авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

им. Б.П.КОНСТАНТИНОВА

На правах

рукописи

Трофимов Виктор Алексеевич

УДК 621.317.799:681.325

Электронные средства автоматизации криогенных

установок в ядерно-физических экспериментах

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научные руководители:

Кандидат физико-математических наук А.А. Васильев.

Доктор технических наук Н.Н. Чернов.

Гатчина Содержание Содержание.............................................................................................................................................. Список иллюстраций.............................................................................................................................. Введение................................................................................................................................................... 1 Автоматизация работы пузырьковой водородно-дейтериевой камеры................................... 1.1 Теплообменный контур для стабилизации температурного режима камеры............ 1.2 Разработка электронных адаптеров основных устройств камеры................................ 1.3 Общая схема автоматизации камеры с использованием стандартного интерфейса 2 Разработка электронных средств регулирования для экспериментов dtm и ddm.................... 2.1 Общее устройство установки.............................................................................................. 2.2 Криогенная ионизационная камера (КИК)........................................................................ 2.3 Система измерения и стабилизации температуры........................................................... 2.3.1 Микропроцессорная система измерения и стабилизации температуры.............. 2.3.2 PC модульная система измерения и стабилизации температуры.......................... 2.4 Метрологическое обеспечение температурных измерений........................................... 2.5 Регистрация событий катализа............................................................................................ 2.6 Результаты.............................................................................................................................. 3 Разработка измерительных средств на основе проволочного детектора................................. 3.1 Разработка и создание монитора теплового потока......................................................... 3.1.1 Разработка измерительной схемы монитора............................................................ 3.1.2 Создание математической модели монитора............................................................ 3.1.3 Заключение..................................................................................................................... 3.2 Разработка и создание монитора атомарного пучка водорода/дейтерия..................... 3.2.1 Методика измерений..................................................................................................... 3.2.2 Регистрация потока атомарного водорода................................................................ 3.2.3 Математическая модель восстановления профиля потока атомарного водорода 3.3 Создание модели и прибора- непрерывного проволочного уровнемера...................... 4 Автоматизация системы сверхвысокой очистки водорода........................................................ 4.1 Схема установки и описание ее работы............................................................................. 4.1.1 Адсорбционный компрессор....................................................................................... 4.1.2 Блок очистки и фильтры.............................................................................................. 4.1.3 Дистанционно управляемые клапаны........................................................................ 4.2 Автоматическая система управления................................................................................. 4.2.1 Микропроцессорный блок управления...................................................................... 4.2.2 Программное обеспечение для РС.......................................................................... 4.2.3 Управление нагревателями....................................................................................... 4.2.4 Стабилизация давления в TPC................................................................................. 4.2.5 Обработка аварийных ситуаций.............................................................................. 4.3 Результаты работы установки.......................................................................................... 4.3.1 Эффективность очистки............................................................................................ 4.4 Заключение.......................................................................................................................... 5 Разработка измерительных средств и системы управления для проекта CELGAS............. 5.1 Измерение уровня жидкого гелия.................................................................................... 5.2 Источник питания SCPS.................................................................................................... 5.2.1 Силовая часть SCPS................................................................................................... 5.2.2 Система управления SCPS........................................................................................ 5.2.3 Программное обеспечение........................................................................................ 5.2.4 Настройка прибора..................................................................................................... 5.3 Прецизионный магнитометр............................................................................................. 5.4 Измерения магнитного поля............................................................................................. Заключение........................................................................................................................................... Благодарности...................................................................................................................................... Литература............................................................................................................................................ Список иллюстраций Рис. 1. Схематическое устройство камеры и её инфраструктуры.................................................. Рис. 2. Схема электронной стабилизации температуры камеры.................................................... Рис. 3. Критические параметры........................................................................................................... Рис. 4. Кривая расширения ПВДК и временные привязки.............................................................. Рис. 5. Функциональная схема системы управления камерой........................................................ Рис. 6. Схема тракта пучка в эксперименте по изучению n-p рассеяния...................................... Рис. 7. Схема четырёхканального измерителя индукции магнитного поля................................. Рис. 8. Схема блока контроля магнитного канала............................................................................ Рис. 9. Схема блока мониторинга пучка............................................................................................. Рис. 10. Схема блока измерения “давление, температура“............................................................. Рис. 11. Схема блока запуска лампы – вспышки.............................................................................. Рис. 12. Схема блока анализа кривой расширения........................................................................... Рис. 13. Схема блока запуска цикла расширения камеры............................................................... Рис. 14. Блок управления приводом фотоаппарата.......................................................................... Рис. 15. Схема блока генерации “дублей” сигналов “камера” и “кривая расширения”............. Рис. 16. Фотография экрана монитора оперативной информации................................................. Рис. 17. Типичный вид кадра на фотоплёнке..................................................................................... Рис. 18. Структурная схема управления системой газонаполнения ионизационных камер в эксперименте dt-катализа........................................................................................................... Рис. 19. Зависимость скорости катализа lddm(T) от значения E11.............................................. Рис. 20. Общий вид криогенной ионизационной камеры................................................................ Рис. 21. Распределение остановок мюонов в дейтерии, полученное методом счета событий dd- синтеза ионизационной камерой.......................................................................................... Рис. 22. Схема ионизационной камеры (сбоку и сверху) и расположения анодов в ней........... Рис. 23. Блок-схема криогенной установки и микропроцессорной системы управления температурой газа в ионизационной камере..............................................................

