Управление параметрами пучков в ионных синхротронах и каналах транспортировки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Принципы-стабилизации радиального положения пучка в ионных синхротронах.

Глава 2. Метод стабилизации радиального положения пучка в процессе ускорения в ионном синхротроне Б-5.

Глава 3. Концепция и конфигурация адаптивной системы управления параметрами пучка в протонном синхротроне ТРАПП.

Глава 4. Теория датчика тока изображения для измерения положения пучка.

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 (o.e.) "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 o.e. "по пучку", либо дело ограничивается исследованием устойчивости системы o.e. той или иной конкретной конфигурации и задача о построении оптимальной конфигурации системы o.e. не ставится.

Первая глава посвящена исследованию динамики системы 'ВЧ-пучок' при наличии сигнала o.e. и решению задачи об оптимальной конфигурации системы o.e. "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 - 10мс. В результате формирование нормированного на ток сигнала радиального положения пучка представляет известную проблему.

С целью упрощения конфигурации системы o.e. "по пучку" предложено в качестве сигнала для петли o.e. по "радиальному положению" использовать знак радиального положения пучка.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному доказательству эффективности системы o.e. предложенной конфигурации.

В третьей главе предложена концепция и построена конфигурация адаптивной системы управления параметрами пучка для медицинского протонного синхротрона ТРАПП (ИЯФ 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 поля 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 внесённого 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.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

• VII, VIII, XII, XIII Всесоюзные совещания по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1980; Протвино, 1982; Москва, 1990; Москва, 1992),

• 2-й Всесоюзный семинар по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Новосибирск, 1982),

• XIV совещание по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1994),

• Вторая европейская конференция по диагностике и аппаратуре для ускорителей частиц DIPAC-95 (Германия, 1995),

По теме диссертации с участием Автора опубликовано 14 работ.

Благодарности.

Автор благодарен д.ф.-м.н. М.М. Карлинеру и своему научному руководителю к.т.н. A.C. Медведко за предоставление возможности заниматься интересующими Автора проблемами, поддержку и интерес к работам Автора.

Автор благодарен своим коллегам к.ф.-м.н. Н.И. Зиневичу и к.т.н. A.C. Калинину за плодотворные дискуссии.

Автор признателен своим соавторам по работам на установках НАП-М, Б-5, ТРАПП, ВЭПП-4 за сотрудничество и лояльное отношение к работам Автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация посвящена теоретическим аспектам диагностики и управления параметрами пучков заряженных частиц в ионных синхротронах и электронно-оптических каналах транспортировки.

Ниже перечислены основные результаты диссертационной работы:

• Рассмотрены различные методы стабилизации радиального положения пучка в ионных синхротронах. Показано, что сигнал обратной связи (o.e.), корректирующий частоту ускоряющего напряжения по "радиальному положению" пучка, в той мере, в какой с его помощью действительно решается задача стабилизации радиального положения пучка, фактически пропорционален интегралу по времени от радиального положения пучка. Построена адекватная задаче стабилизации радиального положения пучка конфигурация системы o.e. по фазе и "радиальному положению" пучка, предусматривающая интегрирование сигнала в петле o.e. по "радиальному положению" пучка. Динамика системы 'ВЧ-пучок' при наличии сигнала o.e. "по пучку" описана с помощью соответствующего дифференциального уравнения. Показано, что система в принципе не может быть устойчивой в отсутствие петли o.e. по фазе пучка. Рассчитаны оптимальные коэффициенты передачи петель o.e. по фазе и "радиальному положению" пучка, при которых достигается максимальный темп стабилизации радиального положения пучка. Рассчитаны соответствующие фазовые траектории синхротронного движения пучка для различных типов возмущений. Показано, что если при оптимальных коэффициентах передачи петель o.e. полоса общего тракта достаточна для устойчивого движения системы 'ВЧ-пучок', то темп стабилизации радиального положения пучка практически не отличается от максимального.

