Диагностика пучков заряженных частиц (стр. 19 )

Рабочий интервал таймера достаточно велик, чтобы передача данных и выполнение директив были завершены, прежде чем появится следующий импульс таймера. Если при генерировании очередного импульса таймера LAM не сброшен (операции не завершены), таймер выставляет сигнал , что указывает оператору на необходимость либо сократить число обслуживаемых устройств в данном цикле таймера, либо увеличить длительность циклов таймера.

Примеры директив «сервера» для «клиента»:

·  изменить значение того или иного элемента таблицы (настройка);

·  перемещаться по таблице вперёд или назад (увеличивать или уменьшать энергию пучка в зависимости от результата облучения);

·  прервать процесс изменения энергии (например, для измерения частот бетатронных колебаний при текущих значениях параметров пучка);

·  изменить радиальное положение пучка согласно дополнительной таблице (например, для перемещения пучка в зону действия дефлектора).

Для реализации на синхротроне ТРАПП системы управления описанной архитектуры потребовалось разработать единственное специальное устройство – сплайн-интерполирующий ЦАП (сплайн-ЦАП).

Сплайн-интерполирующий ЦАП

В случае синхротрона ТРАПП, предназначенного для медицинских целей, управление параметрами пучка должно осуществляться, с одной стороны, максимально быстро, а с другой стороны, источник питания магнитов не должен перегружаться, чтобы сохранить непрерывность и, следовательно, точность управления.

Каков бы ни был сигнал, управляющий источником питания магнитной системы, напряжение на выходе последнего не может измениться мгновенно. В первом приближении оно, с некоторой задержкой, нарастает прямо пропорционально времени. Следовательно, управлять током магнитов (индуктивная нагрузка) следует с помощью сигналов, имеющих кусочную гладкость не хуже, чем . Такого уровня гладкость достаточна для того, чтобы реализовать почти предельный темп изменения ведущего магнитного поля и при этом избежать ограничения сигналов в цепях управления током источника.

При высокой частоте посылок данных в ЦАП, для формирования «гладких» функций времени в принципе достаточно отфильтровать ступенчатый сигнал. При этом, однако, либо значительно возрастает нагрузка на процессор, либо требуется модуль ЦАП со своим процессором. В первом случае, кроме того, либо пропорционально частоте посылок возрастает длина таблицы данных, либо время процессора занимает программа формирования этой таблицы.

Наиболее адекватным поставленной задаче является аналоговый сплайн-ЦАП – формирователь синхронных гладких функций времени.

На рис. 10.2 изображена блок-схема сплайн-ЦАПа 2-го порядка, формирующего кусочно-параболическую функцию времени (первая производная непрерывна).

Он состоит из 13-разрядного ЦАПа (12 разрядов умножающего ЦАПа 572ПА2А плюс знак, выходное напряжение от –8.192 до +8.190 В с шагом 2мВ), на выходе которого формируется ступенчатый сигнал A, и интерполятора. Интерполятор включает два интегратора с регулируемыми от ЭВМ постоянными времени интегрирования (50, 100, 150, … , 750 Гц), схему выборки-хранения и схему сравнения исходного сигнала А с некоторой линейной комбинацией сигналов C и D с выходов интеграторов. Постоянные времени интеграторов c точностью лучше 1 % равны интервалу таймера ().

Очередной скачок напряжения на входе интерполятора должен появиться в пределах интервала, предшествующего очередному импульсу таймера. Эпюры А, B, C, D слева на рис. 10.3 иллюстрируют реакцию интерполятора на элементарный скачок.

Интерполятор является линейным устройством – сигнал на его выходе есть суперпозиция реакций на элементарный скачок. Справа на рис. 10.3 изображены эпюры A, B, C, D при ступенчато-линейном росте сигнала А. Стрелки указывают на то, что скачки сигнала А произошли непосредственно перед импульсами таймера. Задержка такого сигнала равна , что верно для сплайн-ЦАПов любого порядка.

Сплайн-ЦАП порядка n должен иметь n интеграторов. Очевидно, что в случае сплайн-ЦАПа более высокого порядка можно увеличить интервал таймера при сохранении качества интерполяции.

Чтобы при ступенчатом сигнале на входе интерполятора выходной сигнал сплайн-ЦАПа n-го порядка представлял собой нарастающую функцию времени с непрерывной -й производной, сигнал на входе первого интегратора должен быть последовательностью сигналов следующего вида:

.

Значения коэффициентов обратной связи , … , определяются из системы линейных уравнений, составляемых для моментов таймирования (при это момент 2 на рис. 10.3).