............... Рис. 24. Зависимость температуры газа камеры от времени после перехода камеры на новую температуру стабилизации (копия ленты самописца)............................................................. Рис. 25. Блок-схема системы охлаждения КИК................................................................................ Рис. 26. Блок-схема системы управления термодинамическими параметрами криогенной ионизационной камеры (второе поколение).............................................................................. Рис. 27. Чувствительность 100-омного платинового термометра при различных температурах (индивидуальная калибровка)...................................................................................................... Рис. 28. Схема установки по проверке линейности измерительного тракта................................ Рис. 29. Схема установки по измерению температурной стабильности измерительного тракта........................................................................................................................................................... Рис. 30. Схема установки для калибровки термометров сопротивления по давлению насыщенных паров......................................................................................................................... Рис. 31. Зависимость сопротивления 25-омного платинового термометра от времени при прохождении тройной точки........................................................................................................ Рис. 32. Давление в криогенной ионизационной камере как функция температуры при пересечении кривой давления насыщенных паров равновесного дейтерия........................ Рис. 33. Температурная зависимость скоростей dmd-синтеза для обоих сверхтонких уровней F md-атома........................................................................................................................................... Рис. 34. Скорости переворота спина в md атоме в дейтерии как функция температуры........... Рис. 35. Измерительная схема монитора тепловых потоков........................................................... Рис. 36. Схема монитора и условные обозначения, используемые в тексте................................ Рис. 37. Алгоритм измерений монитора теплового потока............................................................. Рис. 38. Сопротивление 5-микронной проволоки как функция тока хорошем вакууме, в потоке молекулярного водорода (0.5 1016 молекул/см2 с) и в потоке атомарного водорода (1 1016 атомов/см2 с)................................................................................................... Рис. 39. Измерение сопротивления проволоки в потоке атомарного водорода и параллельное измерение того же потока квадрупольным масс-спектрометром.......................................... Рис. 40. Функциональная схема модуля КАМАК-привода проволочного детектора................ Рис. 41. Профиль потока атомарного водорода во второй камере поляризованного источника.

