Управление параметрами пучков в ионных синхротронах и каналах транспортировки

*
СОДЕРЖАНИЕ
2
Введение. ____________________________________________________________3
Глава 1. Принципы стабилизации радиального положения пучка в
ионных синхротронах.________________________________________6
Глава 2. Метод стабилизации радиального положения пучка в процессе
ускорения в ионном синхротроне Б-5.________________________22
Глава 3. Концепция и конфигу рация адаптивной системы управления
параметрами пучка в протонном синхротроне ТРАПП. 32
Глава 4. Теория датчика тока изображения для измерения положения
пучка._____________________________________________________44
Заключение. ___________________________________________________________70
Цитированная литература.__________________________________________________74
78
3
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена теоретическим аспектам диагностики и управления параметрами пучков заряженных частиц в ионных синхротронах и электронно-оптических каналах транспортировки.
В первой главе описаны принципы стабилизации радиального положения пучка в ионных синхротронах.
Решение главной задачи ускорителя - ускорение пучка без потерь - в принципе может быть обеспечено благодаря точности и стабильности параметров силового оборудования, к которому, прежде всего, относятся источники питания магнитной системы ускорителя и система формирования ускоряющего пучок напряжения (ВЧ система). Далеко не всегда только такой способ решения задачи достаточно эффективен и экономичен.
Вместе с тем известно, что при наличии системы обратной связи (о.с.) “по пучку”, которая обеспечивает стабилизацию радиального положения пучка, значительно снижаются требования на точность и стабильность параметров магнитной и ВЧ систем, на точность их согласования.
В достаточно многочисленных работах, посвящённых описанию методов стабилизации радиального положения пучка в ионных синхротронах, либо вообще не уделяется внимания динамике системы ‘ВЧ-пучок’ при наличии сигнала о.с. “но пучку”, либо дело ограничивается исследованием устойчивости системы о.с. той или иной конкретной конфигурации и задача о построении оптимальной конфигурации системы о.с. не ставится.
Первая глава посвящена исследованию динамики системы ‘ВЧ-пучок’ при наличии сигнала о.с. и решению задачи об оптимальной конфигурации системы
о.с. “по пучку”, которая позволяет реализовать максимальный темп стабилизации радиального положения пучка в ионных синхротронах.
Во второй главе описан простой и эффективный метод стабилизации радиального положения пучка в процессе ускорения в ионном синхротроне Б-5 (разработан в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск для Института медико-биологических проблем, Москва и для Радиевого Института им. В.Г. Хлопина, Санкт-Петербург).
Специфика синхротрона Б-5 состоит в сравнительно малом времени ускорения пучка - Юме. В результате формирование нормированного на ток сигнала радиального положения пучка представляет известную проблему.
С целью упрощения конфигурации системы о.с. “по пучку” предложено в качестве сигнала для петли о.с. но “радиальному положению” использовать знак радиального положения пучка.
Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному доказательству эффективности системы о.с. предложенной конфигурации.
В третьей главе предложена концепция и построена конфигурация адаптивной системы управления параметрами пучка для медицинского протонного синхротрона ТРАПП (ПЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск).
Система управления синхротрона ТРАПП, разработанного для протонной томографии и терапии, должна быть способной оперативно - в пределах текущего цикла ускорения - управлять энергией (увеличение - уменьшение) и радиальным положением пучка (для вывода части пучка с заданной интенсивностью) в зависимости от результата очередного акта облучения.
Адаптивное управление параметрами пучка предполагает принципиально апериодический режим управления. В этих условиях традиционный метод сопряжения частоты ускоряющего напряжения с уровнем ведущего магнитного ноля представляется недостаточно надёжным.
Адаптивное управление радиальным положением пучка предполагает наличие эффективной системы стабилизации радиального положения пучка.
5
Третья глава посвящена разработке концепции и построению конфигурации адаптивной системы управления для протонного синхротрона ТРАПП, включая нетрадиционный метод сопряжения частоты ускоряющего напряжения с уровнем ведущего магнитного поля и метод максимально эффективной стабилизации радиального положения пучка.
В четвёртой главе построена теория датчика тока изображения (ДТИ) для измерения положения пучка.
Азимутальное распределение тока изображения, наводимого пучком в проводящих стенках вакуумной камеры канала транспортировки, содержит информацию о токе пучка, положении его центра тяжести и о высших моментах поперечного сечения пучка.
Чтобы измерять азимутальное распределение тока изображения, следует тем или иным способом включить нагрузки в разрыв вакуумной камеры. Присутствие же внесенного сопротивления приводит к растеканию тока изображения - спустя некоторое время после пролёта фронта импульсного тока пучка ток изображения распределяется равномерно по азимуту камеры и информация о положении пучка пропадает.
Очевидно, чтобы построить ДТИ для измерения положения пучка, необходимо определить характер эволюции азимутального распределения тока изображения.
Четвёртая глава посвящена решению задачи о характере эволюции и времени растекания тока изображения в рамках модели длинного ДТИ. Адекватность модели подтверждена экспериментально.
6
ГЛАВА 1 Принципы стабилизации радиального положения пучка в ионных синхротронах.
В Институте Ддерной Физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск) разработано и введено в эксплуатацию несколько ионных синхротронов.
Накопитель НАП-М на энергию протонов до \50МэВ был создан для изучения электронного охлаждения. Ионный синхротрон Б-5 на энергию протонов до 200МэВ и многозарядных ионов до 50МэВ на нуклон был создан для Института медико-биологических проблем (Москва) и для Радиевого Института им. В.Г. Хлопина (Ленинград, ныне - Санкт-Петербург). Протонный синхротрон ТРАПП на энергию протонов до 300МэВ был создан для медицинских целей (ТРАПП - Терапия Рака Протонным Пучком). Автор принимал участие в разработке, изготовлении и эксплуатации систем всех этих установок [1], [3, 5, 7], [8, 9, 10, 12].
Решение главной задачи ускорителя - ускорение пучка без потерь - в принципе может быть обеспечено благодаря точности и стабильности параметров силового оборудования, к которому, в частности относятся источники питания магнитной системы ускорителя и система формирования ускоряющего пучок напряжения (ВЧ система). Далеко не всегда только такой способ решения задачи достаточно эффективен и экономичен.
Вместе с тем известно, что при наличии системы о.с. “по пучку”, которая обеспечивает эффективную стабилизацию радиального положения пучка, значительно снижаются требования на точность и стабильность параметров магнитной и ВЧ систем, на точность их согласования.
Известные принципы стабилизации радиального положения пучка в ионных синхротронах [13, 1962] были уточнены Автором в связи с разработкой соответс твующей системы о.с. для ионного синхротрона Б-5 [5, 1983].