Системы подавления поперечных когерентных колебаний пучков циклических ускорителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Р Г Б од

»БЪЕДИНЕ^^Щ^Ц^дрТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

9-98-1

На правах рукописи УДК 621.384.6.01

МЕЛЬНИКОВ Владимир Алексеевич

СИСТЕМЫ ПОДАВЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ КОГЕРЕНТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ПУЧКОВ ЦИКЛИЧЕСКИХ УСКОРИТЕЛЕЙ

Специальность: 01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 1998

Работа выполнена в Лаборатории сверхвысоких энергий Объединенного института ядерных исследований

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук И.Н.Иване

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

чл.-корр. РАН И.Н.Мешк

кандидат технических наук ТАЛатып

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Институт физики высоких энергий РАН, г.Протвино

Защита диссертации состоится "_"_ 1998 г.

в_часов на заседании диссертационного совета Д-047.01.06

при Лаборатории сверхвысоких энергий Объединенного института ядерных исследований, г.Дубна Московской области

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ Автореферат разослан "_"_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ___

кандидат физико-математических наук М у л*4*****^7 В.Г.Кривохи-

Общая характеристика работы

Актуальность

Разработка систем подавления поперечных колебаний (СППК) пучков является ктуалыюй задачей в области ускорительной техники. Это обусловлено требованием ысокой светимости пучка, необходимой для современных экспериментов физики пементарных частиц. Светимость определяется потоком частиц, и для ее повышения динаково важно как увеличение полного тока, так и предотвращение роста поперечного гчения пучка. Для выполнения этих задач в состав циклических ускорителей вводятся ППК.

Системы поперечной обратной связи обеспечивают коррекцию ошибок инжекции компенсируют развитие когерентных поперечных неустойчивостей. Тем самым они озволяют накапливать пучки высокой интенсивности, препятствуя быстрому росту миттанса и снижению светимости пучка. СППК состоят из датчика положения, пектронных устройств обработки сигнала, усилителя мощности и исполнительного стройства - кикера. Датчик положения регистрирует отклонение центра тяжести пучка т равновесной орбиты в месте его расположения. Сигнал с датчика преобразуется в оответствии с детерминированной динамикой пучка, усиливается до заданного уровня и необходимой задержкой подается на кикер, где происходит изменение угла наклона раектории пучка на величину, пропорциональную измеренному отклонению. Величина адержки подбирается таким образом, чтобы воздействие в кикере было синхронизовано показаниями датчика положения для одних и тех же частиц.

В современных проектах ускорителей и коллайдеров на сверхвысокие энергии одобным системам уделяется особое вниманне. Вместе с тем именно для таких становок реализация СППК традиционными способами становится затруднительной из-а одновременного роста требований на мощность и широкополосность систем. В связи с тим возникает потребность в поиске способов повышения эффективности работы как истем в целом, так и отдельных устройств, в первую очередь - устройств усиления ющности.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния режимов работы СППК на емп подавления колебаний, разработке и созданию устройств для их осуществления.

Результаты исследований и разработок применены для создания комплекса генератор! мощных импульсов СППК I ступени УНК (Ускорительно-Накопительный Комплек Протвино), для моделирования усилителей-формирователей СППК LHC (Больше Адронный Коллайдер, ЦЕРН), для оптимизации режима работы СППК SPS (Cyni Протонный Синхротрон, ЦЕРН).

Цель работы

• разработка и создание мощных прецизионных импульсных генераторов д. системы подавления начальных колебаний пучка 1 ступени УНК;

• исследование влияния режимов работы систем подавления на динамику пучка циклических ускорителях;

• разработка модели мощного усилителя-формирователя для системы подавлен] поперечных когерентных колебаний пучка LHC;

• повышение эффективности работы систем подавления поперечных когерентнь колебаний пучка за счет оптимизации режима.

Научная новизна

• впервые обоснован и осуществлен метод цифрового моделирования обрапк связи мощных радиофизических и импульсных устройств;

• впервые разработана и осуществлена методика оперативного измерения време! подавления поперечных колебаний;

• впервые обоснован и экспериментально подтвержден "логический" реш подавления поперечных когерентных колебаний пучков на основе систем ступенчатой передаточной функцией;

• впервые создана система коррекции ошибок инжекции с использованш импульсного генератора вместо усилителя мощности.

