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

Диссертация посвящена разработке распределенного датчика потерь пучка заряженных частиц на основе регистрации излучения Вавилова-Черенкова в оптоволокне для Инжекционного комплекса ВЭПП-5 в ИЯФ СО РАН. В диссертации представлены результаты численного моделирования принципа работы датчика потерь, на его основе была проведена калибровка сигналов с датчика. Экспериментально изучены особенности работы различных типов элементов датчика: оптоволокон, фотодетекторов и аналого-цифровых преобразователей и выбраны наиболее подходящие типы с точки зрения пространственного разрешения датчика, его чувствительности и надежности использования. Предложены и экспериментально показаны различные способы улучшения пространственного разрешения датчика и показан способ увеличения количества информации о потерях пучка путем комбинации из нескольких датчиков. Выполнена экспериментальная оценка пороговой чувствительности датчика, дающая информацию об условиях его применимости к выбранной установке. Создано программное обеспечение, позволяющее использовать датчик в режиме реального времени. Основные результаты диссертации: 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 оптоволоконного датчика потерь пучка, были определены условия применимости датчика, процессы, существенным образом влияющие на его пространственное 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 оптоволокон. Установлено, оптимальным типом оптоволокна с точки зрения пространственного разрешения, затухания, радиационной стойкости и механической прочности является кварцевое многомодовое оптоволокно со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром сердцевины 550 мкм. Оптимальная длина 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 характеристиками. 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 датчика потерь пучка лучше в 3–5 раз по сравнению с противоположным торцом. Оптимизация параметров элементов датчика и способа регистрации сигнала позволила получить пространственное 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 диагностики 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 пучка ∼ 1 пКл. Такая пороговая чувствительность с запасом удовлетворяет требованию к использованию датчика на ИК ВЭПП-5. 8. В рамках представленного проекта было создано программное обеспечение для обработки сигналов с датчика в каналах выпуска электронов и позитронов ИК ВЭПП-5, которое интегрировано в общую систему автоматизации всего ускорительного комплекса. Данное программное обеспечение позволяет оператору ускорительного комплекса в режиме реального времени отслеживать распределение потерь пучка вдоль выбранного участка ускорителя и с хорошей эффективностью настраивать прохождение пучков по каналам К-500 до потребителей. 9. Представленные в данной работе результаты исследования подходят для дальнейшего применения аналогичных датчиков потерь пучка на других электрон-позитронных установках. По результатам диссертационной работы планируется использовать оптоволоконную систему диагностики потерь пучка, оптимизированную для работы в однопролетных участках строящегося источника синхротронного излучения нового поколения ЦКП «СКИФ» в г. Новосибирск и на линейных участках действующего коллайдера ВЭПП-4М в ИЯФ СО РАН.