Стабилизация излучения бетатрона Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

(Представлена научным семинаром научно-исследовательского института ядерной

физики)

В силу ряда своих преимуществ перед другими ускорителями на малые энергии бетатрон находит все более широкое применение. В связи с этим ставятся задачи достижения надежной работы бетатрона, повышения интенсивности излучения, стабилизации интенсивности и энергии излучения, колеблющихся в значительных пределах вследствие колебаний параметров пихающей сети.

Стабилизация излучения может быгь достигнута либо стабилизацией всего питания установки (схема Леонарда), либо стабилизацией параметров отдельных узлов бетатрона [1|, т. е. необходимо применение громоздких и дорогостоящих устройств и схем. В последнее > время были разработаны также и электронные схемы, позволяющие стабилизировать интенсивность [2, 3] и энергию [4, 5] на заданном уровне.

Схемы стабилизации интенсивности по отклонению имеют ряд недостатков:

1) работают устойчиво лишь при невысоких значениях уровня снижая тем самым эффективность установки;

2) стабилизируется интегральное значение интенсивности за промежуток времени, определяемый инерционностью системы, что может привести к регистрации ложных дефектов при сцинтилляционном методе дефектоскопии.

Известные схемы стабилизации энергии весьма сложны по устройству и в настройке. Для целей дефектоскопии и ргнтгенорадиологии они могут быть сделаны существенно ботее простыми за счет снижения точности стабилизации и, следовательно, более надежными.

Многим требованиям может уъозлгтворигь схема стабилизации излучения, описанная ниже. Ее работа основана на принципе автоматического изменения фаз импульсов инжекции и смещения в зависимости от колебаний основных параметров бетатронной установки в соответствии с заданными законами для оптимальной фазы инжекции (1) и энергии (2) у-излучения:

Том 162

1967

СТАБИЛИЗАЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ БЕТАТРОНА

А. П. ГРИГОРЬЕВ, В. И. ГОРБУНОВ

Уиг

(О

' 0,297г Ф = 300гпЯОт з1п а,

(2)

где г0 — радиус равновесной орбиты,

В0т — максимальная индукция на радиусе равновесной орбиты, ¿/¿ — напряжение инжекции,

ас = — фаза импульса тока в обмотке смещения.

Подстройка фазы инжекции на оптимальное значение (1) позволяет получить оптимальные условия захвата и тем самым интенсивность^ близкую к максимальной и относительно стабильную, если стабилизирована энергия излучения (накалы ламп и инжектора стабилизируются обычными схемами). Стабилизация энергии может быть достигнута изменением фазы ае в соответствии с изменением индукции В0т (2). Как видно из вышеизложенного, в данном случае применяется, в отличие от известных ранее способов, стабилизация излучения по возмущению.

Задачу автоматического изменения фаз инжекции и смещения выполняют каскады преобразователей „амплитуда — время" [6]. Они представляют собой запертые мультивибраторы на пентодах„(рис. 1, лампы и Л8Л9). Длительность формируемого преобразователем

прямоугольного импульса может регулироваться не только при изменении постоянной времени цепочки но и изменением потенциала на экранных сетках. При этом с ростом напряжения на экранной сетке левого пентода Л8 длительность импульса возрастает^ а с ростом напряжения на сетке правого пентода Л9— уменьшается. Это их свойство и использовано при построении схемы. Информация о колебаниях индукции, напряжении инжекции и частоте, которую содержат амплитуды сигналов с датчиков этих величин, подается на соответствующие сетки, чем и достигается получение плавающей по определенному закону задержки импульса фазы инжекции или смещения.

Настройка схемы проводится на основании следующих теоретических положений.