Практическая ценность

• создан комплекс мощных прецизионных импульсных генераторов для систел подавления начальных колебашш пучка 1 ступени УНК;

• разработана модель мощного усилителя-формирователя для системы подавления поперечных когерентных колебаний пучка LHC;

• использование методики оперативного измерения времени подавления поперечных колебаний позволило выработать рекомендации по оптимизации режима работы СППК SPS.

Автор защищает

• схемотехническое решение, принцип действия и техническую реализацию мощных прецизионных импульсных генераторов для системы подавления начальных колебаний пучка 1 ступени УПК с быстрой зарядкой формирующей линии:

• схемотехническое решение и принцип действия мощного усилителя-формирователя с изменяемой характеристикой для системы подавления поперечных когерентных колебаний пучка LUC;

• метод моделирования параметров выходного сигнала для повышения эффективности мощных радиофизических и импульсных устройств;

• методику оперативного измерения времени подавления поперечных колебаний, принцип действия и схемотехническое решение аппаратуры для ее осуществления;

• теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение режима подавления поперечных когерентных колебаний пучков на основе систем со ступенчатой передаточной функцией (''логический" режим).

Апробация и публикации

Диссертация написана на основе научных работ, выполненных автором или с участием автора в Лаборатории сверхвысоких энергий ОИЯИ в период с ¡990 по 1997 i од. Изложенные в ней материалы

• докладывались на совещаниях, проходивших в ОИЯИ, ИФВЭ и МРТИ в рамках работ по созданию системы подавления для 1 ступени УНК;

• обсуждались в ускорительном подразделении ЦЕРН в связи с работами по созданию системы подавления для LHC;

• докладывались на научных семинарах Лаборатории сверхвысоких энергий

ОИЯИ;

• обсуждались на рабочем совещании ГСБА, Эричи, Италия, 1994.

• обсуждались на рабочем совещании ГСТА, Монтре, Швейцария, 1996.

• докладывались на

• XII Всесоюзном Совещании по ускорителям заряженных частиц (Москва, СССР, 1990 г.);

• XIII Совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна, Россия, 1992 г.);

• XIV Совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, Россия, 1994 г.);

• Международной конференции по ускорителям (Гамбург, ФРГ, 1992 г.);

• Национальной конференции по ускорителям РАС93 (Вашингтон, США, 1993 г.).

• Европейской конференции по ускорителям ЕРАС95 (Лондон, Великобритания, 1995 г.).

• Рабочем совещании 1СРА "СооНг^&Батр1гщ-96".

• Национальной конференции по ускорителям РАС97 (Ванкувер, Канада, 1997).

По результатам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 73 страницах, включая 41 рисунок.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, кратко охарактеризованы современное состояние и тенденции развития систем подавления колебаний пучков. Показано, что решение задачи о повышении эффективности работы СППК может быть связано прежде всего с исследованиями нетрадиционных способов подавления и разработкой соответсвующих устройств. Речь идет о режимах, при которых сигнал, поступающий на исполнительное устройство не пропорционален измеренному отклонению пучка. При этом передаточная функция системы становится нелинейной.

Гакие режимы позволяют использовать в качестве устройств усиления мощности шпульсные генераторы вместо широкополосных усилителей или специальные /силители-формирователи с изменяемой характеристикой. Показано, что сочетание )птимизированных режимов и новых схемотехнических решений является 1ерспективным и позволяет повысить эффективность СППК.

В первой главе представлены результаты разработки и создания мощных фецизионных импульсных генераторов для системы подавления начальных колебаний 1учка 1 ступени УНК.

Анализ проектных параметров первой ступени УНК (инжекционная жесткость гучка, величина ожидаемых ошибок инжекции, время развития когерентных юустойчивостей и т.д.) дает оценку необходимой средней мощности классической ЗПГГК в 5 МВт. При этом очевидно, что подобного уровня мощности требует лишь юррекция ошибок инжекции, тогда как для компенсации резистивной неустойчивости юстаточно устройства мощностью около 40 кВт. В этой ситуации было принято решение I создании отдельной системы для компенсации начальных ошибок на основе [мпульспого генератора. Требуемая форма импульсов тока в ударном магните гредставлена на Рис. 1; амплитуда должна достигать 500 А; точность установки мплитуды +3%; генератор должен формировать серии до десяти импульсов. Время юрмирования импульса не должно превышать 50 мкс.

