Диагностика пучков заряженных частиц (стр. 12 )

.

Если же пучок имеет форму короткого импульса длительностью t, то растекание проявляет себя так, как это изображено на рис. 5.4 (импульс прямоугольной формы, , , ).

Предметом измерения может быть средняя амплитуда импульса или его заряд. В последнем случае следует отсечь «хвост», знак которого совпадает со знаком импульса (см. рис. 5.4, справа), имеющий уровень (в приближении ). При измерении заряда импульса выше этого уровня отношение максимальной амплитуды сигнала к амплитуде «хвоста» (динамический диапазон), составит

.

Амплитуда «хвоста» может быть уменьшена, если исходный импульс преобразовать в пару противофазных импульсов следующих друг за другом (об этом см. в разд. 9).

На рис. 5.5 (слева) – смещение пучка , справа – , время растекания , длительность импульса . У левого сигнала имеется положительный выброс порядка 0.02, у правого – отрицательный выброс порядка 0.002. В общем виде амплитуда «хвоста» (в приближении ) равна .

Более точная аналитика здесь излишня, так как проще сделать численный расчёт.

Датчики тока изображения на канале транспортировки пучков

из накопителя ВЭПП-3 в накопитель ВЭПП-4М

На рис. 5.6 изображён эскиз конструкции ДТИ третьего поколения (ИЯФ). Датчик имеет 8 линий распространения тока изображения, расположенных в разрыве вакуумной камеры (на рис. 5.6 – область изолирующей вакуум керамики). Длина линий 53 мм. Линии расположены равномерно по азимуту камеры с зазорами 2 мм. Нагрузками линий являются первичные обмотки трансформаторов на ферритовых кольцах (, ). Вторичные обмотки трансформаторов нагружены на диоды и далее на согласованные (для высоких частот) отрезки коаксиальных кабелей РК–50–1.5–12 (длина 1  м). Выпрямленные напряжения измеряются многоканальным регистрирующим устройством. Полученные данные передаются в ЭВМ для дальнейшей обработки.

В нашем случае осуществляется детектирование заряда короткого импульса. При этом необходимо, чтобы «хвост» тока изображения на входе детектора отсекался – не тёк в нагрузку детектора. Это происходит за счёт утечки части тока в шунтирующее сопротивление ферритового кольца (о шунтирующем сопротивлении см. в разд. 7).

Датчики тока изображения на каналах БЭП–ВЭПП-2000

На каналах БЭП–ВЭПП-2000 (ИЯФ) установлено 8 ДТИ четвёртого поколения (рис. 5.7).

Датчик имеет 4 линии распространения тока изображения на азимутах , , , . В принципе, азимутальный угол установки датчика может быть любым. При расчёте положения пучка по осям (X, Z) достаточно сделать соответствующее преобразование координат. Токи, текущие по линиям через трансформаторы тока на ферритовых кольцах поступают по согласованным кабелям на входы пикап-станции (ПС).

На рис. 5.8 изображена структура аналоговой части одного канала ПС.

Здесь применён формирователь на отрезках линий с длинами по 1 м (время распространения 5 нс), который разбивает исходный импульс на два противофазных половинной амплитуды. Благодаря этому решается рассмотренная выше проблема «хвоста» и не требуется программного переключения режимов электроны / позитроны. Формирователь является фильтром постоянного импеданса (см. разд. 9). Кроме того, формирователь является фильтром ВЧ не искажающим формы исходного импульса. Вычитание пары продетектированных сигналов производится после их оцифровки. И то и другое служит помехоустойчивости.

Широкополосный датчик тока пучка

На рис. 5.9 изображёна часть поперечного разреза широкополосного датчика тока пучка (ИЯФ).

Радиальная линия распространения сигнала тока изображения от внутренней поверхности камеры канала до нагрузок согласована, что позволяет иметь максимально возможную полосу. Число нагрузок достаточно велико – 16 штук, поскольку полоса датчика существенно зависит от азимутального расстояния между этими нагрузками. В четырёх точках азимута датчика (чтобы исключить возможную зависимость формы сигнала от смещения пучка) к разъёмам подключено 4 коаксиальных кабеля, нагруженных на пассивный сумматор. Другие выходы датчика нагружены на корректно упакованные в разъёмы резисторы 50 Ом.

Чтобы изолирующая вакуум керамика с диэлектрической проницаемостью также работала как согласованная линия её продольный размер должен быть около 7.5 мм. В данной конкретной конструкции в силу требований технологии длина керамики больше оптимальной.

Электроны, оседающие на внутренней поверхности керамики датчика, могут вызвать электрический разряд, который может разрушить керамику. С целью предотвратить накопление электронов на керамике на её поверхность нанесён тонкий слой нержавеющей стали. Слой имеет шунтирующее сопротивление не менее 100 Ом и потери тока изображения незначительны (менее 3 %).

На рис. 5.10 изображены амплитудные частотные характеристики двух датчиков и схема их измерения.

На рис. 5.11 изображены осциллограммы сигналов тока пучка полученные с двух датчиков в KAERI (Институт атомной энергии, Республика Корея) с помощью цифрового осциллографа Tektronix с полосой 40 ГГц. Более длинный импульс соответствует пучку на влёте в группирующий пучок резонатор, более короткий – пучку после резонатора.

Длительность фронта сигнала тока сгруппированного пучка – около 200 пс – соответствует полосе около 1.5 ГГц, которая определяется затуханием в кабеле длиной порядка 30 м.

6. Измерение параметров несгруппированного пучка

Датчик постоянного тока пучка

На заре развития ускорительной техники для измерения постоянного тока пучка применялся (и применяется до сих пор) так называемый цилиндр Фарадея – Faraday Cup [4]. Это такая изолированная от земли чашка, в которую направляется пучок. Чашка устроена достаточно сложно, чтобы частицы пучка, влетающие в чашку, уже не могли покинуть её. Ток, стекающий с цилиндра Фарадея на землю, очевидно равен току пучка. Однако пучок при этом гибнет.

Для «неразрушающей» регистрации постоянной составляющей тока пучка применяются так называемые трансформаторы постоянного тока (DCCT – Direct Current Current Transformer). Они незаменимы в том случае, когда ускоряющее напряжение отсутствует и пучок циркулирует в накопителе, равномерно заполняя его периметр. Пучки могут циркулировать очень долго (дни и месяцы). Чтобы определить, например, в этих случаях постоянную времени жизни пучка за разумное время, значительно меньшее времени жизни, требуется очень точно измерять абсолютную величину тока пучка.

В трансформаторах постоянного тока используются магнитные сердечники с выраженным эффектом насыщения – кольца из пермаллоя. На рис. 6.1 изображён эффект насыщения. Гармоническое опорное напряжение с определённой частотой, амплитуда которого пропорциональна производной магнитного поля В(t), вызывает ток в обмотке, величина которого пропорциональна индукции Н(t). Если к индукции Н(t), создаваемой этим током, добавить постоянную индукцию, создаваемую током пучка, то в токе обмотки появится сигнал второй гармоники опорного сигнала (рис. 6.2).