Мишнев С. И.

ВЭПП-3.

Измерение бетатронных частот методом сканирования

(инструкция к программе #SCAN).

На накопителе ВЭПП-3 для измерения бетатронных частот применяется метод сканирования. На пластины внутри вакуумной камеры подается высокочастотное напряжение с медленно меняющейся частотой, возбуждающее бетатронные колебания пучка при выполнении условий резонанса. Колебания пучка регистрируются пикап - электродами, и после усиления и детектирования их амплитуда измеряется с помощью АЦП. Полученная амплитудно - частотная характеристика может быть изображена в виде графика и обработана на ЭВМ (Одренок BEAMV3) для определения частот бетатронных колебаний, результаты представлены в графическом виде на экране второго монитора PC (см. рис.).

1. Аппаратура.

Источником сигнала для возбуждения поперечных колебаний пучка служит синтезатор, управляемый от ЭВМ (Одренок BEAMV3), и расположенный в к/с 22 в радиопультовой. Сигнал возбуждения проходит через управляемый аттенюатор (расположен там же) и усилитель мощности (расположен в этаже "Вишня" крейтостойки в 4-ом промежутке ВЭПП-3) и поступает на нагруженную на 50 Ом пластину в 4-ом промежутке, около линзы 4F6. Пластина расположена под углом 45 градусов, чтобы возбуждать как вертикальные, так и радиальные колебания пучка. Возбуждение ведется на частоте:

Fвозб = (1 + Q)*F0,

где F0 - частота обращения; Q - дробная часть бетатронной частоты.

Датчик когерентных бетатронных колебаний представляет собой две расположенные под 45 градусов и нагруженные с одной стороны на 50 ом полосковые линии, сигналы с которых вычитаются на трансформаторе, давая таким образом информацию о смещении пучка от середины вакуумной камеры. Датчик расположен внутри вакуумной камеры линзы 2D7 (2-ой промежуток ВЭПП-3). Затем сигнал проходит через предварительный усилитель с избирательным фильтром, пропускающим только одну боковую составляющую бетатронных частот: (4+Q)*F0. Трансформатор и предварительный усилитель находятся в этаже "Вишня" крейтостойки в 4-ом промежутке ВЭПП-3.

Следующий за предварительным усилителем преобразователь частоты переносит выделенный спектр в низкочастотную область: Q*F0. Затем сигнал поступает на второй преобразователь частоты, для которого гетеродинным напряжением служит сигнал переменной частоты, применяемый также для возбуждения пучка, с частотой (1 + Q)*F0. В результате узкополосным фильтром выделяется сигнал постоянной частоты F0, пропорциональный амплитуде колебаний пучка, который детектируется и измеряется с помощью АЦП. Преобразователи частоты и АЦП находятся в 4-ом этаже к/c 22 в радиопультовой.

2. Задание режимов работы программы #SCAN.

При запуске с 20-ой ячейки программа выходит на командную строку, в которой предусмотрен выбор команд: (C, Q, P, A, I, P ). При нажатии клавиши спецсимвола "/" программа #SCAN делетуется с выключением синтезатора. То же самое происходит при запуске программы с 22-ой ячейки.

Значения команд:

С - задание режима сканирования вручную (задаются область частот, уровень амплитуды возбуждения пучка, режим работы АЦП).

Q - задание режима работы обратной связи (опорные частоты, задержка времени между сканами и т.д.).

P - задание параметров программного режима работы #SCAN (указывается, при каких статусах ВЭПП-3 следует измерять бетатронные частоты, задержка времени между сканами, нужно ли включать обратную связь (только при статусе "перепуск"), записывать ли результаты измерения в текстовый файл).

A - запуск работы в программном режиме.

I - запуск работы в ручном режиме, независимо от статуса.

P - останов программы.

Выход из программного или ручного режима на командную строку делается директивой "GO SCAN 21": делетование программы - директивой "GO SCAN 22".

Делетовать программу директивой "DE SCAN" не рекомендуется, т.к. при этом синтезатор может остаться включенным, и возбуждающее пучок ВЧ - напряжение генерируется неизвестно на какой частоте внутри диапазона сканирования.

