Диагностика пучков заряженных частиц (стр. 7 )

Оценка уровня шума в терминах заряда пучка

При описанном выше методе синхронного детектирования и времени усреднения сигнала на выходе синхронного детектора (с помощью ФНЧ) эквивалентная полоса шума определяется следующим выражением:

.

Ниже шум рассчитан для режима детектирования со скважностью , который может быть применён при режиме ускорения с равновесной фазой . Этот же режим может быть применён при и синхронном детектировании на второй гармонике ВЧ.

Если время усреднения , то с учётом фактора . Шум резистора 200 Ом (, – крутизна входного полевого транзистора) в полосе 5 кГц имеет величину порядка 140 нВ. С учётом фактора шума входного усилителя порядка 10 дБ, результирующий уровень шума оценивается величиной 0.4 мкВ.

При периметре ускорителя около 250 м (ускоритель «Нуклотрон», Дубна) эффективной длине электрода 250 см и полной входной ёмкости 500 пФ это соответствует, в терминах числа однозарядных частиц пучка, шуму

.

Другой метод восстановления постоянной составляющей

На рис. 3.6 изображена блок-схема синхронного детектора, реализующая метод не критичный к скважности опорного сигнала (в отличие от описанного выше). Здесь имеется в виду скважность сигнала замыкания ключа . Время замыкания ключа может быть меньше интервала свободного от сигнала пучка – провисание всё равно будет детектироваться правильно. Кроме того, постоянная времени интегратора не обязательно должна быть в точности равна (здесь T – период сигнала). Однако чем меньше время замыкания, т. е. чем больше скважность опорного сигнала ), тем больше уровень преобразованных шумов.

Такой метод восстановления постоянной составляющей используется в телевизионной технике.

4. Полосковый и пуговичный датчики

Электроды классического электростатического датчика положения пучка имеют сложную форму, приличную длину (порядка апертуры камеры) и при этом принципиально не согласованы: каждый электрод имеет в качестве нагрузки усилитель с большим входным импедансом. Поэтому датчик положения пучка, который должен работать на достаточно высоких частотах (с короткими пучками) имеет несколько электродов либо в виде линий с волновым сопротивлением 50 Ом (strip-line pick-up – полосковый датчик), либо в виде небольших круглых дисков заподлицо с вакуумной камерой (button pick-up – пуговичный датчик).

Полосковый датчик

На рис. 4.1 схематически изображён полосковый датчик. Здесь он представлен одной полосковой линией (реальный датчик имеет 2 или 4 линии). Время распространения сигнала по линии равно . Линия расположена на определённом расстоянии от стенки камеры внутри неё вдоль направления движения пучка, что обеспечивает однородность и желаемую величину её импеданса. Оба конца линии нагружены на кабели, импедансы которых равны импедансу линии (обычно 50 Ом). В принципе сигналы могут сниматься с любого из концов линии. Если скорость движения пучка равна скорости распространения сигнала по линии (порядка скорости света), то сигнал имеется только с той стороны линии, с которой пучок влетает в датчик.

На рис. 4.2 изображена эквивалентная схема датчика (здесь и ниже применена программа для расчёта линейных электронных схем LES Алексея Смирнова). Она включает пару противофазных источников тока, которые генерируют ток пучка в линию датчика с задержкой равной времени пролёта датчика пучком (здесь ). Интервал между импульсами на выходе ou1 равен (рис. 4.3). Если пучок находится в центре круговой камеры, а линия имеет азимутальный размер , то амплитуды импульсов примерно равны

.

Если ток пучка описывать в терминах гармонических сигналов вида , то амплитудная частотная характеристика датчика (рис. 4.4) имеет нули на частотах , как это видно из выражения

.

В принципе, линия датчика может не иметь нагрузки на одном из своих концов или быть закорочена. На рис. 4.5 схематически изображены датчики таких типов и их сигналы при различных способах съёма сигнала.

Такого типа датчики не обладают свойством направленности, которым обладает согласованный с обеих сторон полосковый датчик в случае релятивистского пучка. Направленность датчика может быть существенна, если в накопителе циркулируют встречные пучки (например, электроны и позитроны), так как сигналы от пучков частиц различных типов поступают в разные каналы.

Полосковая конструкция используется также в качестве кикера (to kick – ударять, лягать). Например, в системах возбуждения или подавления поперечных бетатронных колебаний пучка. На накопителе ВЭПП-4М (ИЯФ) работает система измерения частот бетатронных колебаний пучка и система подавления когерентных бетатронных колебаний пучка на основе полосковых датчиков и кикеров. Очевидно, что кикер также обладает свойством направленности: сигнал в кикере действует только на тот (релятивистский) пучок, навстречу которому он распространяется.

Пуговичный датчик

Диск («пуговица»), центр которого присоединён к вакуумному вводу, будем моделировать короткой линией длиной 30 мм (время пролёта 100 пс), центр которой нагружен на 50 Ом. Левый и правый генераторы тока на рис. 4.6 моделируют пучок при пролёте им, соответственно, левого и правого зазоров между камерой и диском.

На рис. 4.7 – сигнал на входе in (длиной 20 пс) и сигнал на выходе out (один положительный и один отрицательный импульсы). Такая красивая картинка получается при волновом сопротивлении указанной линии 100 Ом. Заметим, что выходные импульсы разнесены по времени на время пролёта линии диска, а не на удвоенное время пролёта, как в случае полос
кового датчика.

На рис. 4.8 – сигналы при пучке прямоугольной формы длительностью 200 пс (т. е. вдвое больше времени пролёта). Длительность импульсов на выходе out соответствует длине диска, а интервал между ними – длительности пучка.

На рис. 4.9 сигналы соответствуют пучку длительностью 100 пс с фронтами 100 пс. Выходной сигнал с затянутым хвостом, на который указывает стрелочка, получается при импедансе линии диска 50 Ом.

Как видно, сигнал на выходе пуговичного датчика является разностью двух сигналов тока пучка разнесённых во времени на время пролёта диска (при правильном согласовании).

Способ нормировки и линейность координатной сетки