 55-60
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 621.3.038.616:621.384.6
МАГНИТОИНДУКЦИОННЫЕ МОНИТОРЫ ПУЧКА УСТАНОВКИ NESTOR © 2014 г. В. И. Троценко, В. Н. Лященко, И. М. Карнаухов, В. Е. Иващенко
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт" Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1 E-mail: vtrotsenko@kipt.kharkov.ua Поступила в редакцию 25.10.2013 г.
Описаны магнитоиндукционный монитор положения центра пучка, работающий в режиме затухающих автоколебаний, и монитор амплитуды тока пучка, работающий в импульсном режиме, установленные на канале транспортировки в кольцевой накопитель электронов Н100М установки NESTOR. Блок обработки сигналов мониторов выполнен в стандарте KAMAK с применением программируемой матрицы FPGA. Сигналы датчиков измеряются 12-битными 40-мегагерцовыми аналого-цифровыми преобразователями. Тестированием на стенде определены выражения для вычисления координат пучка X, Y в виде полиномов 3-го порядка, а также чувствительность датчиков в центре мониторов, которая для датчика тока составила 1.75 В/A, а для датчиков положения — 4.25 В/А. Конструкция мониторов, разработанная электроника и методика позволяют измерять в апертуре 24 мм положение центра пучка с точностью 7% и амплитуду тока пучка с точностью 5% при единичных импульсах тока линейного ускорителя.
DOI: 10.7868/S0032816214040235
ВВЕДЕНИЕ
Пучок для кольцевого накопителя электронов Н100М установки NESTOR [1] формируется линейным ускорителем и проводится по каналу транспортировки, состоящему из двух поворотных магнитов, ряда квадрупольных линз и корректоров. Частота импульсов тока ускорителя перестраивается в пределах 1—6 с-1, длительность импульса составляет 0.5-1.5 мкс, импульсный ток ускорителя — 15-50 мА. Чтобы эффективно выполнить инжекцию в Н100М, необходим непрерывный контроль траектории пучка с высокой точностью. Требования к точности измерения положения пучка в канале транспортировки ±100 мкм, амплитуды тока ±5%.
Оптимальным по конструкции датчиком для измерения параметров пучка является магнитоиндукционный датчик (м.и.д.). Он представляет собой катушку из проводника, помещенную вблизи пучка. В цилиндрической системе координат магнитная индукция, создаваемая пучком, имеет радиальную и угловую составляющие. В зависимости от ориентации в пространстве м.и.д. может быть чувствителен или к радиальной, или к угловой составляющей магнитной индукции пучка. В первом случае это м.и.д. радиального типа, во втором — м.и.д. углового типа.
Известен ряд публикаций по применению м.и.д., в которых для определения положения центра пучка используются мониторы положения пучка (м.п.п.). Такой монитор состоит из кольце-
вого ферромагнитного сердечника и расположенных на нем четырех катушек радиального [2, 3] или углового [4, 5] типа, ориентированных по осям X, У прямоугольной системы координат, в которой пучок движется вдоль оси Z. Электрические цепи, образованные индуктивностями, емкостями и активными сопротивлениями катушек, работают в автоколебательном [2, 3], критическом [4] или в импульсном режимах [5]. Применяемые в указанных выше и других аналогичных работах методики измерений центра тока пучка дают большие погрешности вследствие как малых отношений сигнал/шум, так и использования линейного приближения рабочих характеристик м.п.п., т.е. зависимости координат пучка от измеренных сигналов м.п.п.
Для пояснения сказанного приведем выражения, описывающие сигналы, индуцированные пучком в м.и.д. углового типа (катушка, навитая на сердечник) [6]:
>> 1) = ^ * 2п at
цMln- + 2 Y \^cos(n(<рс -ф,))sin^
_ 1 n a 2
a
(1)
r = 1)=^ X
2n at
v ln b + 2^ 1
f" un n
r, b - a
i = 1
2 n
n a
cos(n ( -Фi)) sin ni
Рис. 1. Комбинированный монитор пучка.
Выражение (1) описывает сигнал м.и.д. с ферромагнитным сердечником, (2) — с диэлектрическим сердечником. В приведенных формулах а, Ь, I — соответственно внутренний и внешний радиусы, а также длина сердечника; — относительная магнитная проницаемость; = 4я • 10-7 Гн/м — магнитная постоянная; w — количество витков катушки; I — ток пучка; ? — время; фс — угловая координата центра катушки; у — угловой размер катушки; Г1 — радиальная координата пучка; ф; — угловая координата пучка.
Как видно из (1), при использовании ферромагнитного сердечника сигнал м.и.д. содержит очень большую составляющую, связанную с цг, которая не несет информации о координате пучка, но значительно снижает точность измерений. Чтобы избавиться от этой составляющей, либо применяют встречное включение противолежащих катушек [4], что приводит к нулевому значению сигнала в центре монитора, либо вычитают сигналы противолежащих катушек, измеренные а.ц.п. с большим динамическим диапазоном при возможности длительного накопления измерений [5], чтобы достичь приемлемого отношения сигнал/шум.
В работе [6] показано, что использование линейного приближения рабочих характеристик м.п.п. при значительной нелинейности сигналов (1) и (2) м.и.д. приводит к ошибкам измерений координат пучка до 10%, даже в центральной области м.п.п.
