Оптоволоконный датчик потерь пучка на основе черенковского излучения для Инжекционного комплекса ВЭПП-5

Во введении обосновывается актуальность исследований, прово- димых в рамках данной диссертационной работы, формулируется цель,
ставятся задачи работы, излагается научная новизна и практическая зна- чимость представляемой работы.
Первая глава посвящена выбору системы диагностики потерь пучка для ИК ВЭПП-5. Приводится обзор наиболее подходящих типов датчиков потерь пучка. Перечисляются требования, предъявляемые к датчику по- терь пучка на ИК ВЭПП-5.
Описывается принцип работы выбранного оптоволоконного датчи- ка потерь пучка. Датчик размещается с внешней стороны вакуумной камеры ускорителя и регистрирует черенковское излучение, генерируе- мое в оптическом волокне вторичными заряженными частицами, которые образуются при взаимодействии теряемого пучка с веществом стенки вакуумной камеры и окружающих элементов ускорителя. Черенковское излучение распространяется по оптоволокну и регистрируется при помо- щи фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Сигнал с ФЭУ оцифровывается при помощи АЦП. Время прихода светового импульса дает информацию о месте потери пучка, а его интенсивность – о количестве потерянных частиц. Световой импульс можно регистрировать с обоих торцов оптоволокна. Схе- ма датчика представлена на рисунке 1. Приводится исторический обзор использования оптоволокна в качестве датчика потерь пучка.
Стенка ваккумной камеры
ФЭУ
ФЭУ
Старт
Пучок Электромагнитный ливень
Оптоволокно
Распространение черенковского излучения
Старт
АЦП
Рис. 1 — Схема оптоволоконного датчика потерь пучка. Запуск АЦП осуществляется внешним синхроимпульсом, привязанным к моменту инжекции/выпуска пучка
Во второй главе приводится анализ физических процессов, лежа- щих в основе работы датчика и влияющих на его способность определять место потери пучка в ускорителе и количество потерянных частиц. К таким процессам относятся взаимодействие теряемых электронов пучка с веще- ством стенки вакуумной камеры, генерируемое в оптоволокне черенковское излучение и механизм передачи излучения по оптоволокну.
Подробно описывается устройство оптоволокна, рассматриваются су- ществующие типы оптоволокон и физические процессы, влияющие на
АЦП

качество передачи светового импульса. Для исследования влияния па- раметров оптоволокна на распространение излучения и на световыход, используется лучевая теория распространения света. Особое внимание уделено передаче черенковского излучения по оптоволокну с учетом осо- бенностей его генерации и спектра излучения. Механизм распространения излучения рассматривается на примере многомодового оптоволокна со сту- пенчатым профилем показателя преломления.
Третья глава посвящена результатам численного моделирования процесса регистрации потерь пучка при помощи датчика потерь для структуры ИК ВЭПП-5. Результаты моделирования различных сценариев потерь пучка с параметрами, максимально близко подобранными к пара- метрам ИК ВЭПП-5, позволяют определить, какими характеристиками должен обладать датчик, в каком месте его следует разместить и каким способом регистрировать сигнал.
Поскольку практически невозможно измерить точную эффектив- ность любого датчика потерь пучка за счет неопределенности места потери и наличия углового разброса электромагнитного ливня, численное модели- рование необходимо для абсолютной калибровки сигнала с точки зрения отношения величины сигнала к количеству потерянных частиц. Числен- ное моделирование выполнено при помощи программы FLUKA на основе метода Монте-Карло.
Приведены угловое, энергетическое и поперечное распределения элек- тронной компоненты электромагнитного ливня при падении пучка на стенку вакуумной камеры. Также показано распространение черенковского излучения по оптоволокну в зависимости от угла падения пучка на стенку вакуумной камеры и диаметра оптоволокна. Показаны временная структу- ра светового импульса и влияние дисперсии в оптоволокне на длительности светового импульса на выходе из оптоволокна.
В результате моделирования физических процессов, положенных в основу принципа работы оптоволоконного датчика потерь пучка, были определены условия применимости датчика, процессы, существенным об- разом влияющие на его пространственное разрешение, и были рассчитаны коэффициенты для калибровки сигнала датчика.