В программе записаны некоторые первоначальные уставки, благодаря чему, если дать сразу команду "A", #SCAN будет работать только при статусе "перепуск", сканируя в области частот 0.10 ¸ 0.17, подгоняя бетатронные частоты к значениям (0.12; 0.15), и записывая результаты своей работы в текстовый файл QS01. Сканирование при других статусах (если это заказано программой) проводится обычно в области частот 0.10 ¸ 0.25.

3. Обработка результатов измерения.

Во время одного сканирования (изменения возбуждающей частоты от минимального значения до максимального ступенями, обычно за 200 шагов) на каждом шаге измеряется с помощью АЦП "отклик", т.е. амплитуда сигнала с датчика, регистрирующего поперечные бетатронные когерентные колебания пучка (максимальная величина продетектированного сигнала около 2 В).

После этого производится обработка полученных результатов:

· Вычисляется величина "подложки", т.е. среднее из пяти первых и пяти последних измерений.

· Из всех измерений вычитается величина "подложки".

· Если при этом получились отрицательные значения, они зануляются.

· Находится максимум из всех измерений (его величина и положение).

· Находится "второй максимум" (алгоритм от Симонова). Вниз от основного максимума ищется локальный минимум, а затем еще ниже локальный максимум, и определяется величина перепада от локального минимума до локального максимума. Если ниже найденного локального максимума есть более глубокий локальный минимум, он принимается новую точку отсчета, и ниже его ищется новый локальный максимум, и т.д. Та же процедура делается вверх от основного максимума. За "второй максимум" принимается тот из локальных максимумов, для которого перепад между локальными минимумом и максимумом самый большой.

· Принимается, что положения максимумов соответствуют частотам бетатронных колебаний. Поскольку используемая аппаратура не позволяет отличить вертикальные колебания от радиальных, условно считается, что радиальные колебания имеют меньшую частоту, чем вертикальные (обычно так оно и есть).

4. Графическое представление.

Результаты работы программы выводятся в графическом виде на второй монитор PC на пульте ВЭПП-3 в окне "SCAN".

Вверху выведены дата и время последнего измерения.

В левом верхнем углу показан график амплитудно - частотной характеристики: зависимость измеренного АЦП сигнала с пикапа от частоты возбуждения. Область сканирования по частоте показана вертикальными голубыми линиями. Вертикальная шкала выбирается автоматически, с шагом 500 мВ; величина шкалы - в левом верхнем углу графика. В правом верхнем углу графика показаны в числовом виде измеренные бетатронные частоты.

Под графиком показаны некоторые текущие параметры ВЭПП-3 и системы сканирования. Правее графика появление текста "FB" означает, что работает система обратной связи, стабилизирующая частоты бетатронных колебаний; текст "FLWR" зеленого цвета означает, что производится запись в текстовый файл результатов работы программы #SCAL. Тот же текст красного цвета означает, что запись в файл заказана, но не выполняется из-за переполнения файла. Число означает порядковый номер скана (если работает обратная связь по частотам бетатронных колебаний). Время между сканами - в таблице под графиком амплитудно - частотной характеристики.

График в правом верхнем углу окна показывает ход во времени измеренных частот бетатронных колебаний (запоминаются последние 200 измерений). Самое последнее измерение - справа, при T = 0. Шкала графика по оси абсцисс - "время назад" (в сек "до нашей эры"); шкала выбирается автоматически, в зависимости от накопленных измерений, но не больше 12000 сек.

В правом нижнем углу окна показана диаграмма бетатронных частот в обычной рабочей области ВЭПП-3 (0.10 ¸ 0.25), с прямыми и суммовыми резонансами до 6-го порядка включительно и разностными резонансами - до третьего порядка. Последние измеренные частоты показаны сплошным кружком зеленого цвета; предыдущее измерение - пустым кружком малинового цвета. Принято, как уже упоминалось раньше, что Qx < Qz, поэтому точки всегда лежат выше диагонали Qx = Qz.

5. Обратная связь для выставки и стабилизации частот бетатронных колебаний.