инжекции,

Импульс тока требуемой амплитуды и длительности удобнее всего формировать помощью искусственной длинной линии. Суммарная емкость линии составляет ЮО-нЗО нФ. Зарядка такой емкости в течение 50 мкс до заданного значения с точностью 3°/ представляет собой сложную техническую задачу. Поэтому было предложен предварительно заряженную до максимального напряжения линию разряжать д необходимого уровня за время, не превышающее 50 мкс. Общая принципиальная схем генератора представлена на Рис. 2.

Рис. 2 Общая схема генератора.

В начальном состоянии емкость линии заряжена до напряжения ио соответствующего максимальному требуемому току в нагрузке. При срабатыванш коммутатора Т2 вся формирующая линия разряжается по экспоненциальному закону, ка! сосредоточенная емкость. Эффективное значение разрядных сопротивлений Я подобраш так, что время разрядки до уровня напряжения 0.03 ио не превышает 40 мкс.

Коммутатор ТЗ (Т4) срабатывает через оборот после момента измерения (то-есть ] момент прохождения цуга через магнит). Закон преобразования измеренного отклонена А во время М включения Т2 выбирается таким образом, чтобы к моменту срабатыванш ТЗ (Т4) на линии было напряжение, соответствующее току, необходимому дл) демпфирования Л. Эпюры, иллюстрирующие принцип работы схемы, показаны на Рис. 3 Основная особенность принципиальной схемы формирующей линии определяете! необходимостью ее частичного разряда как сосредоточенной емкости. Обща; шунтировка звеньев линии разрядными резисторами (ТВО-20, 1 кОм) приводит } появлению наклона плато импульса, который выходит за допустимые пределы.

оборот

^ момент измерения

р-1 запуск Т2

20 А1 , запуск ТЗ (Г4) 1

разряд линии

выходной импульс О

Рис. 3 Временная диаграмма работы системы.

Для компенсации этого эффекта в линию введена неоднородность за счет линейного изменения значений иддуктивностей от звена к звену. Эти же индуктивности являлись основными элементами настройки линии при компенсации естественного разброса параметров емкостей (использовались конденсаторы К15-10 15нФ). Введение коммутатора Т4, включенного на магнит с обратным направлением тока, позволило получать разнополярные импульсы магнитного поля от генератора с однополярным зарядным напряжением.

Собранная линия имеет эффективное волновое сопротивление 17 Ом, что обеспечило ее согласование с фидером. В качестве коммутаторов были использованы тиратроны ТГИ1-1000/25. Динамический диапазон амплитуд токов на выходе генератора составляет 30^ 1000 А, что при заданной нагрузке соответствует напряжениям 0.51-Н7 кВ. Эти значения соответствуют паспортному режиму работы тиратронов.

Как отмечалось выше, система предусматривает возможность воздействия на пучок серией до 10 импульсов. Возможность формирования последующих импульсов в серии осуществляется схемой быстрой зарядки формирующей линии до некоторого максимального уровня. Далее процесс генерации импульса необходимой амплитуды и полярности полностью соответствует описанному выше.

Жесткие требования к точностным параметрам СППК определяют необходимость :оздання специальной системы управления, которая должна анализировать не только зиешние параметры (нормализованные показания датчиков положения пучка, ;шгхронизания и т.п), но и внутреннее состояние генератора. Кроме того, в автономном и ;тендовом режимах система управления должна обеспечивать возможность проведения (сследованни параметров генератора, его настройки и тестирования.

Разработанный генератор вместе с системой управления обладает одной принципиальной особенностью. Обычно для обеспечения требуемых значений стабильности и точности работы устройств в их состав вводится цепь обратной связи. На начальной стадии разработки данного генератора рассматривался именно такой вариант. Однако в процессе исследований выяснилось, что большая коммутируемая мощность приводит к нестабильности работы самой системы обратной связи. С другой стороны, сформулированные требования на генератор не могли быть обеспечены без соответствующей системы контроля.