Необходимое изменение фазы инжекдии для получения ее оптимального значения при колебаниях величин, входящих в уравнение (1), может быть получено с помощью метода линейной аппроксимации. Монотонная аналитическая функция t¡ может быть разложена в ряд Тейлора в окрестностях выбранной рабочей точки, которая определяется выбором напряжения иь в результате чего получим линейную модель уравнения (1):

Д*, - % - дВ,т - До>. (3)

2Ui В

От

О)

Таким образом, для получения оптимальных условий захвата необходимо учитывать приращения трех параметров, в зависимости от которых должна изменяться фаза инжекции. Изменение это должно происходить по линии оптимальных фаз (рис 2).

Выберем в качестве датчика индукции В0т и частоты ь> в^тки, располагаемые на ярме электромагнита, а в качестве датчика напряжения инжекции — делитель из сопротивлений. Тогда уравнения датчиков можно записать:

Ugl = С^В0а9 (4)

Ug2 = С%ии (5)

где Сх — const— определяется числом витков датчика и охватываемым ими магнитным потоком;

С2 = const — определяется параметрами делителя.

411Й

0 + ЗОСу

Рис. 1\ Принципиальная схема стабилизации излучения

/

Используя известную методику расчета структурных^ схем систем автоматического управления [7] и уравнения (3—5), можно определить коэффициенты преобразования амплитуд в длительность для преобразователя (Л8Лд):

¿ю . ^ ¿¿о ^

Кв

иа

К с» =

и:

Кш =

2 U*

Оказывается, что Кв = Кш, т. е. если преобразователь настроить на учет только колебаний индукции, то он учитывает и колебания частоты, и подстройка фазы инжекции ведется в соответствии с уравнением (1)

íli(KV)

' мксе*

Рис. 2. Графики зависимости напряжения инжекции от оптимальной фазы инжекции 1 — при Uc ном: 2— при ис ном + 3 —при UCH0M—10%

по обеим параметрам. Коэффициенты преобразователя (6) указывают, что фаза инжекции с ростом величин В0т и ш должна уменьшаться, а с ростом Ui — увеличиваться.

Используя основные особенности преобразователя (Л8Л9) и учитывая уравнения (S), подаем информацию о напряжении инжекции на экранную сетку левой лампы JI8, а информацию о В0т, ш — на сетку правой лампы 779. Воздействие сигналов с датчиков должно быть таким, чтобы удовлетворить уравнениям (1) и (3).

Для схемы стабилизации энергии можно привести рассуждения, аналогичные вышеизложенным. Как видно из уравнения (2), энергия излучения при постоянной фазе сброса является функцией только индукции, так как г0 практически постоянно. Требование стабильности энергии на заданном уровне можно представить в виде

W* = 300 пВ0т sin ас = а2 = const, (7)

откуда

где а> =

sin ас

ао

В

(8)

От

W*

300л

постоянная для ньюранного уровня энергии

Из уравнений (7) и (8) следует, что для получения стабильной энергии необходимо, чтобы при колебаниях индукции фаза смещения изменялась бы в соответствии с уравнением (8). Практически фаза смещения изменяется с помощью изменения задержки импульса кас-

кадом преобразователя и измеряется в сек, поэтому целесообразно выделить в выражении (8) время tc в чистом виде. Это даст также возможность оценить влияние частоты на стабильность энергии и возможность коррекции частотных колебаний. Тогда

fc = - arc sin(9)

<0 В0т ,

Отсюда можно получить линейную модель для фазы смещения:

• j sin2о>£. дп tc А

=--— Д5от--- Ао>. (10)

ша2'cos ш

Используя уравнение датчика

= (11)

и линейную модель (10), по известной методике [7] можем получить требуемые условиями стабильности энергии коэффициенты преобразования изменений величины сигнала датчика в длительность задержки

Ка>= — -JJ- . (12)

Ug з-

t Г

Как видно из (12), в данном случае коэффициенты КвФКш* а поскольку информация о В0т и «> получается с одного датчика и передается по одному каналу, то очевидно, что настроенный на учет колебаний величины Вот преобразователь не сможет полностью скорректировать частотные колебания. Они корректируются лишь при Кв = Кш, когда tgcotc — a>tc, т. е. когда угол ас = u>tc достаточно мал. Однако погрешность, обусловленная частотными колебаниями, достаточно мала (не превышает 0,14%).