........................................................................................................................................................... Рис. 42. Схема проволочного уровнемера.......................................................................................... Рис. 43. Схема включения непрерывного проволочного уровнемера........................................... Рис. 44. Калибровочная кривая непрерывного азотного проволочного уровнемера установки CHUPS............................................................................................................................................. Рис. 45. Упрощенная схема установки. Обозначения потоков: H2 — водород, N2 — азот, жидкий или газифицированный.................................................................................................. Рис. 46. Диаграмма изменения температуры в колонках в процессе работы системы при среднем расходе водорода 1.5 л/мин.......................................................................................... Рис. 47. Схема взаимодействия микропроцессорного контроллера с устройствами.................. Рис. 48. Функциональная схема блока управления CHUPS............................................................ Рис. 49. Блок управления в корпусе ATX PC................................................................................. Рис. 50. Источники питания нагревателей...................................................................................... Рис. 51. Гистограмма осцилляций давления в детекторе............................................................. Рис. 52. Осцилляции потока водорода на входе в детектор (MFC4) и на выходе из него (MFC5).......................................................................................................................................... Рис. 53. Уменьшение содержания примесей по данным захвата мюонов................................. Рис. 54. Уменьшение содержания азота по данным захвата мюонов......................................... Рис. 55. Изменение содержания азота в водороде в процессе эксперимента (по данным хроматографического анализа)................................................................................................. Рис. 56. Уменьшение содержания влаги в водороде..................................................................... Рис. 57. Т-образная газовая ячейка................................................................................................... Рис. 58. Схема установки CELGAS.................................................................................................. Рис. 59. Контрольно-измерительные средства эксперимента CELGAS.................................... Рис. 60. Структурная схема прибора LEVC.................................................................................... Рис. 61. Принципиальная схема управляемого источника тока для уровнемеров................... Рис. 62. Схема подключения сверхпроводящих магнитов........................................................... Рис. 64. Детектор квенча.................................................................................................................... Рис. 65. Функциональная схема блока управления SCPS............................................................. Рис. 66. Ввод тока с различной скоростью, плавный вывод и стабилизация тока................... Рис. 67. Напряжение катушки 1 при переходе в нормальное состояние (квенче). [К] – напряжение на сверхпроводящей катушке;

[ДК] – напряжение детектора квенча......... Рис. 68. Функциональная схема магнитометра.............................................................................. Рис. 69. Разброс измерений датчика Холла и токового шунта (без усреднения)..................... Рис. 70. Гистограммы измерений магнитного поля для разных токов соленоида................... Рис. 71. Затухание магнитного поля в сверхпроводящих соленоидах при рабочем токе 50 А.

........................................................................................................................................................ Рис. 72. Профиль магнитного поля при токе в катушках 40 А.................................................... Введение Работа посвящена созданию и применению электронных средств автоматизации криогенных установок в ядерно-физическом эксперименте на пучках заряженных частиц в ПИЯФ РАН;

PSI (Paul Scherrer Institute), Швейцария;

COSY, Германия;

в 1979-2006 го дах.

Актуальность темы. Значительное число экспериментов на пучках заряженных час тиц проводятся с использованием криогенных установок. Криогенные температуры позво ляют получать специфическое квантовое состояние вещества (ядерная поляризация) и увели чивать плотность ядерных мишеней, что приводит к быстрому росту статистики. Эпоха водо родных и дейтериевых пузырьковых камер была вообще немыслима без использования низких температур.

Именно криогенные установки позволяют создавать сильные магнитные поля, осо бенно соленоидальные, за счёт использования эффекта сверхпроводимости.

Криогенные установки необходимы для создания многих типов мишеней для экс периментов на пучках заряженных частиц.

Криогенные установки широко применяются при создании рециркуляционных газо вых систем и систем высокой и сверхвысокой очистки газов.

Криогенные установки широко применяются при разделении изотопов.

Часто криогенные установки представляют собой сложные и дорогостоящие сис темы, для нормальной работы которых необходимо измерение и регулирование большо го числа параметров, таких как: температура, давление и расход газов, уровень жидко сти. Для автоматизации работы таких систем необходимо создание электронных уст ройств преобразования, обработки и регулирования перечисленных параметров.

Круглосуточная работа на ускорителях и высокая стоимость ускорительного вре мени определяют требования к системам управления криогенными установками: системы управления должны работать в полностью автоматическом режиме и все основные па раметры установки должны записываться параллельно с общим потоком физических данных. Автоматизация необходима и для исключения пресловутого «человеческого фактора».

Основной спецификой работы лаборатории криогенной и сверхпроводящей техники яв ляется постоянное использование для получения криогенных температур таких сжиженных газов, как азот, аргон, водород и гелий. Для максимального использования свойств перечис ленных газов необходимо иметь в распоряжении разработчика экспериментальной криоген ной установки некий минимальный набор измерителей свойств перечисленных газов, нахо дящихся в различных фазовых состояниях.

