close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Ключи к знаниям древних народов.;pdf

код для вставкиСкачать
Д И А Г Н О С Т И К А П У Ч К А НА К О М П Л Е К С Е
ВЭПП-4
Е.Н. Д е м е н т ь е в , Н . И . З и н е в и ч , А.С. К а л и н и н , А.С. М е д в е д к о ,
С . И . М и щ н е в , И.Я. П р о т о п о п о в , А.Б. Темных, Е . И . Ш у б и н
И н с т и т у т я д е р н о й физики С О А Н С С С Р
Н о в о с и б и р с к , 630090
Э В М блок « А Ц П - О Р Б И Т А » . В системе в о с е м ь б л о к о в .
П р и в о д и т с я описание части д и а г н о с т и ч е с к о й аппаОдин блок о б с л у ж и в а е т 8 п и к а п - с т а н ц и й .
р а т у р ы , и м е ю щ е й с я на э л е к т р о н - п о з и т р о н н о м накопит е л е В Э П П - 4 (2 × 5.5 Г э В ) и его бустере В Э П П - 3 .
Станция, с о д е р ж а щ а я 4 пикап-электрода, включает
Эта а п п а р а т у р а п о з в о л я е т и з м е р я т ь о с н о в н ы е п а р а в с е б я т а к ж е 4 Ф Н Ч , в ы с о к о ч а с т о т н ы е ключи К П ,
метры н а к о п л е н н ы х п у ч к о в - р а в н о в е с н у ю орбиту пучΚ 1 - К 4 , К И и с о г л а с у ю щ и й усилитель. Ключ К Ппoдклю
ка, его ток, ч а с т о т ы б е т а т р о н н ы х к о л е б а н и й , а т а к ж е
K 1 - К 4 о с у щ е с т в л я ю т подключение п и к а п - э л е к т р о д о в
х а р а к т е р и с т и к и пучков, в п у с к а е м ы х в накопитель.
ко входу с о г л а с у ю щ е г о у с и л и т е л я , К И и с п о л ь з у е т с я
при к а л и б р о в к е п и к а п - с т а н ц и и .
Равновесная орбита
И з м е р е н и е р а в н о в е с н о й орбиты ( Р О ) в н а к о п и т е л е
В Э П П - 4 1 п р о в о д и т с я в 54 сечениях в а к у у м н о й к а м е р ы
н а к о п и т е л я по р а д и у с у и в е р т и к а л и . Это соответствует
6 т о ч к а м и з м е р е н и я на д л и н у в о л н ы с в о б о д н ы х бетатронных колебаний. В к а ч е с т в е д а т ч и к о в в системе использованы электростатические пикап-электроды.
Б л о к « А Ц П - О Р Б И Т А » с о д е р ж и т приемник, настроенный
на
удвоенную
частоту
обращения
пучка
(1,6 М Г ц ) , и д в а синхронных д е т е к т о р а ( С Д ) , опорные н а п р я ж е н и я которых в з а и м н о о р т о г о н а л ь н ы . Кроме того, б л о к в к л ю ч а е т в себя а н а л о г о - ц и ф р о в о й преобразователь ( А Ц П ) , измеряющий сигналы с
Р и с . 1. С х е м а системы и з м е р е н и я р а в н о в е с н о й о р б и т ы :
Ф - ф и л ь т р низких ч а с т о т ; K 1 - К 4 , К П , К И , И М - в ы с о к о ч а с т о т н ы е ключи;
АРУ,
КАС-аналоговые
ключи;
СД-синхронный
детектор;
АЦП-аналого-цифровой
преобразователь; З У - з а п о м и н а ю щ е е
устройство; С т - с т а н ц и я с в я з и с Э В М ; Т - т а й м е р .