Из уравнений (10) и (12) видно, что с ростом величин Вот и о> задержка импульса смещения должна уменьшаться, на что указывают знаки „минус-, поэтому необходимо подавать информацию об этих величинах на правую сетку преобразователя. В схеме (рис. 1) эта информация подается на левую сетку, но через усилительный каскад, который выполняет роль фазоинвертора и роль структурной нелинейности, позволяющей получить нелинейные коэффициенты Кв и Кш с большей точностью.

Принципиальная схема (рис. 1) была построена и испытана на основании вышеизложенных положений. Работает схема следующим образом. Отрицательный импульс с датчика нуля магнитного поля усиливается {JI\) и запускает каскады преобразователей (Л3Л4 и Л8Л9). Сформированный прямоугольный импульс дифференцируется и задним фронтом через усилитель (Ль и Л10) запускает каскад на тиратроне (JIG и Лп), формирующий поджигающие импульсы для схем инжек-ции (нижний канал) и смещения (верхний канал).

В канале инжекции на сетку лампы (Л8) через катодный повторитель (Л7) подается информация о величине напряжения инжекции, а на сетку Л9 — информация о величинах Вот и и>. Цепочки, включенные между датчиками и экранными сетками, а также катодный повторитель (Л7), служат для получения необходимой крутизны преобразования амплитуд в длительность, т. е. коэффициентов Кв-> Кш, Ки+ Аналогично подается информация об индукции и частоте в канале смещения, где используется усилитель Л2, о назначении которого сказано выше.

Полученные при настройке схемы экспериментальные данные с достаточной точностью (которая может быгь повышена) совпадают с необходимыми расчетными данным'и. Энергия излучения может быть стабилизирована с точностью % при колебаниях напряжения сети в пределах ±10% (табл. 1).

Таблица 1

Уровень стабилизации энергии

W мэв 15 20 25 30

д w% + 10 0 -10 —15 + 10 0 —10 -15 + 10 0 —10 -15 + 10 0 -10 -15

íc-103 мксек 14,1 15,65 17,74 18,9 19,2 21,7 24,8 26,7 25,8 28,9 34,1 38,2 32,8 40,0 —

£/дз(в) Расчетное 5,5 5 4,5 4,25 6,05 5,5 4,95 4,68 7,7 7 6,3 5,95 7,92 7,2 6,5

^дз(в) Эксперимент 5,5 5 4,5 4,25 6,05 5,5 4,97 4,65 7,7 7 6,33 5,95 7,90 7,2 6,5

Канал инжекции также позволяет получить значения изменений фазы инжекции при колебаниях сети с высокой точностью, совпадающие с расчетными (рис. 2).

Предлагаемая схема удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к бетатронному дефектоскопу; может быть полезна и для бетатронов другого назначения в силу одного из своих основных преимуществ: стабилизация излучения осуществляется от импульса к импульсу.

В настоящее время на основе этой схемы заканчивается разработка комбинированной схемы стабилизации излучения, которая позволит получить весьма стабильную интенсивность при высоких уровнях.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. М. Разин. Известия ТПИ, т. 87, стр. 206—215.

2. Ю. М. Акимов и др. Труды IV Межвузовской конференции по электронным ускорителям, 324—328, Высшая школа, Москва, 1964.

3. Е. М. Белов, В. Н. Титов. ИВУЗ. «Радиотехника», 1960, № 1.

4. Н. Н. Баламатов, Б. А. Юрьев. ПТЭ, № 4( Изд. Академии наук СССР, Москва 1963

5. К. N. G е 11 е г. Nucí. Instr s methods 17, N 2, 161—168, 1962.

6. Научный отчет по теме 1004/63 «ДефектоскогШя пластмасс сцинтилляционньш методом». Томск, ТПИ, 1963.

7. Дж. Т э л е р, М. Пестель. Анализ и расчет нелинейных систем автоматического управления, «Энергия», Москва, 1964.