Для решения этой проблемы была использована особая структура системы управления генератором. Принципиальной особенностью системы управления является наличие в ней интерполятора - двумерной электронной матрицы преобразования параметров входного сигнала в параметры выходного с учетом текущего состояния генератора в целом. Содержание матрицы формируется на основе тщательных измерений реальных характеристик каждого конкретного генератора во всех возможных комбинациях рабочих условий. Тем самым интерполятор является адекватной цифровой моделью реального генератора. Анализ показал принципиальную возможность применения такого способа управления в самых разнообразных мощных радиофизических устройствах, позволяющую говорить об обосновании и реализации цифрового моделирования обратной связи именно как общего метода.

Изготовленный генератор вместе с системой управления был налажен и испытан на специально оборудованном высоковольтном стенде. На Рис. 4 приведены типичные осциллограммы тока в магните при различных значениях задержки А

Рис. 4 Типичные импульсы тока в магните.

Осциллограммы получены путем оцифровки сигнала с тактовой частотой 10 Мгц, (то позволило провести тщательный анализ формы импульсов. Обработка показала, что >тклонения от средней амплитуды на плато в заданном временном интервале не гревышают ±1.5%.

Работа осуществлялась в следующем режиме: число импульсов в серии - 10; [астота повторения импульсов в серии - 7 кГц; частота следования серий -0.14 Гц. Таким »бразом, объем наработанной статистики составляет более 3000 серий импульсов. Это оответствует 250 рабочим циклам УНК (более трех месяцев работы). Разброс откликов истемы не превысил ±1.5% по отношению к максимальной амплитуде. Функциональных [зменений в работе мощного генератора и системы управления после проведения [спытаний обнаружено не было.

Во второй главе проводится анализ нетрадиционных режимов работы СППК, при оторых сигнал, поступающий на исполнительное устройство, не пропорционален смеренному отклонению пучка. При этом передаточная функция системы становится [елинейной. Приводятся результаты экспериментальной проверки нелинейных режимов юдавления поперечных колебаний пучка SPS.

Первый эксперимент с нелинейной передаточной функцией был осуществлен в 986 г. при исследованиях свойств СППК SPS. Было замечено, что насыщение усилителя ющности при больших амплитудах колебаний приводит к повышению темпа «давления. Насыщение усилителя приводит к изменению передаточной характеристики 'ППК от линейной к комбинированной, содержащей линейную часть для малых мшилуд колебаний и фиксированное воздействие для амплитуд, превышающих екоторое пороговое значение. Режим подавления с такой передаточной функцией олучил название "Bang-Bang".

При детальном исследовании передаточной функции, использованной в кспериментах 1986 года, было обнаружено, что участок, ответственный за малые мплитуды колебаний, имеет квазилинейный ступенчатый характер, что объясняется аличием в цепи обработки сигнала цифровых элементов. При этом на "линейный" часток приходится всего 4-6 квантов АЦП. Это навело на мысль о возможности спользования режима "bang-bang" для колебаний с малыми амплитудами. Полное еобходимое число ступеней определяется соотношением максимальной начальной

амплитуды колебаний (ошибкой иижекции), разрядностью цифровой части системы требуемым темпом подавления. Оценки показывают, что для большинства установок проектов достаточно 2-3 ступеней. Режим с подобной передаточной функцией получи название "логического". Рис. 5 позволяет сравнить передаточные характеристики дл различных режимов подавления.

А

коррекция

линейный, G=1

"bang-bang"

-¿Г

линейный, G < 1 "логический", 2 ступени

измеренное смешение Рис. 5 Передаточные характеристики для различных режимов подавления.

Эффективность логического режима была подтверждена экспериментально на SP в 1995 году. Основной целью эксперимента являлась оптимизация парамегро передаточной характеристики цепи обратной связи за счет использования режимо "bang-bang" и "логического'' для подавления поперечных колебаний.

Для проведения эксперимента в условиях SPS был разработан специальны функциональный блок, позволяющий плавно переходить от линейной передаточно функции к различным видам нелинейности, и устройство для измерения времен подавления. Функциональный блок выполнен на основе аналоговой техники в отличие о цифровых устройств, которые применялись для этой цели ранее. Это обеспечил возможность плавной настройки порогов реакции и амплитуд коррекции. Принци действия устройства для оперативного измерения времени подавления состоит комбинированной аналоговой и математической обработке сигнала датчика положенш При этом результатом измерения является оцифрованное значение времени, за которо

амплитуда колебаний уменьшается в е раз. Использованный метод обеспечивает более высокую точность по сравнению с осциллографическими и большую оперативность по сравнению со способами на основе измерения спектра колебаний.

