Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 3. ЭЛЕКТРОИКДУКЦИОННЫЕ И МАГНИТОИНДУКЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ТОКА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦВ электроиндукционных (или электростатических) измерителях используется эффект возникновения (или наведения) разности потенциалов на специальных сигнальных электродах при пролете пучка заряженных частиц. Если система электродов состоит из двух коаксиальных цилиндров одинаковой длины (рис. IV.6), а длина сгустка значительно больше длины электродов, то разность потенциалов, наведенная на внутренний электрод,
где — радиус внутреннего (сигнального) электрода в Причем где
— длительность импульса в сек.
Рис. IV.6. Принцип работы электроиндукционного измерителя Учитывая входную емкость измерительной схемы
где Если длина сигнального электрода Если Эта формула справедлива для любой формы электродов.
где X — длина сгустков в — длительность импульса сгустка в сек; Е — энергия частиц сгустка в М — масса ускоренных частиц в кг. На рис. IV.7 показаны формы наведенных сигналов для случаев
Рис. IV.7. Зависимость формы наведенных сигналов от соотношения между Форма сигналов легко вычисляется, если поле, создаваемое зарядами сгустка, однородно по длине цилиндра. Для улучшения однородности рядом с цилиндром на расстоянии, значительно меньшем его длины, устанавливают охранные кольца. Без них фронт и спад сигналов затягиваются (штриховая линия на рис. IV.7). Охранные кольца увеличивают емкость цилиндра относительно земли и эффективную длину цилиндра Ьэфф, которая в этом случае определяется, как
где Если сигнального электрода, а Если Измерительный прибор, состоящий из емкостного преобразователя и усилителя, характеризуется следующими параметрами: чувствительностью
где Магнитоиндукционные измерители тока пучка заряженных частиц отличаются малыми габаритами и большей чувствительностью по сравнению с электростатическими и находят широкое применение на ускорителях различного типа: линейных, циклотронах, бетатронах и др. Принцип работы измерительных устройств такого типа основан на законе электромагнитной индукции, т. е. наведении э. д. с. в обмотке, находящейся в переменном магнитном поле, создаваемом сгустками заряженных частиц. Зависимость напряженности магнитного поля от величины тока пучка заряженных частиц описывается следующей формулой:
где — расстояние между центром пучка и точкой определения напряженности магнитного поля в Если в это магнитное поле поместить контур, то по закону электромагнитной индукции в нем наведется электродвижущая сила радиусом
Рис. IV.8. Принцип работы магнитоиндукционного измерителя тока пучка заряженных частиц
Рис. IV.9. Схема замещения магнитоиндукционного измерителя тока Эквивалентная схема замещения такого измерителя изображена на рис. IV.9. Его передаточная функция имеет следующий вид:
где
здесь
— активное сопротивление обмотки в ом, включающее в себя в общем случае активное сопротивление провода обмотки и сопротивление, эквивалентное потерям в сердечнике;
— емкость нагрузки в
Передаточная функция измерителя и характер напряжения на его выходе зависят от соотношения параметров Передаточная функция измерителя в этом режиме имеет следующий вид:
где
При действии прямоугольных импульсов тока пучка выходное напряжение
где
На рис. IV. 10 показана форма импульсов выходного напряжения для разных значений
Рис. IV. 10. Зависимость формы импульсов выходного напряжения от Для оценки степени искажения вводятся следующие критерии подобия форм и импульсов, в основу которых положено сравнение наиболее важных параметров, характеризующих форму идеального и реального импульсов выходного напряжения измерителя тока пучка. 1. Относительный спад вершины импульса выходного напряжения и
2. Относительное увеличение переднего фронта импульса выходного напряжения
где Длительность фронта определяется как время нарастания величины импульса от 0,1 до 0,9 амплитуды импульса. Известно, что для таких цепей связь между параметрами импульса и постоянными времени имеет следующий вид:
Эти соотношения позволяют вывести условия, при которых величина импульса выходного напряжения измерителя тока не больше, чем на X, отличается от Математически эти условия запишутся в виде
Эти зависимости или графики, построенные по ним (рис. IV.11), дают возможность по заданным Очевидно, что для уменьшения степени искажения формы импульсов пучка необходимо увеличивать Так как тгде 1) выбирать материал с большой начальной магнитной проницаемостью; 2) увеличивать отношение 3) увеличивать число витков 4) уменьшать сопротивление нагрузки
Рис. IV. 11. Графики зависимостей Однако практически возможности увеличения 1. Довольно ограничен выбор материала сердечника, так как необходимы материалы с большой начальной магнитной проницаемостью в области высоких частот (до 2. На величину отношения сердечника быть больше 3. Увеличение числа витков Уменьшение постоянной времени заряда емкости нагрузки В колебательном режиме при большом сопротивлении нагрузки
Максимальная чувствительность может достигать Передаточная функция измерителя в этом режиме имеет следующий вид:
При действии прямоугольных импульсов тока пучк выходное напряжение
где
Форма напряжения на выходе измерителя приведена на рис. IV. 12. Если параллельно нагрузочному сопротивлению
где
Чувствительность измерителя тока в этом режиме
Учитывая, что
Из выведенных формул следует, что для увеличения чувствительности измерителей в этом режиме работы необходимо: 1) использовать сердечники из материалов с большой начальной магнитной проницаемостью и малыми потерями на вихревые токи, гистерезис и магнитное последействие (для уменьшения 2) увеличить отношение или сердечников; 3) уменьшать емкость нагрузки обмотки С; 4) увеличить число витков обмотки О возможностях выбора материала и размеров сердечников уже говорилось. Необходимо только отметить значительно большее влияние потерь в сердечнике, которые возрастают с увеличением частоты Уменьшение емкости нагрузки С ограничивается паразитными емкостями Спар (междувитковой емкостью