з а п о м и н а ю щ е е у с т р о й с т в о ( З У ) на 128 д в е н а д ц а П о с к о л ь к у короткий пучок в о з б у ж д а е т в них п а р а з и т н ы е детекторов,
т и р а з р я д н ы х д в о и ч н ы х с л о в (один р а з р я д з н а к о в ы й ) ,
высокочастотные
колебания,
электроды
оснащены
таймер (Т).
ф и л ь т р а м и н и ж н и х частот ( Ф Н Ч ) , которые у с т р а н я ю т
В к а ч е с т в е опорного н а п р я ж е н и я д е т е к т о р о в исв р е д н о е в л и я н и е к о л е б а н и й на э л е к т р о н н ы е схемы.
п о л ь з у е т с я с и г н а л от укоторые
с к о р я ю щ не й
н а квоыпсиоткеолоям. н ы й вход усили
Ф Н Ч в ы п о л н е н ы в виде н е с о г л а с о в а н н ы хLC-фильтров,
а г рсистемы
у ж е н ы на
Это п о з в о л я е т п о л у ч и т ь на выходе д е т е к т о р а наилучтеля. Д л я уменьшения неравномерности коэффициента
шее о т н о ш е н и е с и г н а л / ш у м . И с п о л ь з о в а н и е в з а и м н о
п е р е д а ч и в полосе п р о з р а ч н о с т и в и н д у к т и в н ы е ветви
о р т о г о н а л ь н ы х опорных н а п р я ж е н и й синхронных дев в е д е н ы д о п о л н и т е л ь н ы е о м и ч е с к и е потери.
т е к т о р о в п о з в о л я е т о п р е д е л и т ь а м п л и т у д у синусоид а л ь н о г о с и г н а л а н е з а в и с и м о от его ф а з ы .
Система измерения Р О организована следующим
В ы х о д н ы е н а п р я ж е н и я д е т е к т о р о в - будем н а з ы о б р а з о м (рис. 1).
в а т ь их синусным и косинусным — б л а г о д а р я р а б о т е
А в т о н о м н ы м узлом системы я в л я е т с я с в я з а н н ы й с
ключей
К1-К4
образуют временную последователь-
ность. Время, отводимое на одно состояние ключей,
равно 20 мс, период работы системы равен 1.28 с.
Обозначим через X1, Х2, Z1, Z2 сигналы, полученные
с каждого пикап-электрода, a ΣΖ, ΣΧ-сигналы, соответствующие одновременно подключенным двум вертикальным или двум радиальным электродам; N-состояния, соответствующие отключенным электродам.
Вычисление смещения пучка по результатам измерений ведется в ЭВМ по формуле
MX √(X1S-NS)2 + (X1C-NC)2 - √(X2S-NS)2 + (X2C-NC)2
Х = Xmax
MX √(X1S-NS)2 + (X1C-NC)2+ V(X2 S -N S ) 2 + (X2C-NC)2
где индексы с, s соответствуют косинусной и синусной
составляющим сигналов; Х max -радиальная полуапертура датчика, в первом приближении совпадающая с
резонанс-ный
контур, емкостью которого служит емкость датчика. Для обработки сигнала применено синхронное детектирование. Опорное напряжение на синхронный детектор подается от ВЧ-системы накопителя.
Для расширения динамического диапазона измерений в измерительной системе применен принцип МДМ
(модуляция-демодуляция). Сигнал выбранной гармоники модулируется с частотой FM 1 кГц по амплитуде ключом К1 (рис. 2), детектируется синхронным детектором СД и демодулируется ключами К3-К6. Для
измерения, двух взаимно ортогональных составляющих
входного сигнала с использованием одного СД фаза
опорного напряжения периодически с частотой FM/2
меняется на π/2. При этом напряжение на входе демодулятора представляет собой суперпозицию двух
последовательностей, амплитуды импульсов в которых
Рис. 2. Измеритель тока пучка:
Д-датчик; К1-ключ модулятора; К2-ключ фазовращателя; К3 -К6-ключи демодулятора выходных сигналов;
СД-синхронный детектор.