В эксперименте использовался один из каналов горизонтального подавления. В СППК SPS используются два практически независимых идентичных канала для подавления колебаний по каждой координате. Существует возможность включать н действие каждый канал в строго определенные моменты времени в течение ускорительного цикла, а также изменять коэффициенты усиления каналов в линейном режиме. Использование одного из них в стандартном режиме, другого - в нелинейном позволило существенно повысить гибкость аппаратуры и увеличить число исследуемых вариантов режима работы.

В ходе эксперимента был реализован "логический" режим, переда! очная характеристика которого приведена на Рис. 6.

С использованием выбранных значений параметров функционального блока был проведен сравнительный анализ режимов подавления по линейному и модифицированному каналам. Измерения показали, что при сходных условиях ипжекции линейный канал обеспечивал подавление колебаний в е раз за 800 мкс, тогда как модифицированный канал обеспечивал характерное время подавления на уровне 250 мкс. Типичные осциллограммы приведены на Рис. 7, Рис. 8.

коррекция

напряжение на дефлекторе а

0.1 mm

3 kV

70 цш

2.1 kV

8 цт

420 V

80 цш 160 цш

измеренное отклонение

10 mm

Рис. 6 Полная передаточная характеристика СППК, осуществленная в эксперименте.

М л I >-.

Мг-г.-о

■ё

№

и

1 ||

м Ш № т

Л"; 13* ЦГ

СИаппе1 1 69 тУ

СИоппе1 2 - 63 тУ

Р 5.434 кНг

СЫ .2 V ТАЛу ,2 т- СИ 2 .2 V Тг1а 1.00 V - ЕХТ

Рис. 7 Типичная осциллограмма подавления колебаний в линейном режиме

(верхний луч - сигнал с пластин дефлектора; нижний луч - сигнал датчика положения пучка).

Мот

Р 5.434 кН2

СЬоппе! 2 I -363 тУ

СИ 1 .2 V ТЛ11у .2т? .2 V

Тг1д 1.00 V - ЕХТ

Рис. 8 Типичная осциллограмма подавления колебаний в нелинейном режиме

(верхний луч - сигнал с пластин дефлектора; нижний луч - сигнал датчика положения пучка).

Анализ приведенной характеристики показывает, что в ходе эксперимента был гализован двухуровневый логический режим. При этом темп подавления колебаний был овышен при использовании меньшей амплитуды выходного сигнала. Так, максимальная иплтуда, при которой обеспечивалось время подавления начальных колебаний 250 кс, составляла 2.1 кВ, по сравнению с 3 кВ амплитуды выходного сигнала в нассическом режиме. Стабильность пучка в течение всего рабочего цикла ускорителя эеспечивалась сигналом с фиксированной амплитудой ±420 В, что соответствует гачению младшего значащего бита цифровой системы обработки сигнала. Это чередной раз подтверждает возможность снизить среднюю мощность СГГПК за счет :пользования нелинейных режимов подавления.

Третья глава посвящена разработке устройства усиления мощности для СППК

НС.

Параметры, которыми должна обладать данная система, полностью определяются роектными данными. Минимально необходимая амплитуда сигнала на пластинах «сера должна составлять ±7.5 кВ в полосе полной передачи мощности. Амплитудно-кгготная характеристика системы должна отвечать следующим требованиям: скочастотный полюс (3 дБ) находится в области 1-КЗ кГц, полоса полной передачи ощносги распространяется до 1 МГц, высокочастотный полюс соответствует 3 МГц, шее следует равномерный спад характеристики с темпом 6 дБ/октава без паразитных зонансов в полосе до 20 МГц.

Анализ условий инжекции пучка в LHC показывает невозможность использования рассматриваемом случае решения, аналогичного используемому в УПК, суть которого шожева в пиве I. Это обусловлено тем, что величина статической ошибки инжекции и »грешности, вносимой инжекциояным жикером, имеют одинаковый порядок и равную роятность возникновения. Таким образом, при разработке СППК в рассматриваемом гучае необходимо опираться на классический вариант решения, основанный на пользовании широкополосного усилителя. При этом все задачи, свойственные [стемам подавления, выполняются одним и тем же устройством.

