СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМ УСКОРИТЕЛЕМ МИКРОННЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Сухачев Кирилл Игоревич; Kirill Igorevich Sukhachev; Аксенова Юлия Владимировна; Yuliya Vladimirovna Aksenova

CONTROL SYSTEM FOR AN ELECTRODYNAMIC ACCELERATOR OF CHARGED MICRON PARTICLES

Authors: Sukhachev K.I.¹, Aksenova Y.V.¹
Affiliations:
1. Самарский национальный исследовательский университет им. С.П. Королёва
Issue: No 1(20) (2022)
Section: Radio engineering and communication
URL: https://vmuis.ru/smus/article/view/10364
ID: 10364

Cite item

Abstract

The article describes a method for measuring the parameters of a particle, which made it possible to change the approach to the formation of a train of pulses on drift tubes that create a constantly accelerating field for a charged particle. The diagram of the control system is presented, and its operating principle is described. An HDL description has been developed that allows performing the necessary calculations in real time and realizing the rest of the accelerator control logic. Temporary modeling of the developed modules was carried out, and the calculation error was estimated.

Keywords

Заряженные микрочастицы, электродинамический ускоритель частиц, система управления, ПЛИС

Full Text

Условия и методы исследования

Моделирование факторов космической среды является актуальной задачей [1-7]. В данной статье представлено дальнейшее развитие ускорительной системы, описанной в работах [8-14]. Основные изменения затронули измерительную секцию и непосредственно систему управления (СУ). В предыдущих версиях для формирования ускоряющих импульсов использовались предварительно рассчитанные временные интервалы переключения напряжения на трубках дрейфа, хранящиеся в массиве памяти системы управления. Временные интервалы вычислялись для дискретных значений как удельных зарядов, так и начальных скоростей частиц. Дискретность возможных вариантов начальных параметров, наряду с точностью измерения скоростей частицы и напряжений питания существенным образом влияли на точность формирования ускоряющих импульсов.

Результаты и их обсуждение

Новая система управления не использует память для хранения интервалов переключения, так как позволяет вычислять параметры движения частицы и момент, когда она находится в безполевом пространстве трубки дрейфа в реальном времени. В статье оценена погрешность вычисления моментов переключении и показано, что предлагаемая система имеет большой запас по увеличению количества ускорительных секций, а, следовательно, и эквивалентному напряжению ускорителя.

Описание конструкции измерительной секции ускорителя

Для проведения экспериментов по соударению высокоскоростных частиц с материалами конструкций космических аппаратов ранее был разработан ускоритель, последняя модернизация которого представлена в работе [14]. Данный ускоритель позволял моделировать в лабораторных условиях столкновения микрочастиц размером 1 ÷ 10 мкм и скоростями 1 ÷ 15 км/с c различными материалами.

Предложенное улучшение не требует существенного изменения конструкции ускорителя, основные изменения коснулись непосредственно электроники СУ, а также измерительной секции, конструкция которой представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Измерительная секция:

1 – времяпролетный измеритель скорости, 2 – трубки дрейфа, диэлектрический корпус измерительной секции

Улучшенная измерительная секция состоит из пары трубок дрейфа (2), идентичных электродам динамической части ускорителя, и двух измерителей скорости (1), каждый из которых находится под потенциалом соседней трубки дрейфа. Трубки дрейфа измерительной секции соединены с блоком питания линейного электродинамического ускорителя (БП ЛЭДУ), который формирует двухполярное напряжение на высоковольтном усилителе, обеспечивающем поочередную коммутацию трубок дрейфа к полюсам блока питания ЛЭДУ. Временные интервалы, за которые частица проходит базы (Sизм) измерителей скорости, установленных до трубок и после трубок дрейфа измерительной секции, позволяют однозначно вычислить среднее ускорение, которое будет получать частица, при прохождении каждого интервала между трубками дрейфа в ЛЭДУ. Такой подход позволяет отказаться от вычисления удельного заряда частицы и измерения напряжения как на трубках дрейфа, так и на линейном электростатическом ускорителе.

Измерение скоростей частицы, в том числе до и после трубок дрейфа измерительной секции, происходит путем подсчета тактовых импульсов генератора между импульсом с первого и второго пролетных датчиков измерителя N1, N2 и N3, где N3 – данные с измерителя скорости непосредственно перед динамическим ускорителем. Принцип работы измерительной секции показан на рисунке 2.

Рис. 2. Принцип работы измерительной секции

Если во всех вычислениях взять равным одному периоду тактового сигнала, то все временные интервалы можно заменить количеством тактов, а ускорение частицы, полученное при прохождении трубок дрейфа в измерительной секции, можно будет найти по формуле:

(1)

где – поправочный коэффициент, учитывающий геометрию измерительной секции и дрейфовых трубок, а также позволяющий учитывать падение напряжения на конденсаторах БП ЛЭДУ. Коэффициент ищется по формуле:

(2)

где – расстояние между пролетными датчиками в миллиметрах, – расстояние между центрами трубок дрейфа, также в миллиметрах, – нормировочный коэффициент, позволяющий уменьшить погрешность, вызванную целочисленными операциями.

