Диагностика пучков заряженных частиц (стр. 18 )

Описанная техника ФПИ была применена для согласования фидера, питающего ускоряющее устройство протонного синхротрона ТРАПП (ИЯФ) и для уменьшения нижней частоты тракта при заданной величине шунтирующей ускоряющий зазор индуктивности.

Многокаскадные ФПИ

Можно построить ФПИ высокого порядка, используя ФПИ меньшего, например, 2-го порядка, как это изображено на рис. 9.13. Такой ФПИ замечателен возможностью покаскадной настройки, а также одинаковостью
своих однотипных элементов.

Если при фильтрации короткого сигнала (для его удлинения) выбросы на переходной характеристике недопустимы, можно использовать многокаскадный ФПИ на базе ФПИ 1-го порядка. На рис. 9.14 изображён такой ФПИ 12-го порядка, а на рис. 9.15 – его переходная характеристика (порт in – порт 12). Характеристики этого фильтра не изменятся, если заменить его дуальным ему ФПИ. Однако если индуктивные элементы реально являются линиями (см. рис. 9.16; рис.  9.18), то в полосе задержания указанные характеристики будут различными (рис. 9.17, 9.19).

Здесь импедансы всех линий 440 Ом, числа возле линий – их длина в секундах. Фильтр, подобный изображённому на рис. 9.18, разработан для растяжения до 5 нс очень короткого сигнала пучка (25 пс) на входе пикап-станций датчиков тока изображения для измерения положения пучка в канале БЭП–ВЭПП-2000 (ИЯФ).

Многокаскадный ФПИ, базовыми элементами которого являются одинаковые ФПИ 1-го порядка, обладает следующим свойством. Модуль коэффициента передачи одного звена первого порядка равен . Пусть имеется n звеньев и пусть все постоянные времени звеньев равны . Тогда

.

Таким образом, если спектр входного сигнала простирается, грубо говоря, до бесконечности (это спектр очень короткого импульса), то наш фильтр вырежет из него часть спектра, которая будет иметь нормальную форму. А как известно, спектру нормальной формы соответствует импульс нормальной формы.

Пример применения дуальной цепи

На рис. 9.20 изображена упрощённая схема питания несогласованного (в силу ряда преимуществ) кикера Системы обратной связи для подавления поперечных колебаний пучков электронов и позитронов в накопителе ВЭПП-4М (ИЯФ). Тракт кикера включает разделительный конденсатор и линию кикера с импедансом 25 Ом (схема питания второй линии кикера аналогична). Для того чтобы отражённый от несогласованного конца линии кикера сигнал не отправился обратно к усилителю мощности (УМ), схема включает мостовой трансформатор (см. разд. 8) и тракт дуальный тракту кикера. Здесь дуальный тракт – это шунтированная индуктивностью короткозамкнутая линия, дуальная разомкнутой линии кикера. Отражённый от дуального тракта сигнал является инверсным по отношению к сигналу, отражённому от тракта кикера:

.

Поступая на порты и мостового трансформатора, эти сигналы следуют только в балластную нагрузку трансформатора.

Формирование импульсных сигналов

без постоянной составляющей

Тракты распространения сигналов содержат, как правило, шунтирующие индуктивности (например, трансформаторы) и / или разделительные ёмкости. В результате постоянная составляющая сигнала не проходит по тракту. Если низкочастотных постоянных времени несколько, то после сигнала в форме видеоимпульса (далее – просто импульса) появляются колебания, длительность которых много больше длительности импульса, что может привести к искажению следующего импульса. Если же наш импульс дополнить подобным ему задержанным импульсом другого знака, то такая группа не будет иметь постоянной составляющей, что решает указанную проблему.

На рис. 9.21 изображёны два последовательно соединённые симметричные ФПИ на отрезках линий. Линии задержки на входе и выходе здесь только для того, чтобы разнести во времени осциллограммы сигналов с различных портов.