Средняя мощность подобного усилителя должна составлять 15-^20 кВт. Весьма южной технической задачей является обеспечение требуемой широкополосности и шейности фазочастогаой характеристики, даже при условии отсутствия паразитных

резонансов. Трудности достижения требуемых параметров обусловлены прежде вс( тем, что в рассматриваемых устройствах не решена проблема организац радиофизической обратной связи.

Результаты исследований и разработок, изложенные в предыдущих глав, показывают возможность решить основные проблемы, связанные с созданием систа подавления для ЬНС. Эти возможности состоят в использовании нелинейных режим подавления и способе замены радиофизической обратной связи моделировали параметров выходного сигнала на малом уровне мощности или на стадии цифров обработки сигнала. Однако для такого крупномасштабного проекта, как ЬИ недопустимо введение нетрадиционных решений (не прошедших длительного испытан на действующей установке) в качестве базового варианта построения системы. Одна возможностей реализации нелинейных режимов представлена в Главе 2. Она состоит введении в цепь обработки сигнала на малом уровне мощности специального бло] позволяющего плавно изменять передаточную функцию системы в целом от чис линейного вида вплоть до «логического». Возможность оптимизации процес подавления при этом доказана экспериментально. Однако необходимо отметить, ч подобный способ удовлетворяет лишь исследовательские потребности при изучен; динамики подавления, оставляя в стороне решение инженерных проблем, возникают! при разработке СППК. Без изменения схемотехнического решения выходного каска, усиления мощности использование преимуществ нетрадиционных режимов невозможш

Принимая во внимание эти противоречивые .условия (необходимое осуществления классического подавления как базового варианта и повышен) эффективности системы в целом), можно сформулировать задачу о разработке мощно! устройства с изменяемой характеристикой, которое позволяло бы оптимизировать режи непосредственно на стадии преобразования сигнала высокой мощности.

Наиболее эффективным известным устройством является каскодный усилитель параллельным управлением (Рис. 9). Основным отличием усилителей с параллельны управлением от традиционных является то, что в них постоянное нагрузочш сопротивление заменено управляемой лампой, то есть переменным активны сопротивлением. На сетку этой управляемой лампы подается сигнал, противоположны по фазе входному. Этот сигнал формируется в самом усилителе при помои:

пециальных сопротивлений связи (или специальных усилительных каскадов), кшочаемых в различных схемах по-разному.

О.

Сь

Рис. 9 Общая принципиальная схема усилителя с параллельным управлением. ФУС - формирователь управляющего сигнала.

Рис. 10 Общая принципиальная схема усилителя с независимым управлением. БФУС - блок формирования управляющих сигналов; РС - устройство развязки и согласования.

Ограничения преимуществ схемы усилителя с параллельным управлением связаны основном со способом формирования управляющего напряжения второй лампы. Это собенно ярко проявляется в ситуациях, когда нагрузка носит чисто емкостной характер, [ри этом на временные параметры выходного сигнала значительное влияние оказывают войства именно нагрузки. Исследования показывают, что подобное ограничение может ыть снято при переходе к использованию независимого управления лампами, [ринципиальная схема такого устройства приведена на Рис. 10.

Действительно, при подробном рассмотрении работы схемы с параллельным правлением видно, что ее основные преимущества определяются активностью алластного элемента, роль которого выполняет вторая лампа. При этом изменение остояния последней определяется изменением тока через первую лампу и нагрузку. 1араметры обратной связи ограничены в данном случае общим временем реакции истемы на изменение входного сигнала. Очевидно, что снятие подобного ограничения южет существенно повысить эффективность и качество разрабатываемых устройств, »того можно добиться, если управляющий сигнал на вторую лампу формировать не нутри выходного каскада, а на стадии обработки общего входного сигнала. Именно акой способ назван схемой с независимым управлением.

Основное преимущество независимого управления состоит не только в расширен« частотной характеристики устройства и повышении ее эффективности. Кроме этого, щ рассматриваемом способе управления появляется возможность произвольно выбират рабочую точку схемы в целом, изменяя тем или иным способом уровень постоянно составляющей управляющего сигнала.

