SI23620A - Postopek natančnega merjenja položaja in časa prihoda pospešenih delcev in naprava za izvedbo postopka - Google Patents

Abstract

Predloženi izum se nanaša na postopek merjenja položaja in časa prihoda pospešenih delcev zlasti v linearnem pospeševalniku in na napravo za izvedbo postopka Naprava po izumu ob sproženju korekcije digitalno procesira signal sproženja s programabilnim digitalnim sintetičnim sistemom kije nastavljen tako da je glede na časovni odzivekvivalenten sprejetemu analognemu korekcijskemu signalu Izhod iz tega sintetičnega sistema se odšteje od meritve zato je korekcijski signal popolnoma izbrisan iz meritve Poseben adaptiven algoritem skrbi za usklajevanje časovnega odziva sintetičnega sistema s spremembami v analognem vezju ki nastanejo zaradi segrevanja samega vezja

Description

Instrumentation Technologies d.d.

io Postopek natančnega merjenja položaja in časa prihoda pospešenih delcev in naprava za izvedbo postopka is Predloženi izum se nanaša na postopek merjenja položaja in časa prihoda pospešenih delcev, zlasti v linearnem pospeševalniku, in na napravo za izvedbo postopka.

Pospeševanje težkih delcev zahteva natančno nastavitev elektromagnetnega polja v resonančnih votlinah v trenutku, ko delci prečkajo votline. Čas prihoda delcev v naslednjo resonančno votlino je namreč ključnega pomena, saj bi omenjeni delci ob drugem času zaradi časovne spremembe faze polja v votlini prejeli napačen odmerek energije. Ker se napake seštevajo, je posledica še večje odstopanje v naslednjih votlinah, kar bi vodilo k nestabilnosti celotnega sistema. Zaradi omenjenega medsebojnega vpliva med resonančnimi votlinami in delci zahteva pospeševanje delcev ustrezno krmiljenje resonančnih votlin in ostalih parametrov pospeševalnika, kar zahteva natančne meritve položaja in časa potovanja delcev skozi odseke.

Meritev položaja in časa prihoda delcev se izvaja v različnih odsekih pospeševalnika. V vsakem odseku pospeševalnika so v vakuumsko cev vgrajene štiri elektrode, razporejene v ravnini prečnega preseka vakuumske cevi. Gruče delcev tako vzbujajo na elektrodah električne signale v radijskem območju frekvenc. Zaporedja gruč delcev določajo odsekoma periodične pulzne napetostne vzorce na elektrodah, v katerih je moč signala porazdeljena predvsem okoli določenih mnogokratnikov osnovne frekvence ponavljanja.

Običajna meritev položaja in časa prihoda delcev obravnava merjenje amplitude in faze • · · · • · * · • ······ · ·♦· · · · - 2 ·· ·· ·· ♦ · · ··· osnovne vzbujene frekvenčne komponente na štirih elektrodah. Izmerjene amplitudne razlike med kanali določajo položaj delcev, fazna odstopanja proti globalnem referenčnem signalu pa določajo čas prihoda delcev.

Linearni pospeševalni težkih delcev tipično sočasno oskrbujejo z delci različne narave različne »eksperimentalne postaje, zato je potrebno pospeševanje prilagoditi trenutni tipologiji obratovanja. Tipično se tipologije pospešenih delcev izmenjujejo do 120 krat na sekundo. Omenjene tipologije delcev določajo spremembo naboja delcev in sorazmerno tudi amplitude merjenega signala v relativno velikih razponih (tudi za faktor 1000 in več). Na splošno so v pospeševalnikih v uporabi merilni sistemi položaja delcev, s katerimi je mogoče obravnavati meritve v omenjenih razponih amplitude merjenega signala, vendar je v sami merilni napravi potrebno prekiopiti/nastaviti delovno področje vhodne moči, preden pride do spremembe v vhodni moči signala. Trenutno so pri linearnih pospeševalnikih v omenjenih specifičnih aplikacijah, kot so merjenje položaja in časa prihoda delcev, v uporabi merilne naprave z nespremenljivim območjem moči delovanja. Pri tovrstnih napravah, ko se obravnava delce z nizkim nabojem, postanejo signali na elektrodah zelo nizki, šum sprejemnika pa prevlada nad signalom, zaradi česar z zahtevano natančnostjo ni več mogoče določiti položaja oz. časa prihoda delca.