Четвертая глава посвящена выбору оптимальных элементов дат- чика и способов регистрации потерь. Приводятся результаты эксперимен- тального исследования разных типов оптоволокон, ФЭУ и АЦП с точки зрения оптимального пространственного разрешения датчика, его калиб- ровки, простоты и надежности использования.
Были протестированы четыре типа оптоволокна, различающихся по материалу сердцевины, профилю показателя преломления и количеству передаваемых мод излучения. Для каждого из них было измерено значе- ние дисперсии. Измеренная дисперсия света наряду с расчетной величиной дисперсии для каждого типа оптоволокна приведена в таблице 1.
Таблица 1 — Основные параметры исследуемых оптоволокон и получен- ные значения дисперсии
Название
Тип Профиль Материал
Broadcom, HFBR-RUS
Многомодовое Ступенчатый Пластик
Thorlabs, FG550UEC
Многомодовое Ступенчатый Кварц
Fiberware, G 400/560A
Многомодовое Градиентный Кварц
Fiberware, SM 400/125PI
Одномодовое Ступенчатый Кварц
Расчетная дисперсия, нс/м
0.27
0.15
0.1
≤0.1
Измеренная дисперсия, нс/м
0.24 ± 0.02
0.17 ± 0.01
0.16 ± 0.02
0.17 ± 0.03
Установлено, оптимальным типом оптоволокна с точки зрения про- странственного разрешения, затухания, радиационной стойкости и меха- нической прочности является кварцевое многомодовое оптоволокно со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром сердцевины 550 мкм. С точки зрения стоимости самый лучший вариант – пластиковое оптоволокно. В зависимости от бюджета оба эти варианта являются опти- мальными. Для пластикового оптоволокна оптимальная длина составляет примерно 30 м, для многомодового кварцевого – 40 м.
На примере пластикового оптоволокна было изучено влияние иони- зирующего излучения на качество передачи светового импульса. Был определен срок его эксплуатации при типичной мощности дозы на ИК ВЭПП-5, порядка 100 Гр/год, который составил около пяти лет, при этом уровень оптического сигнала падает не более, чем на треть.
Показано, что регистрируя световой сигнала с торца оптоволокна, расположенного в направлении, противоположном направлению движе- ния пучка, пространственное разрешение датчика лучше в 3–5 раз по сравнению с противоположным торцом. Полученные в эксперименте рас- пределения потерь электронного пучка при регистрации с двух торцов кварцевого многомодового оптоволокна представлены на рисунке 2.
Приводится экспериментальное сравнение разных типов фотодетек- торов, наиболее оптимальных для датчика потерь. Показано, что одним из наиболее подходящих типов является ФЭУ на микроканальных пластинах, который обладает минимальными временными характеристиками. Его вре- менной вклад в результирующую длительность импульса с датчика потерь составляет 3.5 нс.
Также было проведено сравнение оцифровки сигнала при помощи АЦП с разными временными характеристиками. И показано, что для оцифровки сигнала потерь пучка достаточно использовать АЦП с поло- сой пропускания 200 МГц и частотой дискретизации 500 Мвыб/с.
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
– 0.5
НПарпортиавлнеанпире. “1” НПаопнрапврл.епнуичека“2”
Г
Б
Потери пучка, отн.ед.
SM
A B 3M1 3M2 3M3 3M4 3M5 5M1 5M2
0 5 10 15
s, м
Рис. 2 — Потери пучка электронов, полученные с двух торцов кварцевого
многомодового оптоволокна: красным – с торца, расположенного в направ- лении «1» (в направлении движения пучка), синим – в направлении «2» (в противоположном направлении)
Показано, что комбинация из четырех датчиков, равноудаленных друг от друга по периметру вакуумной камеры, позволяет определять ме- ста потерь пучка в поперечной плоскости относительно его направления движения. На рисунке 3а приведены сигналы потерь, полученные при по- мощи такой комбинации. Используя операции суммирования/вычитания четырех сигналов, можно определить азимутальное место потерь. Как изображено на рисунке 3б, местоположение потери определено в правом нижнем квадранте. Локализация мест потерь с точностью до квадранта является достаточной при первичной проводке пучка.