• Предложен и реализован простой и эффективный метод стабилизации радиального положения пучка в процессе ускорения в ионном синхротроне Б-5 (создан 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). Новизна метода состоит в том, что в качестве сигнала для петли o.e. по "радиальному положению" пучка используется знак радиального положения пучка. Адекватность метода задаче стабилизации радиального положения пучка доказана расчётным путём и подтверждена экспериментально. Благодаря системе o.e. значительно упрощена настройка системы согласования частоты ускоряющего напряжения с уровнем ведущего магнитного поля. При числе частиц пучка более 1.5 • 108 и времени ускорения Юме система o.e. стабилизирует его положение в пределах ±3мм относительно центра камеры, что составляет около 10% её радиальной апертуры. При этом диапазон отрабатываемых системой медленных (более периода синхротронных колебаний) нестабильностей радиотехнических систем синхротрона, приведённый к положению пучка, достигает ±35 мм. Результатом работы системы явилось ускорение пучка практически без потерь [5, 1983]. Получено ускорение протонов от 1.0МэВ до 180МэВ при интенсивности 2.5 • Ю10 р+ /с [6,1983].

• Предложена концепция и построена конфигурация системы управления для медицинского протонного синхротрона ТРАПП (ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск), способной обеспечивать адаптивное управление энергией и интенсивностью выпускаемого пучка в зависимости от результата очередного акта облучения. Конфигурация системы такова, что задача оперативного управления энергией (увеличение - уменьшение) и радиальным положением пучка (для вывода части пучка с заданной интенсивностью) решается с помощью сравнительно простых аппаратных средств. Предложен метод и создана аппаратура формирования синхронных гладких функций времени для управления ведущим магнитным полем, частотой и амплитудой ускоряющего напряжения, радиальным положением пучка [9, 1992]. Предложен и реализован нетрадиционный метод согласования частоты ускоряющего напряжения с уровнем ведущего магнитного поля. Реализован метод максимально эффективной стабилизации радиального положения пучка [10, 19921. В 1990 г. осуществлён физический пуск синхротрона ТРАПП, реализовано ускорение пучка от энергии 0.7МэВ до проектной энергии 300МэВ при интенсивности около 1 • 108/?+ за цикл (5с), опробован медленный выпуск пучка из камеры ускорителя [8, 19921.

• Построена теория датчика тока изображения (ДТИ) для измерения положения пучка. В рамках модели длинного ДТИ рассчитана постоянная времени растекания тока изображения, которая является основной характеристикой ДТИ при регистрации положения пучка [2, 1976]. Адекватность модели доказана экспериментально. Получено точное решение задачи о растекании тока изображения в рамках модели длинного ДТИ [44, 1995]. Рассчитана точность метода определения положения пучка по азимутальному распределению тока изображения при различном числе электродов ДТИ - линий распространения тока изображения, Разработана конкретная конструкция ДТИ, имеющего 8 электродов. На 14-ти таких ДТИ базируется автоматизированная система управления траекторией пучка в канале транспортировки пучков электронов и позитронов из накопителя ВЭПП-3 в накопитель ВЭПП-4М (ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск). Экспериментально установлен динамический диапазон ДТИ, определяемый избранным методом детектирования сигналов, в пределах которого погрешность измерения положения пучка не более ± 0.25мм. Этой точности достаточно для поддержания условий эффективной проводки пучка из накопителя ВЭПП-3 в накопитель ВЭПП-4М [25, 19941.

Апробация работы и публикации Автора по теме диссертации.

Работы, составляющие материал диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск), в Институте медико-биологических проблем (Москва).

1. Веремеенко В.Ф., Диканский Н.С., Калинин A.C. и др., Накопитель протонов НАП-М. 1.I. Ускоряющая система. Контроль параметров пучка. // ПТЭ. - 1976. - №4. - С.37 - 40.

2. Черепанов В.П., Датчик положения пучка. // Там же. №4. - С.60 - 62.

3. Авербух И.И., Ауслендер В.Л., Карлинер М.М. и др., Ускоряющая система ионного синхротрона Б-5. // Труды VII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1980. Дубна, 1981. - Т.2. - С.22 -25.