Рис. IV. 12. Форма выходного напряжения измерителя при колебательном режиме работы Увеличение числа витков обмотки В промежуточных режимах, при других сопротивлениях нагрузки Четыре группы прозрачных измерителей тока (пучка заряженных частиц) в соответствии с их назначением представлены в табл. IV.2. 1. Исследование формы импульсов тока пучка заряженных частиц. Для этого необходимо получать импульсы напряжения, по форме аналогичные импульсам тока пучка, с тем чтобы, фиксируя их осциллографическими методами, наблюдать изменения формы импульсов тока пучка как в процессе ускорения (например, наблюдать эффект «укорачивания» импульсов), так и при различных режимах работы ускорителя, а также производить измерения различных параметров импульсов тока пучка (амплитуду, длительность, нарастание и срез импульсов, средний ток пучка и т. д.), используя при этом известные методы регистрации параметров. Таблица IV.2 (см. скан) Назначение и режимы работы магнитоиндукционных измерителей тока Для этих целей необходимо использовать апериодический режим работы, причем выбор параметров измерителя (числа витков Реально возможна довольно хорошая степень повторяемости или соответствия импульсов (спад вершины не более 3—5%, а завал фронта не более 5—10%) при чувствительности от 10 до Применение для этих целей измерителей, работающих в колебательном или промежуточном режиме, нецелесообразно вследствие большой степени искажения формы импульсов напряжения измерителя по сравнению с импульсами тока пучка. 2. Измерение амплитуды импульсов тока пучка заряженных частиц при отсутствии каких-либо требований к наблюдению формы импульсов тока. Для этих целей возможно использование магнитоиндукционных измерителей, работающих во всех режимах (апериодическом, колебательном и промежуточном). Максимальная чувствительность при этом получается в колебательном режиме и практически она может достигать 100-150 в/а в импульсе (при длительности импульсов тока пучка не менее 0,5 мксек). 3. Измерение длительности импульсов тока пучка заряженных частиц при отсутствии каких-либо требований к наблюдению и неискаженной передаче формы импульсов тока. В этом случае можно использовать измерители, работающие в апериодическом и промежуточном режимах. Колебательный режим может быть использован, если декремент затухания контура достаточно велик и колебания, вызванные передним фронтом импульса тока пучка, затухают за время импульса (т. е. ко времени действия заднего фронта). Точность измерения длительности импульсов тока пучка в основном определяется используемыми методами и схемами регистрации временного интервала между двумя импульсами разной полярности. 4. Измерение среднего значения импульсной последовательности тока пучка заряженных частиц. Если при этом не предъявляется специальных требований к передаче формы импульсов тока пучка, то помимо использования измерителей, работающих в апериодическом режиме, возможно применение измерителей, работающих в промежуточных режимах. При этом возможно значительное искажение формы импульсов выходного напряжения измерителей и несоответствие их по форме импульсам тока пучка, так как пропорциональность между площадью импульсов тока и импульсов выходного напряжения может сохраняться при весьма нежестких требованиях к передаче формы и при изменении длительности и амплитуды импульсов тока в ограниченных пределах, зависящих от требуемой погрешности измерения. Способы включения измерителей в измерительные схемы или схемы автоматического управления и их конструктивные особенности во многом зависят от их режима работы, а также определяются конкретными особенностями ускорителей заряженных частиц (параметрами импульсов тока пучка, уровнем наводок и помех, а также конструкцией узлов, в которых устанавливаются измерители). Известны и описаны следующие способы включения измерителей: а) непосредственное включение, когда сигнал с измерителя, работающего в апериодическом режиме, по коаксиальному кабелю, нагруженному на волновое сопротивление, поступает на измерительную схему или систему автоматического управления; б) включение с использованием предусилителей или буферных каскадов, которые устанавливаются непосредственно около измерителей тока, работающих как в апериодическом, так и в колебательном режимах. Причем при работе в апериодическом режиме возможно использование отрицательной обратной связи, охватывающей чувствительный элемент и усилитель, что повышает стабильность работы схемы; в) компенсационный метод включения, когда измеритель используется в качестве нуль-органа или элемента сравнения, фиксирующего отличие тока пучка заряженных частиц от известного или задаваемого тока, проходящего по специальному проводнику сквозь измеритель. В конструктивном отношении измерители делятся на вакуумные и невакуумные. В вакуумных конструкциях измеритель устанавливается в вакуумном объеме и для вывода сигналов предусматриваются специальные вакуумные электрические выводы (рис. IV. 13).
Рис. IV. 13. Вакуумная конструкция измерителя тока: 1 — корпус; 2 — электрический вывод из вакуума; 3 — сердечник; 4 - обмотка
Рис. IV. 14. Невакуумная конструкция измерителя тока: 1 — корпус; 2 — ферритовый сердечник; 3 — изолятор; 4 — обмотка; 5 — разъем электрического вывода В невакуумных конструкциях измеритель размещается вне вакуумной системы ускорителя, но частицепровод в месте установки датчика должен иметь непроводящий промежуток (керамика, стекло или какой-либо другой изолятор) для отсутствия короткозамкнутого витка (рис. IV. 14). Абсолютная погрешность измерения тока пучка с помощью магнитоиндукционных измерителей определяется погрешностью градуировки, проводимой с помощью цилиндра Фарадея, устанавливаемого при настройке, а относительная погрешность может составлять не более 3—5%.
|
1 |
Оглавление
|