Выбор измерителей фабричного производства велик, однако специфика некоторых соз даваемых приборов и установок требует создания новых, ранее не существовавших, прибо ров. Например, при создании систем охлаждения для крейтов с модулями FASTBUS потре бовался прибор, с помощью которого можно было бы в режиме реального времени следить за распределением температуры в крейте. Кроме этого, прибор должен был измерять профиль поля скоростей продуваемого через крейт воздуха. Впоследствии оказалось возможным при менение прибора для измерения профиля атомарных пучков водорода и дейтерия при созда нии поляризованных газовых мишеней. Использование заложенного в прибор принципа по зволило создать на его базе простой непрерывный измеритель уровня непроводящих жидко стей, в том числе криогенных.

Целью работы является разработка новых методов измерений в физических экспериментах с использованием криогенных установок:

· Повышение точности измерения координат треков заряженных частиц и эффективно сти работы пузырьковой водородно-дейтериевой камеры.

· Разработка и создание экспериментальных криогенных и газовых систем, необходи мых для исследования основных параметров мюонного катализа на базе криогенной ионизационной камеры высокого давления (КИК).

· Разработка метода и создание приборов для неразрушающего контроля профиля тем ператур и скоростей в потоке газа или жидкости, атомарных пучков водорода и дейте рия, границы раздела жидкость-газ.

· Разработка метода и создание установки по получению сверхчистого водорода для проведения экспериментов по изучению захвата мюона протоном.

· Разработка метода и создание установки для исследования ядерной поляризации в молекулах водорода и дейтерия и факторов деполяризации.

Для решения перечисленных задач были разработаны и созданы автоматизированные системы управления пузырьковой камерой, криогенной ионизационной камерой, криоцирку ляционной установкой получения сверхчистого водорода, установкой по исследованию со хранения ядерной поляризации атомов и молекул. Основными объектами управления явля лись:

· пузырьковая водородно-дейтериевая камера – активная мишень (4p -детектор) для фиксации следов заряженных частиц с последующей обработкой и вычислением параметров первичных и вторичных частиц;

· криогенная ионизационная камера, представляющая собой активную мишень для использования на выведенном пучке - мезонов и изучения температурной зависимости параметров мюонного катализа ядерного синтеза в газообразном дейтерии, в смесях дейтерия и водорода и в газообразном HD;

· установка по получению и рециркуляции сверхчистого водорода в эксперименте по изучению захвата мезона протоном (-захвата);

· установка по исследованию сохранения ядерной поляризации в молекулах H2 и D2 и влияния на сохранение поляризации атомов и молекул таких параметров накопитель ной ячейки, как геометрические размеры ячейки, материал покрытия стенок, температу ра стенок, величина магнитного поля.

Кроме того, стояла задача разработки метода и создания универсального прибора для измерения профиля атомарных пучков, топографии температурных полей в газовых потоках и распределения скоростей в потоке газа, а также определения границы раздела фаз (газ жидкость) непроводящих жидкостей, в первую очередь, криогенных.

Важной задачей являлось также проведение работ по метрологическому обеспечению разработанных электронных устройств и проверка их надежности.

Содержание диссертации изложено в пяти главах.

· Первая глава содержит описание системы комплексной автоматизации, позволившей на 38% повысить эффективность работы пузырьковой водородно-дейтериевой камеры.

· Вторая глава посвящена описанию задачи и созданию автоматизированной системы управления термодинамическими параметрами криогенной ионизационной камеры высокого давления (КИК). Образование мюонных молекул dd и dt является решающим условием протекания мюонного катализа. Детальное измерение температурной зависимости скорости dd-катализа позволяет исследовать механизм резонансного образования мезомолекул, обя занный существованию слабосвязанного уровня. Такие измерения являются наиболее точным экспериментальным способом определения значения этого уровня ввиду сильной зависимо сти скорости катализа от энергии уровня. Сравнение теоретического и экспериментального значений энергии слабосвязанного уровня даёт возможность с очень высокой точностью (до 10-6 от энергии связи) исследовать систему трёх тел с кулоновским взаимодействием, какой является мезомолекула. Эта задача и задачи исследования температурных зависимостей ме зокаталитического синтеза в других системах и сделали актуальным создание криогенной ионизационной камеры с системой управления термодинамическими параметрами. Диапазон рабочих температур камеры 30-400К со стабильностью поддержания не хуже 0.05К. Абсо лютная точность измерения температуры не хуже ±0.1К.