На рис. 9.22 слева направо: входной импульс (порт in), группа из двух противофазных импульсов после первого фильтра (порт ou1) и группа импульсов после двух фильтров (порт ou2). Длины линий очевидно должны быть больше половины длительности импульса, чтобы не испортить его форму.

На рис. 9.23 сверху изображены амплитудные и фазовые частотные характеристики однокаскадного, а снизу – двухкаскадного фильтров. Заметим, что если через однокаскадный фильтр не проходит сигнал постоянного тока (или помеха), то через двухкаскадный не проходит линейно изменяющийся сигнал, а через трёхкаскадный – квадратично изменяющийся сигнал и т. д.

10. Адаптивная система управления протонным синхротроном

В настоящем разделе рассматриваются некоторые общие принципы организации систем управления на примере системы управления уже не существующего протонного синхротрона ТРАПП (ИЯФ).

Некоторые параметры синхротрона ТРАПП (терапия рака протонным пучком) приведены в табл. 10.1.

Обычно, когда описывается система управления установкой, речь идёт, в основном, об оборудовании – о типе управляющих ЭВМ, стандарте устройств управления (CAMAC, VME и т. п.). Упоминаются, впрочем, виды операционных систем, стандарты коммуникаций, количество каналов управления и контроля и т. д. Однако разработчики таких систем должны понимать, что суть системы управления не в оборудовании. На начальном этапе разработки следует, прежде всего, сформулировать концепцию системы управления, а затем определиться с её архитектурой.

Концепция системы управления

Специфика протонного синхротрона ТРАПП заключается в облучении объектов (пациентов) методом сканирования для реализации протонной томографии. Вытекающая отсюда задача управления энергией и другими параметрами пучка, исходя из текущих, заранее не известных значений параметров облучаемого объекта, решается на основе следующей концепции системы управления:

А. Основные параметры установки (среднее магнитное поле, частота и амплитуда ускоряющего напряжения, радиальное положение пучка и ряд других) задаются с помощью таблиц сравнительно небольшого размера;

Б. Все эти параметры в процессе управления энергией пучка должны изменяться синхронно и непрерывно;

В. Анализирующие ситуацию программы / оператор в любой момент времени должны иметь возможность изменить порядок сканирования и значения табличных данных без прерывания процесса управления параметрами пучка.

Требования А, Б и В реализованы следующим образом:

1. Система управления разделяется на две ЭВМ, одна из которых, «клиент», непосредственно управляет цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) и другими устройствами. Другая ЭВМ, «сервер» является посредником между оператором и ресурсами системы управления.

(Это принципиальное разделение не исключает наличия нескольких ЭВМ для управления, сбора и отображения данных. Система управления ТРАПП включает 5 микроЭВМ в стандарте CAMAC, являющихся интеллектуальными контроллерами крейтов.)

2. ЭВМ «клиент» загружается единственной программой, работа которой не может быть прервана извне в процессе управления параметрами пучка. Она, после выполнения предписанных ей операций, только по собственной инициативе читает директивы и данные, приготовленные для неё «сервером».

3. ЭВМ «клиент» в интервалах между импульсами системного таймера осуществляет асинхронную передачу данных в сплайн-интерполирующие ЦАПы, которые под управлением того же таймера формируют синхронные гладкие функции времени.

Коротко последний пункт предложенной архитектуры системы управления иначе формулируется следующим образом: «асинхронная загрузка – синхронное исполнение».

На рис. 10.1 изображена схема операций ЭВМ «клиент» в течение рабочего цикла таймера.

К началу очередного цикла таймера «клиент» заканчивает все операции и зависает в ожидании запроса на обслуживание (LAM – Look At Me) от системного таймера. При поступлении LAM, в течение первой фазы цикла таймера, «клиент» передаёт данные в устройства, значения которых (данных) и перечень которых (устройств) заранее (например, во второй фазе предыдущего цикла таймера) определены анализирующими ситуацию программами / оператором. Во второй фазе цикла таймера «клиент» читает и выполняет директивы «сервера», после чего осуществляет сброс LAM таймера и зависает в ожидании следующего LAM.