Диагностика пучков заряженных частиц (стр. 1 )

Федеральное Агентство по образованию

новосибирский государственный университет

Физический факультет

Кафедра радиофизики

В. П. ЧЕРЕПАНОВ

ДИАГНОСТИКА ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Курс лекций

Новосибирск

2007

УДК 621

ББК В381.1

Ч 46

 П. 

Диагностика пучков заряженных частиц: Курс лекций / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2007. 100 с.

ISBN 978-5-94356-533-5

Данный курс лекций читается в течение ряда лет студентам физического факультета НГУ, специализирующимся на кафедре радиофизики.

Курс содержит описание не возмущающих пучок методов измерения его параметров: тока, заряда, положения, формы, размеров и др. Кроме того, описаны принципы работы и конструкции различных датчиков: электростатических, полосковых, тока изображения и др. Рассмотрены различные схемотехнические приёмы построения систем диагностики и управления: длинные линии и трансформаторы, фильтры постоянного импеданса и дуальные цепи и др.

Предназначен для студентов физических и физико-технических специальностей, а также для специалистов в области измерительной электроники и диагностики пучков.

Рецензент

д-р физ.-мат. наук

ã Новосибирский государственный

университет, 2007

ISBN 978-5-94356-533-5 ã , 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение 6 Уравнения Максвелла …………………………………………….……… 6
Поля вблизи проводящей стенки.......…………………………………… 7
Поле плоской волны ……………………………………………………… 8
Отражение плоской волны от проводящей стенки …………………... 9
Отражение плоской волны от диэлектрика.……………………………. 9
Отражение плоской волны от ферромагнетика ……………………….. 11
Волновое сопротивление вакуума ……………………………………... 12
Расчёт волнового сопротивления линии ………………………………. 12
Предел пространственного и временного разрешения

электромагнитных датчиков ………………………………………….… 13

2. Электростатические датчики 15 Классический электростатический датчик положения пучка ……… 15
Мультипольные моменты заряда изображения …………………..….. 16
Заряды на Х-электродах датчика..……………………………………… 17
Некоторые конструкции электростатических датчиков положения ….17
Симметричная витая конструкция ………....…………………..…….… 18
Технологичная конструкция ………………………………………….… 18
Методы формирования нормированного сигнала положения пучка... 19
Классическая схема нормировки на базе усилителей с АРУ ……….... 19
Фазовый метод нормировки ………………………………………….… 20
Принцип работы фазового дискриминатора...…………………...……. 21
Электростатический датчик в качестве датчика тока пучка...…..…… 22

3. Методы детектирования сигналов 23 Диодный детектор синусоидального сигнала …………………….....… 23
Усреднение шумов ………………………………...……………………. 24
Преобразование частот и синхронное детектирование сигналов ….… 25
Спектральный анализ ………………………………………………….... 26
Измерение заряда сгруппированного пучка ……………..……………. 27
Преобразование сигнала и шума ………………………………..……… 28
Режим детектирования на 2-й гармонике ВЧ …………………...…….. 29
Оценка уровня шума в терминах заряда пучка ………………………. 29
Другой метод восстановления постоянной составляющей …………. 30

4. Полосковый и пуговичный датчики 31 Полосковый датчик ……………………………………..………………. 31
Пуговичный датчик …………………………………………...………… 33
Способ нормировки и линейность координатной сетки ……………... 35
Координатная сетка датчика положения пучка ………………..……… 36
Координатная сетка датчика квадрупольного момента пучка ……….. 38

5. Датчики тока изображения 40 Теория датчика тока изображения для измерения положения пучка.. 40
Азимутальное распределение тока изображения в стенках идеально

проводящей круглой цилиндрической камеры канала ……………..… 41
Параметры пучка, определяемые по току изображения …………….... 44
Замена интегралов суммами ……………………………………..……... 46
Оценка времени растекания тока изображения ………………..…….... 47
Точное решение задачи о растекании тока изображения в рамках

модели длинного датчика …………………………………….……….... 49
Практический эффект растекания тока изображения ……………….... 51
Датчики тока изображения на канале транспортировки пучков

из накопителя ВЭПП-3 в накопитель ВЭПП-4М ……………...…….... 54
Датчики тока изображения на каналах БЭП–ВЭПП-2000 …..……..… 55
Широкополосный датчик тока пучка ………………………………..… 56

6. Измерение параметров несгруппированного пучка 59 Датчик постоянного тока пучка ……………..…………………………. 59
Измерение параметров пучка по его шумам. Продольные сигналы пучка …………………………………………….……..………………… 60
Измерение тока и разброса энергии …………………..……………….. 61
Поперечные сигналы пучка …………………………….………………. 63
Измерение хроматичности ……………………………..….…………… 64
Измерение поперечного размера и среднего смещения пучка ………. 65

7. Феррит на высоких частотах 66 Понятие шунтирующего сопротивления ……………………………… 67
Добротность катушки индуктивности на феррите …………....………. 68
Ферритовое кольцо с зазором ………………………………….………. 69
Поглощающее свойство ферритов ……………………………..………. 70

8. Длинные линии и трансформаторы 72 Трансформаторы на длинных линиях …………………….…………… 74
Трансформатор без «индуктивности рассеивания» ……...…………… 75
Мостовой трансформатор типа «длинная линия» ……….……………. 76
Некорректные схемы с мостовым трансформатором в качестве

прототипа …………………………………………………..……………. 77
Двойной балансный смеситель.…………………………..……………. 79

9. Фильтры постоянного импеданса и дуальные цепи 80 Фильтры постоянного импеданса ………………………………….…... 80
Дуальные ФПИ ………………………………………………………….. 82
ФПИ на отрезках линий ……………………………………………..….. 82
Симметричный ФПИ ……………………………………………………. 83
Некоторые применения ФПИ и дуальных цепей. Согласование

фидера ……………….……………………………………………...……. 84
Многокаскадные ФПИ ………………………………………………….. 87
Пример применения дуальной цепи ……………………………..…….. 90
Формирование импульсных сигналов без постоянной составляющей 91

10. Адаптивная система управления протонным синхротроном 93 Концепция системы управления ……………………………………...... 93
Сплайн-интерполирующий ЦАП …………………………………….… 95
Согласование частоты ускоряющего напряжения с уровнем

ведущего магнитного поля ……………………………………………... 97
Формирование частот ВЧ-системы …...……………………………….. 99

Библиографический список 100

1. Введение

Уравнения Максвелла

Уравнения Максвелла в системе МКСА (м, кг, с, А), иначе – СИ имеют следующий вид:

– закон Гаусса;

, – вектор поляризации среды, ;

– закон Фарадея;

, – вектор намагничивания среды, ;

– нет магнитных зарядов;

– закон Ампера плюс добавка Максвелла, .

Здесь – свободные заряды, – токи проводимости, – заряды поляризации, – токи намагничивания, – магнитная постоянная, – электрическая постоянная.

Коль скоро – действующее поле, т. е. поле всех зарядов, – индукция, т. е. поле только свободных зарядов, то логично полагать, что коль скоро – действующее поле, то это поле всех токов, а – индукция, т. е. поле только токов проводимости. Какие поля действующие, видно из выражения для силы Лоренца:

.

Тем не менее принято называть магнитной индукцией. Так, например, некоторые авторы называют электрическим полем, – вектором электрической индукции, – магнитной индукцией, а – «вспомогательное поле, не имеющее специального названия» [1, с. 96]. Впрочем, у них же встречаем, что «B описывает полное магнитное поле, а D является вспомогательным вектором» [Там же, с. 99].