Кроме того, в рамках задачи оптимального способа регистрации по- терь пучка рассмотрена эффективность ввода излучения из оптоволокна в ФЭУ при помощи оптического коллиматора.
Проведенная в данной главе экспериментальная оценка порога чув- ствительности датчика показала, что он способен регистрировать потери пучка ∼ 1 пКл. Такая пороговая чувствительность с запасом удовлетворя- ет требованию к использованию датчика на ИК ВЭПП-5 и в дальнейшем позволит использовать аналогичный датчик для строящегося источника синхротронного излучения нового поколения ЦКП «СКИФ» и регистри- ровать потери на уровне 3 % от заряда сгустка в односгустковом режиме работы комплекса.
0.00
верх
Y’ No3 X’
– 0.01
а)
лево
No2
– 0.02
– 0.03
– 0.04
0 5 10 15 20
право
No1
Y
X
направление пучка в плоскости рисунка
Y
верх
Y’ No3 X’
1.0
0.5
t, нс
const
лево
No2
право
No4
X’=|U1+U3|−|U2+U4|
X’ Y’
Y ‘=|U2+U3|−|U1+U4| const
б)
0.0
– 0.5
– 1.0
0 5 10 15 20
t, нс
No1
No2 No3 No4
No4
направление пучка в плоскости рисунка
tgα
No1
X
Рис. 3 — а) Сигналы с четырех датчиков при потере пучка электронов путем его отклонения вправо и схема азимутального расположения опто- волокон на поверхности вакуумной камеры; б) Огибающие сигналов с четырех датчиков и схематичное изображение места потери пучка
В пятой главе описываются особенности практического применения оптоволоконного датчика потерь на ускорителе ИК ВЭПП-5. Демонстри- руется успешная работа оптимизированного датчика, рассчитанного на работу в составе каналов выпуска электронов и позитронов, а также цик- лического накопителя. Приводится описание программного обеспечения, которое интегрировано в общую систему автоматизации всего ускоритель- ного комплекса и позволяет контролировать потери пучка в ускорителе в режиме реального времени.
Для контроля потерь пучка и их минимизации при его проводке до потребителей приоритетной задачей была установка системы датчиков по- терь в каналах выпуска электронов и позитронов. Настройка проводки
U / U0, отн.ед.
U, В

пучка по этим каналам является нетривиальной, поскольку транспорти- ровка пучков осуществляется сразу в вертикальной и горизонтальной плоскостях. На рисунке 4 показаны схема расположения датчиков потерь пучка в каналах транспортировки ИК ВЭПП-5 и все элементы системы диагностики.
Высоко- вольтный источник питания
синхроимпульс
АЦП
ФЭУ на МКП Высокое напряжение
Оптоволокно
к АЦП, коаксиальный кабель 50 Ом
4M4 4M5
3M5
e+
5M1
4M1 SM1
e-
3M3 5M2
6M1
ФЭУ ФЭУ
SM2
6M2 6M4 6M3
5M3
5M4
а) б)
Рис. 4 — а) Схема расположения датчиков потерь пучка в каналах транс- портировки ИК ВЭПП-5, б) Элементы системы диагностики потерь
Для обработки сигналов с датчиков написана клиентская программа, которая позволяет оператору в режиме реального времени контролировать потери пучка вдоль структуры, производя при этом подстройку транспор- тировки пучка до потребителей. Программа синхронизована с текущим режимом комплекса (сорт частиц/потребитель) и позволяет управлять на- пряжением питания, подаваемым на ФЭУ.
На рисунке 5 показано основное окно программы, в котором отоб- ражается информация о местах потерь пучка вдоль каналов выпуска и о количестве теряемых частиц, соответствующему каждому месту потерь.
Пространственное разрешение датчика составило, как и требовалось, менее 1 м. Расчетное значение теряемых частиц, вычисленное при помо- щи численного моделирования процессов генерации сигнала и калибровки ФЭУ, по порядку величины получилось верным. Поскольку для каждого события расчетные значения количества теряемых частиц учитывают эф- фект затухания света в оптоволокне, зависимость коэффициента усиления
Рис. 5 — Основное окно программы системы диагностики потерь пучка в каналах выпуска ИК ВЭПП-5
ФЭУ от напряжения питания и нормированы на накопленный ток пучка, они сопоставимы между собой.