Naloga izuma je ustvariti postopek merjenja položaja in časa prihoda pospešenih delcev, zlasti v linearnem pospeševalniku, ki bo odpravil pomanjkljivosti znanih rešitev.

Nadaljnja naloga izuma je ustvariti napravo za izvedbo postopka merjenja položaja in časa prihoda pospešenih delcev, zlasti v linearnem pospeševalniku.

Zastavljena naloga je po izumu rešena z značilnostmi, podanimi v značilnostnem delu 1. patentnega zahtevka.

Izum je v nadaljevanju podrobneje opisan na osnovi izvedbenega primera in s sklicevanjem na priloženo skico, kjer je shematsko prikazana naprava po izumu za merjenja položaja in časa prihoda pospešenih delcev, zlasti v linearnem pospeševalniku.

Naprava po izumu sestoji iz niza medsebojno vzporednih merilnih kanalov, pri čemer na skici prikazani prednostni izvedbeni primer obsega niz štirih merilnih kanalov A, B, C, D. Vsakokratni omenjeni merilni kanal A, B, C, D sestoji iz seštevalnega bloka 1, ki prejema na svojem vhodu analogni vhodni signal E od vsakokratne neprikazane elektrode neprikazanega linearnega pospeševalnika, Omenjenemu seštevalnemu bloku 1 je zaporedno priključena analogna procesna enota 2 za predobdelavo omenjenih vhodnih signalov E, prednostno analogno sito, kamor omenjeni elektrodni vhodni signal E prispe iz vsakokratnega seštevalnega bloka 1. Omenjeni analogni procesni enoti 2 je nadalje zaporedno priključena procesna enota 3, ki sestoji iz para medsebojno vzporednih procesnih verig, katerih vsaka je zasnovana iz zaporedno vezane analogne procesne enote 4, 4' in digitalnega pretvornika 5, 5'. Omenjeni procesni verigi 4, 5; 4', 5' sta glede ojačanja in frekvenčnega odziva medsebojno popolnoma neodvisni. Vsakokratni signal iz analogne procesne enote 2 za predobdelavo omenjenih vhodnih signalov E se zatem razcepi na dva medsebojno vzporedna dela, pri čemer prvi del vsakokratnega omenjenega signala E vstopi v prvo procesno verigo 4, 5 omenjene procesne enote 3 in pri čemer drugi del vsakokratnega omenjenega signala E vstopi v drugo procesno verigo 4', 5' omenjene procesne enote 3. V vsakokratni omenjeni procesni verigi se omenjene signale obdela in pretvori v digitalno obliko. Iz vsakokratne procesne verige 4, 5; 4', 5' omenjene procesne enote 3 izstopajoči digitalni signal je dalje voden v programabilno digitalno signalno procesorsko enoto 6, katere glavna naloga je detekcija amplitude in faze omenjenega digitalnega signala. Na prvem izhodu 7 omenjene procesorske enote 6 dobimo sedaj rezultat položajne meritve, medtem ko dobimo na drugem izhodu 8 omenjene procesorske enote 6 rezultat časovne oz. fazne meritve.