геометрической;
Mx-калибровочный
коэффициент,
равный отношению емкостей электродов (с учетом емкостей фильтров). Вертикальное смещение пучка (Z)
вычисляется аналогично. Коэффициенты Мx, Mz и величины Хmax и Zmax хранятся в памяти ЭВМ.
Отметим, что оснащение системы преобразователем
частоты позволяет использовать ее на других установках, частота обращения пучка в которых лежит в пределах полосы прозрачности ФНЧ. Именно такой системой оснащен накопитель ВЭПП-3.
Для сжатия динамического диапазона детектируемых сигналов применена схема автоматической регулировки усиления приемника, работающая в импульсном режиме от суммы модулей синусного и косинусного сигналов ΣΖ и ΣΧ с последующим запоминанием
регулирующего напряжения.
Описанная система введена в работу Летом 1977
года при запуске ВЭПП-4. Диапазон токов пучка при
работе составляет 0,025÷10 мА. Среднеквадратичная
погрешность измерений при числе частиц на орбите
4 109 (500 мкА) составила 0,15 мм. Эта же точность
при меньших токах достигается усреднением результатов в ЭВМ.
Ток пучка
Измерение тока пучка основано на определении амплитуды одной из гармоник сигнала, наводимого пучком на интегральный электростатический датчик. Для
выделения нужной гармоники используется
пропорциональны, соответственно, синусной и косинусной составляющим входного сигнала. В демодуляторе
присходит разделение этих последовательностей на
две и их демодуляция. Напряжения с выходов демодулятора измеряются интегрирующим АЦП, и далее, в
ЭВМ, вычисляется модуль входного сигнала.
Калибровка системы проводится подачей гармонического сигнала на контур датчика через эталонную
емкость, величина которой выбирается из условия:
Cэт<<C д /Q,где Q-добротность входного контура.
Описанная система имеет динамический диапазон
измерений более 100 дб и измеряет ток пучка на накопителе ВЭПП-3 в пределах 1 мкА-100 мА. Система
работает на 2 гармонике частоты обращения пучка
(8,06 МГц), азимутальная протяженность пучка не
превышает 50 см.
Частоты бетатронных колебаний
Метод измерения основан на полученииамплитудно-частотн
частиц пучка2. Сигнал от управляемого через ЭВМ
синтезатора частот (рис. 3) через усилитель мощности
подается на кикер, возбуждающий поперечное когерентное движение частиц. Наблюдение за этим движением осуществляют датчики вертикального и горизонтального положения пучка. Амплитудно-частотный анализ сигналов с датчиков выполняется вблизи одной из
гармоник частоты обращения анализаторами спектров
соответствующих каналов. Гетеродинное напряжение
для анализаторов подается от синтезатора частот, что
позволяет частоту анализа изменять синхронно с час-
тотой возбуждения, подаваемой на кикер. Синхронно
с изменением частоты аналого-цифровой преобразователь (АЦП) измеряет предварительно просуммированные сигналы с анализаторов спектров. ЭВМ обрабатывает поступающую из АЦП информацию и результат
выводит на графический дисплей. В качестве кикера
применяется катушка, магнитное поле которой направлено под углoм 45° к плоскости орбиты накопителя.
Это позволяет за одно сканирование возбудить и вертикальные, и горизонтальные колебания частиц пучка
и, тем самым, свести к минимуму время измерения.
колеба-ний
электронов в позитронном канале и наоборот определяется неидеальностью согласования линий (отражение от вакуумных вводов и трансформатора) и составляет 26 дб для датчика на накопителе ВЭПП-4.
На ВЭПП-3, где нет задачи разделения пучков, соответствующие концы линий нагружены на свое волновое сопротивление.