Было также произведено сравнение количества теряемых частиц, по- лученных при помощи датчика потерь, со значениями, полученными на основе информации с датчиков положения пучка (пикапов). Получено, что точность расчетных значений потерь пучка при помощи датчика потерь по порядку величины схожа с точностью имеющихся на данный момент пика- пов. При этом датчик потерь за счет своей распределенной конструкции дает подробную информацию о местоположении потерь.
Приводятся результаты использования датчика потерь в накопителе- охладителе ИК ВЭПП-5. Показано, что датчик способен регистрировать потери пучка на нескольких оборотах после инжекции и может быть ис- пользован как инструмент для его запуска и наладки.
В заключении сформулированы основные результаты работы, кото- рые заключаются в следующем:
1. Был разработан оптоволоконный датчик потерь пучка и введен в эксплуатацию на однопролетных и кольцевых участках ИК ВЭПП-5 в ИЯФ СО РАН.
2. В результате численного моделирования и расчетов физических процессов, положенных в основу принципа работы оптоволоконно- го датчика потерь пучка, были определены условия применимости датчика, процессы, существенным образом влияющие на его про- странственное разрешение, и были рассчитаны коэффициенты для
калибровки сигнала с датчика. Расчетная абсолютная величина
потерь пучка получилась верной по порядку величины.
3. Были экспериментально изучены свойства различных типов опто- волокон. Установлено, оптимальным типом оптоволокна с точки зрения пространственного разрешения, затухания, радиационной стойкости и механической прочности является кварцевое мно- гомодовое оптоволокно со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром сердцевины 550 мкм. Оптимальная дли-
на отрезка оптоволокна составляет примерно 40 м.
4. Экспериментально показано, что среди фотодетекторов одним из наиболее подходящих типов является ФЭУ на микроканальных пластинах, который обладает минимальными временными харак- теристиками. Временной вклад в результирующую длительность импульса с датчика потерь составляет 3.5 нс. Для оцифровки сигнала достаточно использовать АЦП с полосой пропускания
200 МГц и частотой дискретизации 500 Мвыб/с.
5. Было установлено, что регистрируя световой сигнала с торца
оптоволокна, расположенного в направлении, противоположном направлению движения пучка, пространственное разрешение дат- чика потерь пучка лучше в 3–5 раз по сравнению с противопо- ложным торцом. Оптимизация параметров элементов датчика и способа регистрации сигнала позволила получить пространствен- ное разрешения датчика не хуже 1 м.
6. Было продемонстрировано, что комбинация из четырех датчиков, равноудаленных друг от друга по периметру вакуумной камеры, позволяет не только повысить чувствительность системы диагно- стики потерь, но и определить место потери пучка в поперечной плоскости относительно его направления движения с точностью не хуже квадранта.
7. Проведенная в данной главе экспериментальная оценка порога чувствительности датчика на основе ФЭУ на микроканальных пластинах показала, что он способен регистрировать потери пуч- ка ∼ 1 пКл. Такая пороговая чувствительность с запасом удовле- творяет требованию к использованию датчика на ИК ВЭПП-5.
8. В рамках представленного проекта было создано программное обеспечение для обработки сигналов с датчика в каналах выпус- ка электронов и позитронов ИК ВЭПП-5, которое интегрировано в общую систему автоматизации всего ускорительного комплекса. Данное программное обеспечение позволяет оператору ускори- тельного комплекса в режиме реального времени отслеживать распределение потерь пучка вдоль выбранного участка ускорите- ля и с хорошей эффективностью настраивать прохождение пучков по каналам К-500 до потребителей.
9. Представленные в данной работе результаты исследования подхо- дят для дальнейшего применения аналогичных датчиков потерь пучка на других электрон-позитронных установках. По результа- там диссертационной работы планируется использовать оптово- локонную систему диагностики потерь пучка, оптимизированную для работы в однопролетных участках строящегося источни- ка синхротронного излучения нового поколения ЦКП «СКИФ» в г. Новосибирск и на линейных участках действующего коллай- дера ВЭПП-4М в ИЯФ СО РАН.