4. Груздев В. С., Златое В.М., Зотов А.П. и др., Реконструкция систем радиоэлектроники протонного синхротрона ИТЭФ. // Там же. Т.2. -С.147 - 150.

5. Ауслендер В.Я., Глаголев Г.Б., Лазарев В.Н., Сербии В.И., Запуск протонно-ионного синхротрона Б-5. // Там же. Т. 1. - С. 107 - 108.

6. Абдулъманов В.Г., Авербух И.И., Ауслендер В.Л. и др., Ускорительный комплекс синхротрона Б-5 Радиевого Института. // Труды XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Москва, 1990. Дубна, 1992. - Т.2. - С. 106 - 109.

7. Валяев Ю.Д., Веремеенко В. Ф., Галимов Р.Х. и др., Синхротрон для протонной терапии. // Там же. Т.2. - С.95 - 98.

8. Доманов O.A., Смирнов В.П., Черепанов В.П., Юргенсон A.B., Автоматизированная система управления синхротроном для протонной терапии. // Там же. Т.1. - С.91 - 93.

9. Валяев Ю.Д., Рубцов B.C., Смирнов В.П. и др., Высокочастотная система протонного синхротрона ТРАПП. // Там же. Т.2. - С.99 -101.

10. И. Купер Э.А., Репков В.В., Трезубое О.П., Автономный блок сопряженияпролётных датчиков положения и плотности пучка заряженных частиц. // Там же. -Т.1. С.56 - 58.

11. Балакин В.Е., Валяев Ю.Д., Веремеенко В.Ф. и др., Синхротрон для протонной терапии. // Труды XIII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Москва, 1992. Дубна, 1992. - Т.2. -С.99 - 101.

12. Бурштейн Э.Л., Иванов Ю.С., Кузьмин A.A., Методика расчёта системы автоматического управления радиальным и фазовым положением пучка в протонном синхротроне. // ПТЭ. 1962. - №4. - С.102 - 105.

13. Иванов Ю.С., Кузьмин A.A., Система управления частотой ускоряющего напряжения по данным о пучке. // Там же. №4. - С. 106 - 111.

14. Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц/Пер. с франц. В.Ф. Алёшина и др. под ред. А.И. Дзергача. М.: Атомиздат, 1970. - 311 е.: ил.

15. Fourgeron С., Guidee Ph., N'Guyen K.S., RF System of Saturn II. // IEEE Trans. On Nucl. Sei. 1977. - Vol. NS-24, No.3. - P.1713 - 1715.

16. Gelato G., Magnani L., Better Dynamic Closed Loop Control of The PSB RF Accelerating System. // Ibid. Vol. NS-24, No.3. - P.1536 - 1538.

17. Kondoh M., Takeda S., Ezura E. et al., RF Acceleration in KEK Booster. // Ibid. Vol. NS-24, No.3. - P. 1533 - 1535.

18. Workshop on Advanced Beam Instrumentation, KEK, Tsukuba, Japan, 1991. -KEK Proceedings 91-2, 1991. Vol.2. - P.431 - 442.

19. Boss art R., Beam position monitor using reentrant coaxial cavity. // Ibid. -Vol.2, P.467-478.

20. Kanazawa M., Sato K., Itano A., et al., Beam Monitors for RF Feedback Control in HIMAC Synchrotron. // Ibid: Vol.2. - P.504 - 513.

21. Киселёв В.А., Науменков А.И., Смалюк В.В., Черепанов В.П., Автоматизированная система измерения и коррекции траектории пучка в канале ВЭ1111-3 ВЭПП-4М на основе датчиков тока изображения. // Там же. - Т.2, - С.74 - 79.

22. Kondoh М., Ebihara К., Ezura Е. et al., RF Acceleration in KEK Main Ring. // IEEE Trans. On Nucl. Sei. 1979. - Vol. NS-26, No.3(2). - P.3950 - 3952.