Анализатор спектра сигналов позволяет исследовать сигнал датчика вблизи m-й гармоники частоты
обращения (m = 216 для ВЭПП-4, m = 4 для ВЭПП-3),
которая выбирается из условий, с одной стороны, получения максимальной чувствительности канала и, с
другой, возможности изготовления входных фильтров
с необходимым подавлением посторонних частот. Он
представляет собой селективный приемник с двойным
преобразованием частоты (рис. 4), гетеродинная частота первого преобразования постоянна (nf 0 =
щения пучка), а перестройка частоты анализа осуществляется изменением гетеродинной частоты второго преобразования. Входная часть анализатора содержит предварительный усилитель с избирательным
фильтром на входе, пропускающим лишь одну боковую составляющую бетатронных частот (m + Δνx,z) f0.
Заметим, что при наблюдении одной боковой полосы в
спектре частот бетатронных колебаний амплитуда сигнала на выходе частот.
преобразователя не зависит от фазы
Рис. 3. Структурная схема системы измерениябетатронных
напряжения гетеродина.
На накопителе ВЭПП-4, работающем в режиме
Сигнал промежуточной частоты, усиленный полосовстречных электронных и позитронных пучков, система
вым усилителем, поступает на второй преобразователь
наблюдения состоит из четырех одинаковых каналов,
частоты, гетеродинным напряжением для которого явосуществляющих наблюдение за вертикальными и голяется сигнал с синтезатора частот, служащий также
ризонтальными колебаниями раздельно электронного и
для раскачки пучка. Весь диапазон сканирования пропозитронного пучков. На накопителе ВЭПП-3, работаводится дискретно за 250 шагов. На каждом шаге
ющем с пучком либо электронов, либо позитронов поАЦП измеряет и запоминает просуммированный сигочередно, система включает два одинаковых канала
нал со всех каналов наблюдения; диапазон АЦП по
слежения за вертикальными и горизонтальными колечувствительности выбирается автоматически в зависибаниями. Структурная схема измерительного канала
мости от величины тока пучка в накопителе.
одинакова для обоих накопителей и представлена на
рис. 4.
Рис. 5. ВЭПП-3. Положение рабочей точки в сетке
частот бетатронных колебаний.
Рис. 4. Блок-схема системы наблюдения.
Датчик бетатронных колебаний представляет собой
четыре полосковые 50-омные линии. Сигналы с противоположных линий подаются на вычитающий трансформатор, имеющий входное сопротивление, равное
волновому сопротивлению линии. Применение согласованных полосковых линий в качестве датчика позволяет разделить сигналы электронных и позитронных
сгустков, которые снимаются с противоположных концов линий. Ослабление сигнала бетатронных
32 Заказ № 785
Обработка цифровой информации осуществляется
программируемым контроллером. Сначала производится сглаживание амплитудно-частотной характеристики
путем усреднения по нескольким точкам измерения и
вычитание шума. Затем производится разделение резонансных кривых, определяются центры тяжести
каждой из них. Значения центров тяжести и являются
величинами бетатронных частот. Метод позволяет получить информацию о разбросе частот поперечных колебаний пучка.
На графический дисплей выводятся амплитуд249
221
преобра-зователя
АЦП
и таймера
Т1. Старт
преобразователя
но-частотная характеристика и сетка частотбетатронных
колебаний,
на которой
отмечено
измеренное
производится
таймером
Т2.
Измерения
идут
до
заполжение рабочей
точки
(рис.
5).
Точность
измерения
нения запоминающего устройства преобразователя,
частот 10-3 f0; амплитуда вынужденных колебаний в
после -чего информация
передается
ЭВМ.
Преобра- составляет доли
пучке при рабочих токах накопителей (5 ÷ 10 мА
ВЭПП-4,
54÷100вмА
- ВЭПП-3)
зователь 1имеет быстродействие
1 отсчет/мкс,
емкость при которых
метрических размеров сгустков; время измерения
с; минимальные
токи пучков,
запоминающего
устройства
4096
слов.
можны измерения, ~ 50 мкА, при этом амплитуда коНа рис. 7 представлена картина тока и положения
лебаний пучка порядка учетверенного поперечного
впускаемого пучка на экране дисплея. Пучок впускаразмера и отношение сигнал/шум порядка трех.