· Третья глава посвящена описанию разработки математических моделей и приборов для неразрушающего контроля профиля температур и скоростей потоков газа или жидкости и распределения плотности атомарных потоков. Описаны также математическая модель и при бор для непрерывного измерения уровня непроводящих, в том числе криогенных жидкостей.

Приведены примеры использования данных приборов в физических экспериментах.

· Четвёртая глава содержит описание системы управления криогенной рециркуляцион ной установкой получения сверхчистого водорода CHUPS (Circulation Hydrogen Ultra Purification System) для эксперимента по захвату мюона протоном (MuCAP). Основной целью эксперимента является прецизионное измерение скорости m -захвата ( l с) с точностью не ху же 1%, что на порядок превышает имеющиеся мировые результаты. Сечение захвата мюона пропорционально Z4 для Z от1 до 10 и далее медленно снижается (Z - зарядовое число эле мента). Поэтому содержание примесей (воды, кислорода, азота и других газов) в водороде должно быть не более 10 -8. Для изучения процесса m -захвата используется время проекционная камера (Time Projection Chamber, TPC).

· Пятая глава содержит описание системы управления экспериментальной установкой по исследованию ядерной поляризации молекул, образованных из поляризованных атомов и факторов деполяризации атомарных пучков в накопительных ячейках. Изучение спин зависимых эффектов в ядерных реакциях, а именно в нуклон-нуклонных взаимодействиях, реакциях рождения мезонов, изучение развала дейтрона в p « d столкновениях, рождение странных частиц в реакциях типа pp-pK+, требует использования поляризованных атомар ных водородных или дейтериевых мишеней. Комбинация источника поляризованных атомов и накопительной ячейки позволяют получить достаточную светимость для исследования ма лых сечений адронных реакций. Столкновения атомов и молекул поляризованного газа со стенками накопительной ячейки приводят к уменьшению поляризации. Установка предна значена для проведения экспериментов по оптимизации геометрических размеров, покрытия стенок, температуры, магнитного поля и других параметров, влияющих на сохранение поля ризации атомов и молекул.

1 Автоматизация работы пузырьковой водородно-дейтериевой камеры Свойство перегретой жидкости фиксировать следы, оставляемые пролетевшей через ра бочее вещество камеры заряженной частицей было обнаружено Глезером в 1952 году [1]. Это открытие привело к буму создания пузырьковых камер [2] и было отмечено присуждением автору Нобелевской премии. Основное назначение пузырьковой камеры (далее п.к.) – это фиксация треков заряженных частиц при прохождении через рабочую среду пузырьковой ка меры. Наличие сильного (до 1.5 Тл) однородного магнитного поля позволяет определить ряд важнейших параметров частиц, таких, как заряд, масса, энергия (импульс). Значительное число элементарных частиц было впервые открыто именно на пузырьковых камерах.

Так как большинство п.к. работают совместно с ускорителями, а ускорительное время достаточно дорого, остро стоит вопрос об эффективности работы камер. Наша задача заклю чалась в повышении стабильности основных параметров камеры, так, чтобы каждый кадр фильмового материала был пригоден для дальнейшей обработки.

Вероятность возникновения определённого события в результате взаимодействия час тицы, попадающей в камеру, с нуклоном (или ядром), входящим в состав рабочей среды, равна W = s nя, (1) гдеs - сечение образования данного события, n я -число нуклонов (ядер) на пути частицы.

Число событий, которое можно зарегистрировать камерой за один цикл, в соответствии с выражением (1) равно n = nч W = nчs nя, (2) где nч - число частиц, попадающих в камеру за время эффективной чувствительности.

Число событий, которое можно зарегистрировать камерой в течение опыта, имеющего определённую длительность t, пропорционально доле времени, в течение которого камера находится в состоянии эффективной чувствительности. В соответствии с формулой (2) tэ.ч t = nчs n я t э.ч, N = nt (3) tц tц где tэ.ч - время эффективной чувствительности, а tц - длительность цикла работы камеры.