Таким образом задача о разработке мощного устройства с изменяемо характеристикой, позволяющей оперативно выбирать режим работы систем подавления, может быть решена с помощью каскодных схем с независимы управлением.

Сравнительный анализ трех вариантов реализации устройства усиления мощност был проведен путем компьютерного моделирования с использованием программ Мкго81т РБрюе 7.1. При этом в рассматриваемых схемах применялись модели реальны компонентов. Модели вакуумных ламп создавались на основе паспортных данных измеренных характеристик по рекомендациям и стандартам корпорации М1сго8нп.

В качестве эквивалентной нагрузки использовалась модель сосредоточенно емкости. Рабочий режим каждой из моделируемых схем выбирался таким образом, чтоб] мощность, выделяемая на вакуумных лампах, была одинаковой во всех вариантах схек При моделировании схемы с независимым управлением в качестве устройства рачнячк! согласования использовались опгоэлектрошше элементы.

Адекватность компьютерного моделирования была проверена при реализации дву из просчитанных схем (усилителя класса А и каскодного с параллельным управлением на специально созданном радиофизическом стенде.

Разработанные и созданные устройства позволяют развивать мощность на анода ламп выходного каскада до 2 кВт, то есть являются моделями возможных реальны усилителей в энергетическом масштабе 1:10. Для построения выходного каскада был выбраны лучевые тетроды ГУ-73 с воздушным охлаждением. Роль имитатор исполнительного устройства (электростатического кикера) выполнял отрезок 75-омног кабеля общей емкостью 130 пФ. Амплитудно-частотные характеристики построении усилителей представлены на Рис. 11, Рис. 12.

Основным результатом проведенной стендовой проверки следует считать имени подтверждение того, что использованные программные средства позволяют адекватн воспроизводить свойства схем на основе мощных вакуумных ламп. Это позволило дат

зоснованные предложения по реализации выходного устройства на основе мпьютерного моделирования.

со

I

1.00Е+03 1.00Е+04 1.00Е+05 1.00Е+06 1.00Е+07 1.00Е+08

Частота, Нг

ис. 11 Амплшудо-частотная характеристика классического усилителя. Сплошные линии - компьютерное моделирование; точки - стендовые результаты.

Частота, Нг

ис. 12 Амплитудо-частотная характеристика каскодного усилителя с параллельным управлением. Сплошные линии - компьютерное моделирование; точки -стендовые результаты.

В качестве устройства усиления мощности для СППК LHC предложен усилите; формирователь на основе каскодной схемы с независимым управлением. Основш базовым элементом должен являться лучевой тетрод RS2048 производства фир: SIEMENS. Амплитудно-частотная характеристика компьютерной модели такс устройства приведена на Рис. 13.

80-г

f'o;0B(U(out))

Frequency

Рис. 13 Компьютерное моделирование амплитудно-частотной характеристики

каскодного усилителя с независимым управлением на базе тетрода RS2048.

В полосе частот 0-г40МГ"ц (верхняя граница соответствует частоте следоваш сгустков частиц) коэффициент усиления падает не более, чем на ЗдБ. Неболыш резонансный пик (менее 2 дБ) на частоте 60МГц соответствует тактовой частоте работ блока формирования управляющих сигналов.

Предложенное устройство удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым СППК LHC. Возможность оперативного изменения рабочей характеристики усилител формирователя позволяет при необходимости использовать наиболее эффективнь режимы подавления колебаний пучка.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации. 1. Разработан и изготовлен комплекс генераторов мощных (до 5 МВт) импульсс для системы подавления начальных колебаний (СППК) пучка I ступени УН1 Выбранное схемотехническое решение обеспечивает быстродействие и точное: работы генераторов, необходимые для коррекции ошибок инжекции в течет нескольких оборотов.

2. Предложен и осуществлен метод цифрового моделирования обратной связи мощных радиофизических и импульсных устройств. Использование такого способа управления устройствами позволяет обеспечивать высокую стабильность и точность работы в ситуациях, когда реализация традиционной внутренней обратной связи невозможна.