Если вместо ферромагнитного сердечника использовать диэлектрический с = 1, то указанная проблема исчезает без применения описанных выше приемов. Датчики такого м.п.п., работая в автоколебательном режиме, имеют большие амплитуды и низкие шумы. Это позволяет получать реальные рабочие характеристики м.п.п. и находить координаты центра тока пучка с высо-
кой точностью, даже при одиночных импульсах ускорителя.
КОНСТРУКЦИЯ МОНИТОРА ПУЧКА
Для контроля параметров пучка при его проводке от линейного ускорителя в накопитель электронов Н100М разработаны и изготовлены два комбинированных монитора, состоящих из м.п.п. и монитора тока пучка (м.т.п.) на основе м.и.д. углового типа. Монитор тока пучка представляет собой катушку из 35 витков посеребренного провода, равномерно намотанного на цилиндрическое кольцо из феррита с = 2000 размером 085 х 062 х 30 мм. Каждый виток катушки шунтирован резистором 2.4 Ом. Монитор положения пучка состоит из четырех катушек по 100 витков медного изолированного провода 00.25 мм, намотанного на диэлектрическое кольцо с размерами, аналогичными размерам ферритового кольца. Комбинированные мониторы установлены на канале транспортировки пучка до и после второго поворотного магнита.
На рис. 1 показаны м.п.п. и м.т.п. перед монтажом. Комбинированный монитор помещен в медный экран и в стальной корпус с отверстиями для выводов катушек. На стальном корпусе монтируются отрезок круглой камеры пучка с керамической вставкой и фланцы вакуумных соединений. Таким образом, комбинированный монитор расположен вне вакуумной камеры, а его связь с пучком осуществляется через высоковакуумный цилиндрический изолятор с размерами 042 х 027 х 40 мм. На внешней поверхности корпуса расположены разъемы с выводами катушек м.п.п. и м.т.п. Один из комбинированных мониторов, работающих на канале транспортировки пучка, показан на рис. 2.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА
Функциональная схема измерения параметров пучка с помощью комбинированных мониторов приведена на рис. 3.
Все датчики м.п.п. работают в режиме затухающих автоколебаний на частоте 3.67 МГц. Постоянная времени затухания колебаний 6.8 мкс. Монитор тока пучка работает в импульсном режиме. Сигналы м.п.п. и м.т.п. передаются широкополосными предусилителями на микросхемах А1—А5 на блок обработки по коаксиальным кабелям длиной 25 м. Коэффициент усиления всех предусилителей равен 2. Входное сопротивление предусилителей м.п.п. 260 кОм, а предусилителя м.т.п. — 600 Ом. Предусилители расположены в корпусах разъемов кабелей, которые подключаются к выводам катушек датчиков.
Блоки обработки сигналов комбинированных мониторов изготовлены в стандарте КАМАК (рис. 4). Каждый блок состоит из пяти измерительных каналов на микросхемах А6—А10 (см. рис. 3), пяти а.ц.п. А12—А16 и программируемой матрицы (БРОА) Б1. В блоке обработки сигналы комбинированных мониторов усиливаются до необходимых уровней (<1 В), оцифровываются и запоминаются в оперативной памяти БРОА. Аналого-цифровые преобразователи выполняют преобразование в 12-битный код с периодом 25 нс. Синхронизация измерений осуществляется по переднему фронту сигнала м.т.п. или по синхроимпульсу линейного ускорителя после формирования компаратором А11. С помощью БРОА реализуются также все необходимые логические функции КАМАК.
Окончательная обработка сигналов комбинированных мониторов выполняется на компьютере. Программное обеспечение измерения положения и тока пучка позволяет работать в режиме 5-канального цифрового осциллографа с запоминанием до 4096 точек на канал (102.4 мкс), управлять началом измерений относительно синхроимпульса, задавать время одного измерения и количество измерений при накоплении, запоминать полученные данные в файлы, вычислять координаты центра тока пучка и амплитуду импульса тока, отображать результаты измерений на дисплее. На рис. 5 показаны сигналы прототипа комбинированного монитора, записанные в компьютере при тестировании.
ТЕСТИРОВАНИЕ МОНИТОРОВ. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА
Тестирование комбинированного монитора выполнялось на стенде, состоящем из двухкоординат-ного стола с микрометрическими винтами для перемещения монитора (точность установки 10 мкм), рабочего электронного оборудования (предуси-лителей, соединительных кабелей, блока обработки сигналов), генератора Г5-48, компьютера и осциллографа НМ03524. Пучок имитировался тонким проводником, который находился в фиксированном положении. Ток через проводник задавался генератором Г5-48 в виде импульсов амплитудой 40 мА. Сигналы всех датчиков записывались в компьютер с привязкой к задаваемой координате.
Главной задачей тестирования м.п.п. является определение его рабочих характеристик с учетом нелинейной зависимости:
х, = Е (Еь Е2, Еъ, Е,); у = Ф (Еь Е2, Еъ, Е,), (3)
где х, у — координаты центра пучка; Еъ Е3 — сигналы датчиков, расположенных по оси Х; Е2, Е4 — сигналы датчиков, расположенных по оси У.
Рис. 2. Комбинированный монитор на канале транспортировки пучка.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.