Способ поддержания изохронизма в релятивистком циклотроне

ОПИСИЗОБРЕТЕН ИЯ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявл 6-25 ено 12.04,71 (21) 1645584/2 оединением заявки Ме 18923 1) М Клз Н 05 Н 13/00 Государственный комите СССР(45) Дата опубликования описания 30.10.7 3) УДК 621.384,6(088,8) о делам изобретений и открытий 2) Авторь Онищенко овик изобретени шлянник(71) Заявитель ъединенныи институт ядерных исследован 54) СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ИЗОХРОНИЗ В РЕЛЯТИВИСТСКОМ ЦИКЛОТРОНЕобласти ускор быть использов лях изохронно в цикличеичиной магичиной полшением = стиц с ве и ве оотн где е частицы, с - скоЕрость света, В изохронном циклотроне, где отсутствует фазовая фокусировка, величина частоты обращения должна поддерживаться постоянной с возможно большей точностью и равняться частоте ускоряющего напряжения /о, При создании моноэнергетического циклотрона допустимый фазовый сдвиг не должен превышать . нескольких градусов, а частота обращения при этом должна поддерживаться постоянной с точностью 10 - 5.Чтобы удовлетворить этому требованию обычно применяют систему автоматического регулирования, в которой регулирующими элементами являются дополнительные обмотки магнитного поля, а в качестве измерительного элемента, получающего информацию о степени изохронизма от ускоряемого пучка, используют измеритель фазы пролета пучка. Изобретение относится тельной техники и может но в циклических ускори типа. Частота обращения ч ском ускорителе / связан нитного поля на орбите б ной энергии частицы Е аИзвестны способы поддержания изохронизма в циклотронах, основанные на коррекции магнитного поля по фазе пучка.Измеритель фазы пролета пучка состоит 5 пз чувствительного элемента и фазометра.Чувствительный элемент представляет собой устройство для получения электрического сигнала, пропорционального мгновенной азимутальной плотности сгустка ча О стиц (индукционный датчик). Сигнал с индукционного датчика после преобразования (понижения) его частоты поступает нафазометр, где происходит сравнение фазы пучка с фазой ускоряющего напряжения.15 Информация о фазе пучка из фазометрпчсских каналов через коммутатор поступает на преобразователь аналог-код и с него - на ЭВМ. При помощи ЭВМ определяются отклонения магнитного поля ЛЬ(г) от 20 пзохронного закона и методом наименьшихквадратов находятся значения корректирующих токов в обмотках магнита.Описанная здесь система регулированиясодержит несколько (порядка десяти и бо лее) датчиков фазы и такое же число фазометрических трактов. Поскольку при изготовлении этих трактов (а также и датчиков) неизбежна некоторая их неидентич ность, возникают неконтролируемые 3 О сдвиги фазы, что приводит к необхо3димости независимой калибровки каждоготракта.Операция Опредслеци 51 ЛЬ(г) связана сдифференцированием измеряемой зависимости разы пучка от радиуса. В этом состоитвторои недостаток известного способа поддержания изохронизма, так как дифференцирование экспериментальной зависимостир приводит к значительным погрешностям.Третий недостаток известного способасвязан с необходимостью преобразования(понижения) частоты исследуемого сигнала, что обычно приводит к ограничению полосы всей измерительной аппаратуры величиной порядка 100 кГц.В современных циклотронах, рассчитанных на ускорение разных частиц и регулирование их конечной энергии, частота обращения частиц изменяется в широких пределах (в два-три раза). Это приводит к необходимости каждый раз при изменениирежима работы циклотрона перестраиватьпо частоте фазометрические тракты системы стабилизации по фазе пролета.Цель изобретения - повышение точностиподдержания изохронизма.Это достигается использованием коррекции магнитного поля по частоте обращениячастиц, для чего пучок временно переводятв режим циркуляции за счет модуляцииускоряющего напряжения.Циркулирующий пучок получают, используя импульсный режим работы генератораускоряющего напряжения. Так как ускорение сгустка от центра циклотрона (или отрадиуса ицжекции) до определенного радиуса требует некоторого времени г (порядка 100 мкс), то частицы, инжектируемые в ускоритель в течение времени т перед выключением ускоряющего напряженйя, не ускоряются до конечной энергии,а продолжают циркулировать на промежуточных радиусах, При этом вся камераускорителя от начального до конечного радиусов заполняется циркулирующими сгустками.Циркулирующий сгусток, проходя подиндукционным датчиком тока пучка, наводит на этом датчике сигналы, частота следования которых равна частоте обращениясгустка, Она может быть измерена, например, электронным частотометром с высокойстепенью точности.