Введение к работе
з .
Актуальность проблеми. Ускорители электронов непрерывного действия средних энергий занимают важное место в арсенале современных экспериментальных средств для проведения прикладных и фундаментальных исследований.
Проектируемый совместно НИИЯФ МГУ н ИЯИ РАН разрезной микротрон - ускоритель электронов непрерывного действия рециркуляционного типа с максимальной выходной энергией пучка 175 МэВ - по своим характеристикам отвечает требованиям современных ядерно-физических программ в области средних энергий.
Основным преимуществом данного ускорителя является высокое качество пучка на выходе - малый нормализованный эмиттанс (0.05 ммхмрад) и разброс по энергиям, не превышающий 0.01%. Прецизионное качество пучка может быть получено только в результате согласованного функционирования всех систем ускорителя: электронной пушки, линии формирования эмиттанса, предускорителя, рециркулятора. Конструктивные особенности системы инжекции пучка в рециркулятор и рециркулятора накладывают ограничения на энергетический разброс частиц в пучке, который определяется оптимальной работой ускоряющих секций инжектора и главного линейного ускорителя разрезного микротрона.
Оптимальный режим работы ускоряющих секций характеризуется фиксированным сдвигом фазы между СВЧ-полем секции и опорным, общим для всех секций СВЧ-сигналом; постоянным значением ускоряющего СВЧ-поля в секциях и стабильностью резонансных характеристик ускоряющих структур. Для поддержания оптимального
режима работы ускоряющих секций необходимо применение системы управления и стабилизации основных СВЧ-парамстров.
Современный ускоритель подобного класса не может быть создан без комплексной системы автоматического управления. Разрезной микротрон НИИЯФ МГУ изначально проектировался как объект, управляемый с помощью компьютерной системы автоматического управления, которая обеспечивает надежное к безопасное функционирование всех систем ускорителя.
Исходя из требований, предъявляемых к системе СВЧ-питания, система управления СВЧ-трактом занимает особое место в системе автоматического управления ускорителем. В ее задачи входят: управление СВЧ-устройствами, обеспечение безопасного запуска и поддержание стабильной работы ускорителя, стабилизация СВЧ-парамстров. Эта система обеспечивает стабильность основных СВЧ-параметров, которые подверхенны как внешним воздействиям, так и неустранимым возмущениям, возникающим внутри аппаратуры и неподдающимся устранению другими способами.
Целью работы янпяется является создание системы управления СВЧ-трактом и стабилизации основных СВЧ-параметров. Для этого были исследованы отдельные компоненты системы СВЧ-питания ускоряющих секций и вся система в целом. На основе результатов экспериментальных исследований и численного моделирования созданы системы автоматического регулирования основных СВЧ-парамстров: разности фаз между опорным СВЧ-сигналом и полем секции, амплитуды СВЧ-поля секции, собственной частоты секции и температуры охлаждающей воды секции.
Новизна работы заключается в том, что была разработана не имеющая аналогов система управления СВЧ-трактом, учитывающая специфику конкретной реализации системы СВЧ-питанпя ускоряющих секций в линейном ускорителе разрезного микротрона НИИЯФ МГУ.
Были проведены физические исследования сложной динамической системы, состоящей из мощного СВЧ-клистрона, СВЧ-тракта, ускоряющей секции, а также системы охлаздения секции, работающих в условиях внешних помех и возмущений. Была разработана методика проектирования динамических систем стабилизации на основе математического аппарата, применяемого в теории автоматического регулирования, теории идентификации и синтеза систем регулирования. Были спроектированы средства диагностики функционирования динамических систем в реальном времени, в стендовых условиях и в условиях штатной работы ускорителя.
Научная И практическая ценность работы. Разработанная система работает более трех лет в составе системы управления ускорителем, обеспечивая безопасное и надежное функционирование систем с заданной точностью и надлежащее качество пучка на выходе ускорителя.
С помощью математического аппарата теории автоматического регулирования и теории идентификации исследована сложная динамическая система, описывающая ускоряющую секцию с системой СВЧ-питания. Даны конкретные рекомендации по проектированию и созданию локальной децентрализованной системы управления и стабилизации СВЧ-трактом ускоряющих секций линейного ускорителя разрезного микротрона.
Ниже приводятся основные характеристики разработанных систем:
1. Аналоговая система стабилизации температуры охлаждающей воды во вторичном контуре охлаждения резонаторов круговой развертки.
б Долговременная стабильность ±0.01С в рабочем диапазоне расходов воды при стабильности температуры воды в первичном контуре не хуже ±3С.
-
Аналоговая система стабилизации амплитуды задающего клистрона и амплитуды поля ускоряющих секций. Полоса стабилизации регулятора -1.5 МГц, полоса пропускания объекта регулирования 0.5 МГц, точность стабилизации - 0.1%.
-
Аналоговая система стабилизации разности фаз между СВЧ-полсм секции и опорным СВЧ-сигналом. Точность стабилизации ±1.
4. Аналоговая система стабилизации собственной частоты секции.
Долговременное отклонение собственной частоты секции - не более 3 кГц
(на частоте 2450 МГц).
Разработанная методика исследования динамических систем и проведение процедур идентификации и синтеза на основе полученных экспериментальных результатов может быть использована для создания аналогичных систем для линейных ускорителей непрерывного действия с СВЧ-мстодом ускорения заряженных частиц. Архитектурные решения, примененные при создании систем стабилизации будут использованы для управления другими подсистемами ускорителя. Автоматизированные стенды для диагностики разработанных систем могут использоваться для автоматизации физического эксперимента.
Апровяття работы. Материалы диссертации опубликованы в 22 научных работах. Основные результаты диссертации докладывались на XI (Дубна, 1988), XII (Москва, 1990) Всесоюзном Совещании по ускорителям заряженных частиц, XV Международной школе-семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и астрофизике (Сочи, 1992), Международных конференциях ICALEPCS^l (Цукубо, Япония 1991) и ІСАЬЕРСЗ^З (Берлин, Германия, 1993), X Международном симпозиуме по
проблемам модульных информационно-вычислительных систем и сетей (Санкт-Петербург, 1993), на семинаре Института ядерной физики университета г. Майнц (Германия) в ноябре 1993 г., на Международной конференции ЕРАС94 (Лондон, Великобритания 1994).
Объем и структура работы, Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем диссертации составляет 130 страниц текста, включает 36 рисунков и список литературы из 45 наименований.