Если ВЭПП-3 работает в качестве инжектора ВЭПП-4, в статусе "перепуск" в течение нескольких часов происходит поляризация пучка. В это время необходимо достаточно точно выставить нужные значения бетатронных частот и поддерживать их с точностью около .001 в течение всего времени поляризации. Для этого предусмотрен специальный режим работы программы #SCAN.

Если #SCAN работает в программном режиме и со стабилизацией бетатронных частот, то сразу после выхода ВЭПП-3 в статус "перепуск" программа начинает измерять частоты и приближать их к заданным опорным значениям (одновременно происходит подстройка орбиты программой #COCO). Первые 10 измерений и подстроек частоты делаются достаточно быстро (обычно с периодом 10 секунд между измерениями, сканирование в области частот от 0.10 до 0.25), затем время задержки между измерениями увеличивается обычно до 300 сек, а верхняя частота сканирования уменьшается до 0.17; программа отслеживает только небольшие и медленные уходы частоты.

Опорные частоты, к которым должны притягиваться частоты бетатронных колебаний пучка, исходно заданы: Qx=0.12; Qz=0.15 (важно, чтобы всегда было Qx<Qz, иначе программа не сможет правильно работать). Опорные частоты можно изменить, выбрав команду "Q" в командной строке.

При работе в режиме стабилизации частот программа #SCAN:

· вычисляет разности между измеренными значениями частот и опорными dQ1 и dQ2.

· умножает их на коэффициент ослабления K<1 (что важно для устойчивости работы системы обратной связи).

· вычисляет соответствующие поправки к управляющим кодам для магнитных элементов "H", "F", "D" (так же, как это делается для ручки "QXZ" программы #VEPP).

· посылает эти поправки в программу #BANK Одренка MSV3, предварительно проверив, не выполняет ли в это время #BANK другое задание.

Шаг изменения бетатронных частот ограничен: он не может быть больше 0.01 для каждой из частот. Если (|dQ1|+|dQ2|) < 0.001, то такие изменения частот не отрабатываются, потому что считается, что они могут быть связаны с ошибками измерения.

Программа #SCAN может работать в режиме обратной связи только при статусе "перепуск".

Если программа загружается в момент, когда ВЭПП-3 находится в статусе "перепуск", то в начале сканирования она задает оператору дополнительный вопрос: "сканировать в узкой области частот или в широкой?" Если в этот момент бетатронные частоты находятся далеко от опорных значений, нужно сканировать в широкой области (0.10¸0.25), иначе - в узкой области (0.10¸0.17).

6. Запись в STAP и текстовый файл.

Программа #SCAN записывает (если это заказано) результаты своей работы в текстовый файл QS01 в ЗУ Одренка BEAMV3. Записи делаются либо в уже существующий файл, либо этот файл создается программой, причем в этом случае в заголовке записывается дата. Далее записываются одним рекордом (одной строкой):

1. Время в сек от начала суток.

2. Статус ВЭПП-3 (1-накопление; 2-ускорение; 6-перепуск).

3. Энергия ВЭПП-3 (в МэВ).

4. Частота обращения ВЭПП-3 (в КГц) (записывается уставка частоты; в статусе "перепуск", когда частоты ВЭПП-3 и ВЭПП-4 сведены, искусственно записывается частота 4029.1; она же используется для измерения бетатронных частот).

5. Ток пучка (мА).

6. Нижняя измеренная бетатронная частота Q1.

7. Верхняя измеренная бетатронная частота Q2.

8. Номер скана (это может быть важно, если работает обратная связь по частотам бетатронных колебаний).

9. Верхняя частота полосы сканирования.

Записывать в файл можно при любом статусе ВЭПП-3.

Чтобы использовать эти данные для дальнейшей обработки (например, программой EXCEL), нужно, изменив имя, дампировать этот файл на Винчестер (желательно в директорию 46 (BEAMV3-1)), а затем конвертировать в формат PC.

Программа #SCAN записывает измеренные бетатронные частоты в ячейки 164 и 165 STAP; в ячейку 166 записывается время измерения в секундах от начала месяца. Результат можно увидеть на сетке бетатронных частот Шатилова (программа "resl" в PC).