Согласование частоты ускоряющего напряжения с уровнем

ведущего магнитного поля

В функции высокочастотной системы (ВЧ-системы) входит, прежде всего, формирование ускоряющего напряжения, частота которого согласована с уровнем ведущего магнитного поля, чтобы иметь постоянное значение среднего радиуса равновесной орбиты пучка.

Наиболее распространённым является способ согласования частоты и поля, при котором необходимая функциональная связь реализуется с помощью датчика производной магнитного поля и интегрирующего функционального преобразователя. При этом генерируется непрерывная кусочно-линейная функция времени, изломы которой соответствуют табличным значениям поля. Такой способ реализован, в частности, на ионном синхротроне Б-5 (ИЯФ).

На синхротроне ТРАПП реализован способ согласования частоты и поля, при котором необходимая функциональная связь определяется таблицами кодов для двух сплайн-ЦАПов 2-го порядка – формирователей синхронных гладких (в смысле непрерывной первой производной) функций времени.

Цепь формирования ведущего магнитного поля (рис. 10.4) включает сплайн-ЦАП Ц5, схему сравнения Б6 табличного значения величины поля с его фактическим значением , вырабатываемым системой датчиков Холла Д2, и источник стабилизированного тока питания магнитов В7.

Из-за инерционности магнитной системы в динамике возникает расхождение между табличным значением поля и его фактическим значением, в то время как инерционность установления частоты задающего генератора управляемого напряжением (ГУН) Г1 незначительна. Чтобы частота ускоряющего напряжения соответствовала фактическому значению поля, предусмотрена схема коррекции частоты ГУНа Г1 по разности , включающая схему сравнения Б5 и управляемый ЭВМ аттенюатор А4.

В каждой фазе цикла управления полем устанавливается такое значение коэффициента передачи аттенюатора А4, чтобы выполнялось следующее соотношение:

.

Здесь – чувствительность датчиков Холла, – крутизна характеристики ГУНа Г1 по входу коррекции частоты. При этом частота ускоряющего напряжения будет соответствовать фактическому значению поля (с точностью до поправок более высокого порядка):

.

Разумеется, частоту и поле можно согласовать путём формирования опережающей таблицы для поля или путём соответствующей коррекции значения частоты ускоряющего напряжения на момент инжекции с возложением задачи последующей коррекции частоты на систему о. с. «по пучку». Тем не менее заложенная схема коррекции не является излишней, поскольку обеспечивается надёжность проекта.

Формирование частот ВЧ-системы

Сигнал с частотой ускоряющего напряжения формируется супергетеродинным способом: сигнал задающего генератора Г1 (рис. 10.5) с частотой смешивается с сигналом фиксированной частоты кварцевого генератора Г2.

Заметим, что обычно для формирования ускоряющего напряжения применяются непосредственно либо управляемые напряжением генераторы (как в случае ионного синхротрона Б-5), либо синтезаторы частот.

Между тем супергетеродинный способ формирования сигнала с частотой ускоряющего напряжения позволяет аналогичным образом сформировать сигнал с частотой , который используется в качестве гетеродинного в системах диагностики фазы и положения пучка. На рис. 10.5 изображены значения и диапазоны перестройки частот (не в масштабе).

Цепь формирования ускоряющего напряжения (см. рис. 10.4) включает генератор Г1, управляемый выходным напряжением сплайн-ЦАПа Ц1, кварцевый генератор Г2, управляемый напряжением аттенюатор А1, смеситель С1, фильтр нижних частот Ф1, усилитель мощности В1, ускоряющее устройство В2, детектор амплитуды В3, сплайн-ЦАП Ц2 – формирователь табличного значения амплитуды ускоряющего напряжения и схему сравнения Б1 этой амплитуды с её фактическим значением V.

Цепь, включающая генератор Г1, кварцевый генератор Г3, смеситель С2 и фильтр нижних частот Ф2, служит для формирования гетеродинного сигнала.

Библиографический список

1.  Н.,  В. Электромагнитное поле. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1987. Ч. 1: Электричество и магнетизм.

2.  Л.,  А. О форме электродов, измеряющих смещение пучка заряженных частиц // ПТЭ. 1967. №2, с. 27.

3. Циклические ускорители заряженных частиц. М.: Атомиздат, 1970.

4. А., И., Г. Измерение параметров пучков заряженных частиц. М.: Изд-во МГУ, 1980.

5. Справочник по расчёту фильтров. М.: Сов. радио, 1974.

6. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1983. Т. 2.