Vzporedno z zgoraj opisanim sklopom štirih kanalov je omenjeni procesorski enoti prigrajena korekcijska veriga K, s pomočjo katere se sočasno z omenjenim digitalnim signalom v omenjeno procesorsko enoto 6 dovaja analogni referenčni sinusni signal 9. Omenjeni referenčni signal 9 se najprej vodi v analogno procesno enoto za predobdelavo omenjenega referenčnega signala 9, prednostno v analogno sito 10, nato pa dalje v digitalni pretvornik 11, kjer se omenjeni, obdelani analogni referenčni signal 9 digitalizira in vodi naprej v procesorsko enoto 6. Del omenjenega referenčnega signala 9 se še pred omenjenim digitalnim pretvornikom 11 odcepi in vodi v procesno enoto 12, kjer se ga ustrezno ojača in s pomočjo analogno ne-linearne pretvorbe izbiroma uporabi za generiranje mnogokratnikov vhodne referenčne frekvence, ki predstavljajo analogni korekcijski signal 14. Na tak način se izseje neželene frekvenčne doprinose, preostali del omenjenega signala 14 pa se skozi hitro radiofrekvenčno stikalo 13 v zelo kratkih programabilnih časovnih odsekih preko omenjenega seštevalnega bloka 1 vnese v vsakokratni omenjeni merilni kanal A, B, C, D. Kadar je omenjeno stikalo 13 sklenjeno, • · · · • · sprejema vsakokratna procesna enota 3 poleg omenjenega vhodnega signala E tudi omenjeni korekcijski signal 14. Iz izmerjene amplitude in faze korekcijskega signala 14 se da ugotoviti, v kolikšni meri se vsakokratna procesna enota 3 medsebojno spreminja zaradi temperaturnih sprememb v tiskanem vezju. Izmerjene spremembe, ki nastanejo v daljših časovnih obdobjih, je zato mogoče odšteti v sklopu digitalnega signalnega procesiranja in jih posledično odstraniti iz merilne naprave. Naprava z zgoraj opisano korekcijo po izumu omogoča torej stabilno meritev tudi počasnih sprememb položaja žarka in časa prihoda delcev skozi merilni odsek, ne da bi meritev bila popačena zaradi temperaturnih sprememb v sami merilni napravi.

Z ustrezno nastavitvijo analognega ojačanja v omenjenih procesnih verigah 4, 5, 4', 5' je mogoče sprejemati vhodni signal E tudi pri zelo nizkih močeh, saj so nizki signali optimalno ojačani v procesni verigi z večjim ojačanjem. V nasprotnem primeru, pri močnejših vhodnih signalih E, pride do izraza procesna veriga z nižjim ojačanjem. V skrajnih področjih vhodne moči sistem na osnovi trenutne moči omenjenega vhodnega signala samodejno izbira digitalno podatkovni potek meritve. Pri srednjih močeh opravi sistem uravnoteženo povprečenje meritev iz omenjenih procesnih verig 4, 5, 4', 5' in na ta način zmanjša nekorelirano negotovost, vneseno v vsakokratno omenjeno procesno verigo. Sistem tudi omogoča digitalno linearizacijo odziva omenjenih procesnih verig z večjim ojačanjem, tako da je integracija informacije omenjene procesne verige z večjim ojačanjem mogočaa tudi pri sorazmerno visoki moči omenjenega vhodnega signala.

Omenjena razširitev vhodnega področja moči in izboljšanje meritve na osnovi dveh fizično ločenih sprejemnikov omogoča zelo kakovostno meritev položaja in časa prihoda delcev v sorazmerno širokem področju naboja delcev, ne da bi bilo potrebno spremeniti katerikoli analogni del sistema.

Sistem po izumu omogoča vzporedno meritev amplitude in faze tudi v več frekvenčnih komponentah. Poleg osnovne frekvence obravnava sistem v analogni in digitalni obdelavi tudi mnogokratnike osnovne frekvence ponavljanja gruč delcev. Vsaka frekvenčna komponenta Omogoča meritev primerljive kakovosti položaja in časa prihoda delcev. Sistem neodvisno izvaja meritve po posamičnih frekvenčnih komponentah vhodnega signala na omenjenih kanalih in samodejno skrbi, da je končna meritev omenjene naprave optimalno uravnoteženo povprečje posamičnih doprinosov, kar dodatno zmanjša negotovost končne meritve.