23. Meisner K.G., Griffin J.E., Higgins E.F., Jachim S.P., A New Low Level RF System for Fermilab Booster. // Ibid. Vol. NS-26, No.3(2). - P.4061 - 4062.

24. Ducar R.J., Tomasko T.M., Winterowd L.A., A CAMAC based high-resolution repetitive waveform generator. // Ibid. Vol. NS-26, No.3(2). P.4149 - 4151.

25. Satoh K., New wall current beam position monitor. // Ibid. Vol.NS-26, No.3. -P.3364-3366.

26. Nakagava К, Ishimaru К, Shibata S., Beam diagnostics with wall current monitor. // Ibid. Vol.NS-26, No.3. - P.3367 - 3369.

27. Cui Ru-Yu, Zhong Shi-Cai, Zhou Ciao-Guang, The Low-Level RF Beam Control System for The Booster of The Beijing Proton Synchrotron (BPS). 11 IEEE Trans. On Nucl. Sci. 1981. - Vol. NS-28, No.3(l). - P.2336 - 2337.

28. Boussard D., Design of a Ring RF System. // CERN Accelerator School/ RJF Engineering for Particle Accelerators, Oxford, UK, April 1991. Proceedings: Geneva, 1992. - Vol.11. - P.474 - 500.

29. Garohy R., Low level RF and feedback. // Proceedings of the Joint US-CERNJapan International School on Frontiers in Accelerator Technology, Hayama/Tsukuba, Japan, September 1996. Singapore-New Jersey-London-Hong Kong, 1996. - P.455 - 466.

30. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике. М.: Наука, 1974. - 832 с.

31. Авербух И.И., Высокочастотная система протонно-ионного синхротрона Б-5. Новосибирск, 1977. - 30 с. - (Препринт/ИЯФ 11Л12).

32. Абдулъманов В.Г., Авербух И.И., Ауслендер В.Л. и др., Протонно-ионный синхротрон Б-5. // Труды X Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, Протвино, 1977. -Дубна, 1978. T.l. - С.345 - 346.

33. Авербух И.И., Разработка и исследование ускоряющей системы, перестраиваемой с большой скоростью в широком диапазоне частот, для протонно-ионного синхротрона Б-5: Дисс. . канд. техн. наук. -Новосибирск, 1981. 135 с.

34. Балакин В.Е., Валяев Ю.Д., Скринский А.Н., Смирнов В.П., Установка ТРАПП терапия рака протонным пучком. // 5-е Всесоюзное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве: Тез. докл., 22-24 окг., 1985. - М., 1985, С. 152.

35. Balakin V.E., Skrinsky A.N., Smirnov V.P., Valyaev Yu.D., TRAPP Facility for Proton Therapy of Cancer. // EPAC-88. - Rome, 1988. - Vol.2. - P. 1505.

36. Manca J., A small very wide band electromagnetic pick-up station. // CERN SI/Int. El/70-3, April 1970.

37. Gelato G., PSB wide band observation system. // CERN-SI/Note El/70-5, 31.8.1970.

38. Avery R. Т., Faltens A., Hartwig E. С., Non-intercepting monitor of beam current and position. // IEEE Trans. On Nucl. Sei. 1971. - Vol.NS-18, No 3(3). - P.920 - 922.

39. Cherepanov V.P., Image current monitor for bunched beam parameters measurements. Novosibirsk, 1995. - 16 p. - (Preprint/Budker INP 95-39).

40. Коренев Б.Г., Введение в теорию бесселевых функций. М.: Наука, 1971. -288 е.: ил.

41. Бейтмен Г., Эрдейн А., Высшие трансцендентные функции: функции Бесселя, функции параболического цилиндра, ортогональные многочлены/Пер. с англ. Н.Я. Виленкина. М.: Наука, 1974. - 295 е.: ил.

42. Янке У., Эмде Ф., Лёш Ф., Специальные функции/Пер. с нем. под ред. Л.И. Седова. М.: Наука, 1977. - 344 е.: ил.