Точность измерения частоты электроннымчастотометром зависит от величины измеряемой частоты и времени измерения. Частота обращения частиц в циклотроне обычно порядка 10 1/с. При времени измерения10 в с будет сосчитано 10 импульсов и точность измерения частоты будет порядка10 - ,Для реализации предлагаемого способанеобходим циркулирующий (вращающийсябез ускооения) пучок. Если циклотрон ра 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 4ботает непрерывно (без модуляции ускоряющего напряжения), то для получения циркулирующего п чка необходимо специально вводить модуляцию ускоряющего напряжения. В циклотронах, работающих в импульсном режиме (в таком режиме работакг, например, циклотроны Уи Улаборатории ядерных реакций, циклотрон Института атомной энергии), можно использовать существующую модуляцию ускоряющего напряжения.Необходимая периодичность измерения и коррекции отклонений от изохронизма зависит от постоянной времени магнита, которая обычно в циклотронах порядка секунды. Поэтому для измерения частоты обращения достаточно промодулировать ускоряющее напряжение с периодом, например 1 с и длительностью паузы, например, 10 мс, При этом циклотрон будет работать в квазинепрерывном режиме, Уменьшение средней интенсивности составит 1/о, Для реализации режима циркуляции циклотрон переводят в квазинепрерывцый режим работы с отношением длительности импульса тока к периоду, равным 99%,На чертеже приведена схема системы для автоматического поддержания изохронизма по частоте обращения.Оца содержит импульсный генератор 1, синхронизатор 2, модулятор 3 ускоряющего напряжения, индукционные датчики 4 электронные счетчики 5, коммутатор 6 входов, ЭВМ 7, коммутатор 8 выходов, преобразователь 9 код - аналог, источник 10 питания, корректирующие обмотки 11,В течение паузы циркулирующий без ускорения пучок наводит ца индукционных датчиках 4, распределенных по радиусу, сигналы, частота которых измеряется электронными счетчиками 5.Число индукционных датчиков выбирают равным числу корректирующих катушек; обычно в изохронном циклотроне это число порядка 10 - 20. К каждому индукционному датчику подключен собственный электронный счетчик, который сосчитывает число импульсов, поступающих с индукционного датчика в течение времени счета (примерно равно времени паузы ускоряющего напряжения), Это число импульсов пропорционально частоте обращения частиц.Измеренные таким образом частоты обращения частиц на разных радиусах, т. е. зависимость частоты обращения от радиуса, передается через коммутатор в ЭВМ 7, где сравнивается с расчетной частотой обращения, величина которой хранится в памяти ЭВМ. Таким образом определяют отклонения частоты обращения от расчетной, линейно связанные с отклонениями величины магнитного поля от изохронного значения на тех же радиусах. Таким образом, следующая операция, которую выполняет ЭВМ, - это пересчет измеренных отклонений частоты в отклонения магнитного поля от изохронного закона. В результате определяется функция ЛЬ(г).Методом наименьших квадратов ЭВМ находит значения токов в корректирующих обмотках 11, которые необходимо установить для компенсации найденного отклонения Лб(г). В результате находят числовые значения корректирующих токов 7 для каждой корректирующей обмотки,Найденные таким образом значения корректирующих токов поступают на преобразователи 9 код-аналог, каждый из которых управляет отдельным источником 10 питания, регулирующим ток в соответствующей корректирующей обмотке, в результате чего во всех корректирующих обмотках 11 выставляются значения токов 1, равные вычисленным.В течение паузы ускоряющего напряжения выполняются только операции измерения частоты обращения и их запоминания. Все остальные операции могут выполняться по окончании паузы.Способ поддержания изохронизма по частоте обращения обладает следующими преимуществами перед способом поддержания изохронизма по фазе пролета: отклонение частоты обращения линейно связано с отклонением магнитного поля указанным соотношением, и обработка результатов измерения на ЭВМ, которая производится на третьем этапе для нахождения регулирую щих токов в обмотках коррекции, не приводит к потере точности; измерение частоты обращения электронным частотометром - абсолютное измерение и не требует дополнительной калибровки; при применении для 0 измерения частоты электронного частотометра полоса частот измерительной части системы регулирования практически не ограничена.При изменении частоты информационный 15 сигнал о нарушении изохронизма представляется сразу в цифровом виде и не требует преобразователя аналог-код.Формула изобретения 20 Способ поддержания изохронизма в релятивистском циклотроне при помощи коррекции магнитного поля по измеренным параметрам пучка, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, пучок 25 временно переводят в режим циркуляцииза счет модуляции ускоряющего напряжения, измеряют частоту обращения частиц пучка, а коррекцию производят по измеренной величине частоты.