Kadar so meritve faze izvedene na mnogokratnikih osnovne frekvence, sistem tudi izvaja pretvorbo meritve faze v osnovno frekvenco. V sklopu omenjene pretvorbe naprava po izumu skrbi za rešitev negotovosti zaradi periodičnosti faze pri mnogokratni frekvenci ter posreduje uporabniku naprave ekvivalentno fazo osnovne frekvenčne komponente.

V specifičnih aplikacijah, kjer se zahteva manjšo dinamika vhodne moči, je mogoče nastaviti ojačanje v omenjenih procesnih enotah 3 na podobne vrednosti, ustrezno zamakniti frekvenčni odziv vsakokratne omenjene procesne enote in tako povečati pasovno širino pretvorjenih podatkov za faktor dva, saj je v takšnem sistemu vzorčenje skupnega signalnega vira izvedeno z dvojno gostoto.

Omenjena naprava po izumu podpira dva načina zaznavanja korekcijskega signala. Prvi način temelji na prekinjenem delovanju pospeševalnika, drugi pa obravnava neprekinjen način delovanja.

V prekinjenem načinu delovanja pospeševalnika, je mogoče samodejno sprožiti korekcijski signal 14 v ustreznih časovnih presekih, ko ni napovedana prisotnost delcev. Naprava torej v ločenih časovnih odsekih izvaja meritve korekcijskega signala 14 in signala E žarka delcev. Popravki, izračunani na osnovi vsakokratne meritve korekcijskega signala 14 se uporabljajo pri naslednji meritvi žarka, saj so temperaturne spremembe v zelo kratkih obdobjih zanemarljive.

Pri neprekinjenem delovanju pospeševalnika naprava periodično vklopi korekcijski signal 14. Ta se sicer prekriva s signalom E delcev, vendar naprava v trenutku, ko je korekcijski signal 14 vnesen, beleži povprečne spremembe v meritvi zaradi doprinosov vnesenih korekcijskih frekvenčnih komponent. Ker naprava sama sproži korekcijo, je mogoče na osnovi meritve zakasnitve sproženja korekcijskega signala in na osnovi povprečnega zabeleženega odstopanja izmeriti doprinos korekcije in ga tudi popolnoma odstraniti iz meritve.

Naprava po izumu ob sproženju korekcije digitalno procesira signal sproženja s programabilnim digitalnim sintetičnih sistemom, ki je nastavljen tako, da je glede na časovni odziv ekvivalenten sprejetemu analognemu korekcijskemu signalu. Izhod iz tega sintetičnega sistema se odšteje od meritve, zato je korekcijski signal popolnoma izbrisan iz meritve. Poseben adaptiven algoritem skrbi za usklajevanje časovnega odziva sintetičnega sistema s spremembami v analognem vezju, ki nastanejo zaradi segrevanja samega vezja

Claims (9)

1. Postopek merjenja položaja in časa prihoda pospešenih delcev, zlasti v linearnem pospeševalniku, značilen po tem, da obsega naslednje korake:

(a) dovod vhodnega analognega signala (E) od niza elektrod v pospeševalniku na vhod analognega seštevalnega bloka (1) vsakokratnega merilnega kanala;

(b) predobdelava omenjenih vhodnih analognih signalov (E) v analogni procesni enoti (2), ki je zaporedno priključena omenjenemu seštevalnemu bloku (1);

(c) obdelava omenjenega vhodnega analognega signala (E) v procesni enoti (3), ki je zaporedno priključena omenjeni analogni procesni enoti (2);

(d) razdelitev omenjenega analognega signala, izhajajočega iz analogne procesne enote (2), na dva medsebojno vzporedna dela, pri čemer prvi del vsakokratnega omenjenega analognega signala vstopi v prvo procesno verigo (4, 5) omenjene procesne enote (3) in pri čemer drugi del vsakokratnega omenjenega analognega signala vstopi v drugo procesno verigo (4', 5') omenjene procesne enote (3);