ется в сепаратрису, где уже имеется циркулирующий
ток. Большое деление по горизонтали соответствует
Параметры впускаемого пучка
Для контроля параметров впускаемого, а также
стационарно циркулирующего пучков в накопителе
ВЭПП-4 используется система, в которой на каждом
обороте, начиная с первого, регистрируются
координаты пучка в некотором сечении накопителя3. Координаты представляют собой выборки из бетатронных и/или
синхротронных колебаний, совершаемых пучком около
равновесного положения.
Параметры колебаний определяются путем дискретного спектрального анализа совокупности выборок.
Измерение амплитуды и фазы для впускаемого пучка
позволяет настраивать угол и координаты пучка в
месте впуска в накопитель, а также энергию и фазу
впуска в сепаратрису.
Выделение импульсного сигнала нужного пучка электронного или позитронного или пучка в данной сепаратрисе - производится стробированием. Система
оснащена устройством импульсного воздействия на
пучок для измерения бетатронных частот стационарно
циркулирующего пучка. Управление системой, спектральный анализ выборок с использованием алгоритма
быстрого преобразования Фурье, индикация результатов проводится с помощью ЭВМ.
В системе используются электростатические датчики и фильтры, аналогичные примененным в системе
измерения равновесной орбиты. Система имеет три
Рис. 7. Картина тока и положения впускаемого
пучка. Большое деление по горизонтали соответствует двадцати пяти оборотам пучка. Вертикальный
размер рамок равен 1/3 апертуры датчика.
двадцати пяти оборотам. Средний ток пучка 400 мкА.
Видны потери частиц на первых двадцати оборотах,
синхротронные и бетатронные колебания, обусловленные неидеальностью условий впуска. Чувствительность
системы составляет 15 мкА.
Кроме наблюдения динамики захвата пучка в синхротронный
впуска и измерения частот колебаний, система использовалась для измерения связи вертикальных и горизонтальных бетатронных колебаний, регистрации влияния на пучок «хвостов» поля впускного магнита и измерения β-функций путем вариации градиента поля в
квадрупольной линзе.
Предстоящая модернизация накопителя ВЭПП-4
предполагает, в частности, развитие системы с целью
более полного измерения β-функций. Измерения будут
проводиться в совокупности точек азимута накопителя
путем регистрации амплитуды колебаний пучка, возбужденных импульсным воздействием. Эта же система
будет использоваться для измерения равновесной орбиты пучка.
Литература
1. Дементьев Е.Н. и др. Измерение равновесной орбиты в
электрон-позитронном накопителе ВЭПП-4. -Труды VI Всесоюз.
совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна; ОИЯИ,
1979, т. 1, с.322.
Рис. 6. Система многооборотного контроля пучков:
2. Зиневич Н.И., Мишнев С.И., Темных А.Б., Шубин Е.И. АвС-станция, У-усилитель; Кл-ключ; УПТ-уситоматизированные системы измерения частот бетатронных колелитель постоянного тока; АЦП-аналого-цифровой
баний на накопителях ВЭПП-3, ВЭПП-4. -Препринт ИЯФ 84-66.преобразователь;Т1и Т2-таймеры; Р-регистр.
Новосибирск, 1984.
канала-для измерения тока и вертикальной и горизон3. Батраков A.M. и др. Диагностика впускаемого и циркулирующего пучков с помощью пикап-электродов в накопителе
тальной координат. Устройство системы показано на
ВЭПП-4. -Труды VII Всесоюз. совещания по ускорителям зарярис. 6. Изображен один канал, обведенный рамкой.
женных
частиц. Дубна; ОИЯИ, 1981, т.2, с. 136.
Сигнал от станции С, установленной на накопителе,
поступает на усилитель У и затем на стробирующее
устройство, состоящее из ключа Кл, емкости С, буферного усилителя УПТ, аналого-цифрового
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа