Способ уменьшения погрешности по фазе и импульсу при инжекции сгустка частиц на орбиту синхротрона

СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ПО ФАЗЕ И ИМПУЛЬСУ ПРИ ИНЖЕКЦИИ СГУСТКА ЧАСТИЦ НА ОРБИТУ СИНХРОТРОНА, включающий изменение фазы ускоряющего напряжения в зависимости от отклонения центра тяжести сгустка частиц от синхронной фазы, отличающийся тем, что, с целью снижения энергетических затрат, фазу ускоряющего напряжения изменяют в момент максимального отклонения центра тяжести сгустка на величину, равную половине этого отклонения, а через половину периода синхротронных колебаний в сгустке частиц фазу ускоряющего напряжения восстанавливают до первоначального значения.

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц, а именно к синхротронам.
Известен способ уменьшения ошибок посадки сгустка частиц путем уменьшения погрешностей систем синхронизации перевода пучка.
Однако в современных синхротронах этот способ часто не обеспечивает требуемой степени уменьшения ошибок посадки сгустка частиц.
Из известных способов уменьшения ошибок посадки сгустка частиц наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в статье Иванова Ю.С. и Кузьмина А.А. "Система управления частотой ускоряющего напряжения по данным о пучке".
В этом случае используют сигнал, пропорциональный смещению фазы центра тяжести сгустка относительно синхронной фазы для управления частотой (или, что то же самое, управления фазой с помощью предварительно проинтегрированного сигнала) ускоряющего напряжения с целью подавления этого смещения.
Однако данный способ в случае использования в ускоряющей системе высокодобротных резонаторов обладает высокой энергоемкостью, так как требует большого уровня высокочастотной мощности.
Целью предлагаемого способа является снижение энергоемкости.
Поставленная цель достигается тем, что в момент максимального отклонения _m фазы центра тяжести сгустка от синхротронной фазы фазу ускоряющего напряжения изменяют на величину _m/2, через половину периода синхротронных колебаний фазу ускоряющего напряжения изменяют до первоначального значения.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию существенные отличия, так как в известной литературе отличительные признаки по данному назначению не использовались.
На фиг. 1 представлена структуpная схема устройства для pеализации способа уменьшения ошибок посадки сгустка частиц по фазе и импульсу на орбиту синхротрона; на фиг.2 представлена траектория движения центра тяжести сгустка на фазовой плоскости ( , ), где фаза частицы относительно синхронной фазы, величина, пропорциональная импульсу частицы.
Фазовый детектор 1 измеряет разность фаз между сигналом с датчика пучка 2 (показывающего положение центра тяжести сгустка) и фазой суммарного ускоряющего напряжения на выходе сумматора 3, суммирующего сигналы с основной 4 и дополнительной 5 ускоряющих систем, информация с фазового детектора 1 используется в устройстве управлений 6, которое в определенные моменты времени, задаваемые синхронизатором 7, вырабатывает сигналы для управления фазовращателем 8. Фазовращатель установлен в тракте передачи от задающего генератора 9 к дополнительной ускоряющей системе 5.
В синхротронах заполнение орбиты сгустками порциями производится по одному или несколько сгустков (цуг сгустков), например, с интервалами 6,5 с инжектируются 12 цугов, каждый цуг содержит примерно 600 сгустков.
Из-за погрешностей системы синхронизации фаза и импульс очередного сгустка (цуга) отличаются от ранее инжектированных сгустков. В результате возникают фазовые колебания центра тяжести этого сгустка (цуга), что в конечном счете приводит к ухудшению параметров пучка. Подавление фазовых колебаний можно обеспечить модуляцией фазы ускоряющего напряжения по определенному закону (см.например, прототип) индивидуально для каждого неправильно посаженного сгустка (цуга). Таким образом необходимо обеспечивать перестройку фазы ускоряющего напряжения в паузе между сгустками (цугами). Такая перестройка будет обеспечиваться дополнительной ускоряющей системой с зашунтированными до добротности W 50 резонаторами, так как резонаторы основной ускоряющей системы (при добpотности Q 2500) имеют постоянную времени 4 мкс, а пауза между цугами равна 0,5 мкс. Однако при шунтировании резонаторов уменьшаются ускоряющее напряжение, создаваемое ими (при одной и той же мощности генераторов), а следовательно, уменьшается и амплитуда модуляции фазы основного ускоряющего напряжения, которую можно обеспечить этими резонаторами. Для обеспечения требуемого фазового сдвига необходимо повысить мощность генераторов.
Процесс уменьшения ошибки посадки цуга показан на фиг.2. Положение центра тяжести сгустка после посадки на фазовой плоскости ( , ) изображено точкой а. Это положение отличается от его номинального положения, изображенного точкой b. В результате возникает фазовое движение центра тяжести сгустка вокруг точки b. В точке с фаза центра тяжести сгустка достигает максимального отклонения _m от синхронной фазы b. В этот момент изменяют фазу ускоряющего напряжения на величину _m/2 (это изменение фазы видит только данный цуг, поскольку на каждом обороте пучка в синхротроне такое изменение фазы производится в паузе между ранее посаженными цугами и данным d цугом), в результате синхронная фаза занимает новое положение d. Теперь фазовое движение центра тяжести сгустка происходит вокруг точки а. Через половину периода синхротронных колебаний центр тяжести сгустка попадает в точку b. В этот момент фазу ускоряющего напряжения изменяют до первоначального значения. В результате синхронная фаза переместится в точку b и центр тяжести сгустка совпадает с синхронной фазой. Таким образом, завершился процесс уменьшения ошибки посадки.
Данный способ целесообразно применять в синхротронах, у которых в ускоряющей системе используются высокодобротные резонаторы.
Например, из-за ошибок посадки амплитуда фазовых колебаний центра тяжести сгустка будет достигать величины _m 12^о. По способу, описанному в прототипе, для подавления этих колебаний фазу ускоряющего напряжения необходимо модулировать с амплитудой не менее 12^о. По предлагаемому способу фазу ускоряющего напряжения необходимо сдвигать только на величину _m/2 6^о.
Для сдвига фазы ускоряющего напряжения с помощью дополнительной ускоряющей системы на 6^о требуется высокочастотная мощность генераторов (с частотой 200 МГц), составляющая 0,65 МВт, а на 12^о 1,3 МВт.
Таким образом, в два раза снижается требуемая мощность ВЧ-генераторов, а значит сокращается количество дорогостоящего высокочастотного оборудования.
Использование предлагаемого способа уменьшения ошибок посадки сгустка частиц по фазе и импульсу обеспечивает снижение в два раза требуемой мощности генераторов в дополнительной ускоряющей системе.
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке систем инжекции кольцевых ускорителей на высокие энергии. Целью изобретения является снижение энергетических затрат. Согласно данному способу, по сигналу, дающему величину отклонения сгустка частиц от синхронной фазы, в момент максимальной величины этого отклонения за малый по сравнению с периодом синхронных колебаний промежуток времени изменяют фазу ускоряющего напряжения на половину этого отклонения. После этого по прошествии половины периода синхронных колебаний частиц в сгустке фазу ускоряющего напряжения возвращают к исходному значению. Снижение энергозатрат по сравнению с прототипом обеспечено уменьшением перестройки фазы ускоряющего напряжения в резонаторах, обладающих определенной запасенной энергией. 2 ил.