(e) obdelava in digitaliziranje omenjenega analognega signala v vsakokratni procesni verigi (4, 5; 4', 5');

(f) vodenje omenjenega digitalnega signala v programabilno digitalno signalno procesorsko enoto (6) za detekcijo amplitude in faze omenjenega digitalnega signala;

(g) dovajanje analognega referenčnega signala (9), ki se ga predobdela v analogni procesni enoti (10) in nato digitalizira v digitalnem pretvorniku (11), sočasno z omenjenimi digitalnimi signali, izhajajočimi iz omenjene procesne enote (3), v omenjeno procesorsko enoto (6);

(h) vodenje dela omenjenega analognega referenčnega signala (9), ki je bil predobdelan v omenjeni analogni procesni enoti (10), v procesno enoto (12), kjer se ga ustrezno ojača in s pomočjo analogno ne-linearne pretvorbe uporabi za generiranje mnogokratnikov vhodne referenčne frekvence, ki predstavljajo analogni korekcijski signal (14); in (i) vnos omenjenega analognega korekcijskega signala (14) skozi hitro radiofrekvenčno stikalo (13) v omenjeni seštevalni blok (1) vsakokratnega merilnega kanala.

2. Postopek po zahtevku 1, značilen po tem, da sta omenjeni procesni verigi (4, 5; 4',

3. Postopek po zahtevku 1, značilen po tem, da je omenjena analogna procesna enota (2, 10) sito.

4. Naprava za merjenje položaja in časa prihoda pospešenih delcev, zlasti v linearnem pospeševalniku, značilna po tem, da obsega niz medsebojno vzporednih merilnih kanalov (A, B, C, D), katerih vsak obsega seštevalni blok (1), ki mu je zaporedno priključena analogna procesna enota (2) za predobdelavo omenjenega vhodnega signala (E), da je dalje omenjeni analogni procesni enoti (2) zaporedno priključena procesna enota (3), pri čemer je iz omenjene procesne enote (3) izstopajoči digitalni signal dalje voden v programabilno digitalno signalno procesorsko enoto (6), in da je dalje vzporedno z omenjenimi merilnimi kanali razporejena korekcijska veriga (K).

5. Naprava po zahtevku 4, značilna po tem, da omenjena korekcijska veriga (K) obsega procesno enoto (10) za predobdelavo referenčnega signala (9), ki ji je zaporedno priključen digitalni pretvornik (11), povezan s procesorsko enoto (6), pri čemer je med omenjeno procesno enoto (10) in omenjenim digitalnim pretvornikom (11) razporejena vzporedno vezana procesna enota (12), iz katere izstopa analogni korekcijski signal (14), ki se ga preko hitrega radiofrekvenčnega stikala (13) vnese v omenjeni seštevalni blok (1) vsakokratnega omenjenega merilnega kanal (A, B, C, D).

5') tako glede ojačanja kot tudi glede frekvenčnega odziva medsebojno popolnoma neodvisni.

6. Naprava po zahtevku 4, značilna po tem, da omenjena procesna enota (3_b 3₂ ... 3_N) sestoji iz para medsebojno vzporednih procesnih verig (4, 5; 4', 5').

7. Naprava po zahtevkih 4 in 5, značilna po tem, da je omenjena procesna veriga (4, 5; 4', 5') zasnovana iz zaporedno vezane analogne procesne enote (4, 4') in digitalnega pretvornika (5, 5').

8. Naprava po zahtevkih 4 do 6, značilna po tem, da sta omenjeni procesni verigi (4, 5; 4', 5') tako glede ojačanja kot tudi glede frekvenčnega odziva medsebojno popolnoma neodvisni.

9. Naprava po zahtevku 4, značilna po tem, da je omenjena analogna procesna enota (2i, 2₂... 2_n, 10) sito.