Таким образом, по данным, полученным с измерительной секции, для каждой уникальной частицы вычисляется ускорение и начальная скорость, с которой частица попадает в область динамического ускорителя. Далее за каждый период тактового сигнала, вычисляются текущая координата по оси и мгновенная скорость частицы по системе уравнений:

(3)

где – коэффициент падения напряжения на конденсаторах для i-ой секции, находящийся в диапазоне от 0 до 100, так для первой ускорительной пары трубок дрейфа , а далее снижается, по заранее рассчитанному закону.

Описание системы автоматического управления ускорителем

Для полностью автоматического управления всем ускорителем была разработана система управления структурная схема, которой представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема системы автоматического управления

Система управления подключена к управляемым блокам питания, инжектору, высоковольтному усилителю и ко всем пролётным датчиками ускорителя посредством оптоволоконных приемников и передатчиков. Внешние микросхемы памяти нужны для реализации общего алгоритма управления посредством встроенного софт процессора. Один USB интерфейс служат для передачи потока данных с временными интервалами, а второй для реализации взаимодействия с СУ. Основным элементом системы управления является микросхема FPGA Cyclone EP4CE55F23 внутри которой реализованы все управляющие и вспомогательные модули. Внешний вид электронного модуля системы управления представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Электронный модуль система управления

Наиболее важным в работе ускорителя является модуль, вычисляющий координаты и формирующий управляющие импульсы для драйверов ламп ГМИ-32 высоковольтного усилителя.

Модуль вычислителя на каждом такте рассчитывает параметры движения частицы с учетом поправочных коэффициентов и сравнивает текущую координату с координатами из буфера памяти, содержащего координаты центром всех трубок дрейфа. При их совпадении, генерируются управляющие импульсы, поступающие на высоковольтный усилитель пачки (ВУП) через соответствующие модули драйверов, внешний вид которого представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Электронный модуль драйвера ГМИ-32

Поправочные коэффициенты, отражающие геометрию ускорительного тракта, неоднородность поля между трубками дрейфа и изменение напряжения высоковольтного усилителя, так же хранятся во внутренней памяти ПЛИС и могут быть обновлены как с ПК, так и модифицированы внутренним алгоритмом в процессе работы СУ. Таким образом СУ формирует ускоряющее поле в каждом интервале между трубками дрейфа, идентичное полю внутри измерительной секции.

Модуль вычислителя обеспечивает первоначальную селекцию частиц, так можно настроить СУ, что в тракте ЛЭДУ будут ускоряться только частицы из необходимого диапазона удельных зарядов. После формирования пачки при ускорении частицы, прошедшей первоначальную селекцию, вычислитель блокируется на время необходимое для подзарядки конденсаторных накопителей высоковольтного усилителя.

Условием высокой эффективности ЛЭДУ является точность определения положения частицы, если погрешность будет высокой, то переключения будут происходить несинхронно с движением частицы и её конечная скорость будет ниже потенциально возможной. Основными параметрами, влияющими на точность определения координаты по оси являются величина базового расстояния измерителей скорости и нормировочный коэффициент . По результатам моделирования нормировочный коэффициент следует выбирать большим 100, но менее 200, так как далее он слабо влияет на погрешность. Базовое расстояние , выбирается исходя из конструкционных соображений. Моделирование проводилось для частиц с удельным зарядом от 0 до 100, на типовом интервале времени равном 400 мкс.

Разработанный ранее ускоритель [14] имеет измерительную базу равную 120мм, но при увеличении частоты тактирования измерителей скорости в 2 раза, эквивалентная база также увеличится в 2 раза и составит 240мм. На рисунке 7 представлен возможный разброс абсолютной погрешности определения координаты для этих двух случаев от удельного заряда частиц.

Рис. 7. Погрешность определения координаты

Из графиков видно, что предложенная система управления позволяет производить ускорение частиц в широком диапазоне удельных зарядов. Для наиболее быстрых частиц с удельным зарядом более 120 погрешность вычисления координаты не вызывает выход частицы из экранированного участка трубок дрейфа, составляющего 40мм в текущем варианте конструкции ЛЭДУ.

Заключение

Таким образом, предложена система управления ускорителем заряженных частиц микронного диапазона, позволяющая увеличить динамический диапазон ускорителя и его эффективность вследствие повышения точности переключения напряжения на трубках дрейфа при движении частицы. Схема управления при этом упрощается, так как нет необходимости в большом объеме памяти, хранящем массив с временами переключения для всех возможных комбинаций удельных зарядов частиц и их начальной скорости. Применение измерительной секции позволяет упростить расчеты, и проводить их в реальном времени для каждой уникальной частицы, а также отказаться от измерения напряжений как на статическом, так и динамическом ускорителях. Система имеет большой запас по точности, и удовлетворяет требованиям актуальной конструкции ЛЭДУ работая на 40% от максимальной частоты тактирования. Кроме того, вычислительная мощность СУ позволяет производить централизованное управление всеми системами ускорителя, производить сбор, обработку и передачу данных о ходе эксперимента, а также позволяет вводить и реализовывать адаптивные алгоритмы более тонкого автоматического управления посредством настройки параметров и коэффициентов.

×