Радиационно-акустический измерительный датчик тока

Актуальность
Актуальность работы заключается в том, что к качеству пучков в современных ускоритель предъявляются очень высокие требования, поэтому эффективная эксплуатация ускорительных установок практически немыслима без точных и надежных систем диагностики пучка, что обеспечивают возможность регулярной настройки параметров ускорителя по результатам измерений, поэтому был смоделирован и разработан радиационно-акустический датчик параметров пучка ионизирующих частиц для ускорителя.

Цель и задачи
Целью данной работы является моделирование, разработка и исследование радиационно-акустического датчика параметров импульсного пучка ионизирующих частиц.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Сделать аналитический обзор научно-технической литературы;
2. Разработать модель и конструкцию радиационно-акустического датчика;
3. Разработать архитектуру радиационно-акустической системы тока и координат центра тяжести пучка;
4. Выбор элементной базы для системы;
5. Разработать предусилитель для радиационно-акустического датчика.

Радиационно-акустические эффекты
Радиационная акустика - научное направление, развивающееся на стыке акустики, ядерной физики, физики высоких энергий и элементарных частиц. Ее основу составляют исследования и применения радиационно-акустических эффектов, возникающих при воздействии проникающего излучения (радиации) на вещество. Выделение теплоты - одно из самых универсальных физических явлений, протекающих при поглощении проникающего излучения. Тепловая энергия может различными путями частично превращаться в энергию звуковых волн. При умеренной плотности выделенной энергии, когда не происходит фазовых превращений в веществе, генерация звука происходит вследствие нагревания и теплового расширения среды в области поглощения проникающего излучения. Это термоупругий механизм генерации звука.

Датчик параметров пучка
Пучок заряженных частиц падает на металлическую пластинку 1, помещенную в акустический экран 2. На конце металлической пластинки укрепленный детектор ультразвуковых колебаний 3, помещен в электростатический экран 4. В электростатическом экране устанавливается предусилитель с эмиттерной повторителем 5, после которого сигнал через оконечный усилитель 6 подается на осциллограф.
Рис. 2 – зависимость амплитуды сигнала от тока пучка
Рис. 1 – схема акустического преобразователя

Радиационно-акустический датчик тока и
положения центра тяжести пучка
Рис. 3 – схема радиационно-акустического датчика тока и положения центра тяжести пучка
- усредненная амплитуда сигнала , которая пропорциональна току пучка

Нахождение положения центра тяжести пучка
Рис. 4 –нахождение координат центра тяжести пучка

Датчик отклонения пучка
Рис. 5(а) – датчик отклонения пучка
Рис. 5(б) – датчик отклонения пучка (диафрагма)

Схема радиационно-акустического сенсора
2
3
4
1
5
6
7
Рис. 6 – схема радиационно-акустического сенсора

Принципиальная схема зарядочувствительного
усилителя
Оригинальность схемы заключается в том, что для уменьшения возможных электромагнитных наводок схема выполнена на дифференциальном преобразователи заряд - напряжение на двух прецизионных сверхмалошумящие операционных усилителях . Дифференциальный преобразователь тока нагружен на дифференциальный повторитель напряжения на прецизионном ОП .
Рис. 7 – принципиальная схема зарядочувствительного усилителя

МК PIC32MX и ПО MPLAB IDE
MPLAB - интегрированная среда разработки, представляет собой набор программных продуктов, предназначенная для облегчения процесса создания, редактирования и отладки программ для микроконтроллеров семейства PIC, производимых компанией Microchip Technology.
Рис. 8 – отличительные особенности PIC32MX

Имитатор пучка
Рис. 9 – схема имитатора пучка

Выводы
В ходе работы были:
1.Изучены принципы радиационно - акустических эффектов, которые описывают появление звуковых волн в мишенях при попадании в них пучка ускорителя;
2.Разработанные модель и конструкция радиационно-акустического датчика параметров пучка на базе пьезоэлектрического сенсора и микроконтроллера семейства PIC32MX;
3.Разработанные архитектура радиационно-акустической системы измерения тока и координат центра тяжести пучка;
4.Разработанные схема датчика отклонения пучка, а также составлена ​​схема имитатора пучка.
5.Избранны элементная база и разработана принципиальная схема усилителя.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Смалюк В. В., Диагностика пучков заряженных частиц в ускорителях / Под ред. чл.-корр. РАН Н. С. Диканского. Новосибирск: Параллель, 2009. 294 с.
Лямшев Л.М. Радиационная акустика // Соросовский образовательный журнал, 1999, №5, с. 98-104.
Введение в радиационную акустику. Залюбовский И. И., Калиниченко А. И., Лазурик В. Т. – Х. : Вища шк. Изд-во при Харьк. Ун-те, 1986. – 168с.
Москалев В. А., Сергеев Г. И. Измерение параметров пучков заряженных частиц. – М.:Энергоатомиздат, 1991. – 240 с. – isbn 5-283-03997-8.
Armensky, E. V., Emel’yanov, V. K., Rybin, V. M., et. Al., “Piezoacoustic detectors for measurement of charge particles parametrs,” Pribori I Tehn. Eksp. N2, 44-47, 1973. (In Russian).
PIC32MX Family Reference Manual. © 2008 Microchip Technology Inc. 1138 pages.
Интегрированная среда разработки для микроконтроллеров PICmicro компании Microchip Technology Incorporated, USA. ООО «Микро-Чип» Москва – 2001 .156 с.