3. Разработано и изготовлено аналоговое устройство оперативной модификации передаточной функции (ДТПК пучка SPS. В отличие от цифровых приборов, использовавшихся для этой цели ранее, созданное устройство обеспечивает плавный переход от пропорционального режима подавления к режимам с различной степенью нелинейности. Это позволяет проводить подробные исследования режимов подавления и осуществлять оптимизацию работы устройств усиления мощности.

4. Предложена методика оперативного измерения времени подавления поперечных колебаний, разработан принцип действия и схемотехническое решение аппаратуры для ее осуществления. Этот способ отличается более высокой точностью (+2.5%) по сравнению с осциллографтескими измерениями (±10%) и большей скоростью получения информации (в режиме on-line) по сравнению с методиками на основе анализа спектра колебаний (время, необходимое для обработки сигнала).

5. Предложенный и обоснованный "логический" режим подавления поперечных когерентных колебаний пучков на основе систем со ступенчатой передаточной функцией обеспечивает более быструю (в 2-3 раза) коррекцию начальных колебаний по сравнению с традиционными пропорциональными режимами. "Логический" режим впервые осуществлен экспериментально на пучке SPS.

6. Усилители-формирователи на основе каскодной схемы с независимым управлением обладают большей широкополосностью по сравнению с каскодной схемой с параллельным управлением. Их особенность состоит в возможности оперативного изменения рабочей характеристики. Разработанные устройства этого типа предложены для использования в составе системы подавления поперечных когерентных колебаний пучка LHC.

Основные результаты опубликованы в следующих работа»:

1. В.М.Жабицкий, Л.Г.Игнатова, И.Н.Иванов, Н.А.Малахов, В.Н.Мамонов, В.А.Мелышков, Н.И.Пиляр, А.С.Щеулин. Импульсный генератор ударного магнита для однооборотной системы подавления начальных колебаний пучка I ступени УНК. Сообщение ОИЯИ Р9-89-831 Дубна, 1989.

2. В.М.Жабшдада, Л.Г.Игнатова, И.Н.Иванов, Н.А.Малахов, В.Н.Мамонов, В.А.Мельников, Н.И.Пиляр, А.С.Щеулин. Моделирование системы однооборот-ного подавления начальных колебаний пучка I ступени УНК. Труды двенадцатого всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. т.З, с. 197, Москва 1990.

3. V.M.Zhabitsky, I.N.Ivanov, N.A.Malakhov, V.A.Melnikov, A.S.Scheulin. The feedback system for UNK initial oscillations. IEEE Particle Accelerator Conference, v.2, p.394, Washington 1991.

4. I.N.Ivanov, V.A.Melnikov. Suggestions for new transverse oscillations damping sistems in large synchrotrons and colliders. Труды четырнадцатого всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. т.З, с.280, Протвино 1994.

5. W.Hofle, I.N.Ivanov, R.Louwerse, V.A.Melnikov. Suggestions to increase the transverse damper efficiency. Particle Accelerators, No53, p.78. Geneve, March 1997.

6. V.A.Melnikov. Possibilities of technical implementation of nonlinear damping of transversal coherent oscillations of a beam. NIM A 391 (1997), 93-95 Elsevier Science, Amsterdam, 1997.

7. I.N.Ivanov, V.A.Melnikov. Nonlinear damping of coherent transverse oscillations of a beam in hadron cyclic accelerators and colliders. NIM A 391 (1997), 52-55 Elsevier Science, Amsterdam, 1997.

8. E.M.Gleibman, V.M.Zhabitsky, I.N.Ivanov, G.I.Kononov, N.I.Lebedev, A.G.Likha-chev, V.A.Melnikov, N.A.Malakhov, N.V.Pilyar, T.B.Rukojatkina, A.S.Scheulin, S.E.Merker, M.S.Mikheev. System for initial betatron oscillations damping for UNK I stage. NIM A 391 (1997), 100-102, Elsevier Science, Amsterdam, 1997.

9. В.И.Аверьянов, Е.В.Горбачев, И.Н.Иванов, Н.ИЛебедев, В.А.Мельников, К.П.Сычев, С.В.Рабцун, А.А.Фатеев. Разработка системы подавления поперечных когерентных колебаний пучка LHC. Труды П мемориального семинара памяти ВЛ.Саранцева. Будет опубликовано в 1998 г.

Рукопись поступила в издательский отдел 15 января 1998 года.