Проанализируем это выражение. Сечение образования данного события мы изменить не можем. На количество влетающих частиц nч наложено ограничение величиной предельной загрузки камеры, для нашей 35 см камеры это число ограничено примерно 20 частицами за один цикл. При меньших загрузках мала статистика, при больших – возникают проблемы разделения событий при обработке снимков. Единственным сравнительно легко варьируе мым параметром является время цикла - t4. Но на его длительность тоже накладываются ог раничения, а именно, время восстановления чувствительности камеры и инерционность фо тоаппарата. Камера работоспособна до t4 0.1 с, но из-за сильных вибраций появляется раз мытость изображения на фотоплёнке. Оптимальным временем цикла для нашей камеры явля ется t4 0.5 с.

Лучшим способом повышения эффективности работы камеры является достижение ста бильности основных параметров камеры в течение всего времени эксперимента. Рабочая сре да п.к. (жидкость) чувствительна к излучению при температуре Tраб » Tкип + 2 / 3 (Tk - Tкип ) (4) где Т кип – температура нормального кипения, а Тк – критическая температура. Для получения состояния чувствительности к излучению жидкость, находящаяся при температуре Траб долж на быть перегрета на определённую величину П = Т раб - Т ( pн ) (5) где pн - величина давления, до которой понижено давление в жидкости (нижнее давление в камере). Именно этот способ, т.е. создание перегрева для образования пузырьков цикличе ским понижением давления реализован на нашей камере. Циклическое понижение давления в камере осуществляется расширительным устройством поршневого типа.

Для водородной пузырьковой камеры Tраб » 28 K. Точность поддержания этой темпера туры должна быть не хуже ±0.05 К. Давление в камере ниже критического (12.8 атм).

Схематически устройство пузырьковой водородно-дейтериевой камеры (ПВДК) и ин фраструктуры представлено на Рис. 1. На приведённой схеме изображены вакуумная, газовая, криогенная и пневматическая системы камеры и соответствующая арматура. Вся криогенная часть камеры заключена в вакуумный объём (1). Резервуары с жидким техническим водоро дом (2) используются для ожижения и заполнения камеры чистым газом из баллонов (водо род, дейтерий, неон). Они также используются для стабилизации температурного режима ка меры с помощью теплообменника (5) и стабилизации давления в камере с помощью тепло обменника, расположенного выше поршня расширительного устройства (4). Конденсацион ный термометр (12) и другие, изображённые на схеме, используются для контроля темпера туры в различных частях камеры и первоначальной настройки температурного режима.

Конденсационный термометр (12) с подключённым к нему манометром М24 и диффе ренциальным манометром с прямо показывающим электронным прибором ЭИВ2 служат для измерения температуры рабочей среды камеры. Расположенный выше поршня расширитель ного устройства конденсационный термометр служит для контроля уровня жидкого водорода и давления в камере. Кроме того, давление в камере контролируется электронным маномет ром типа МПИ-МЭ.

Кроме того, на схеме изображены:

6 - автоматический аварийный клапан для сброса давления до величины ниже аварийного.

7 - вакуумный кожух непосредственно самой камеры 8 - аварийный клапан ручного сброса.

9 - рабочая зона камеры.

10 - трубка заполнения камеры рабочим газом.

11 - азотный экран.

13 - основная вакуумная группа камеры Рис. 1. Схематическое устройство камеры и её инфраструктуры Основные параметры и устройства, от которых зависит надёжность и эффективность работы камеры, это:

1. Тепловой режим камеры, включающий в себя:

1.1. Систему стабилизации температуры рабочей среды камеры.

1.2. Расширительное устройство.

2. Устройство, обеспечивающее стабильность рабочего цикла камеры - привод фото аппарата.

3. Система фиксации треков заряженных частиц на фотоплёнку.

4. Устройство контроля вакуумной системы камеры.

5. Устройство контроля магнитной системы камеры и тракта пучка заряженных частиц или нейтронов.

Именно эти системы и устройства и были переведены в автоматический режим работы в первую очередь. При этом была сохранена возможность перехода из автоматического ре жима работы в ручной. В ручном режиме производился начальный запуск камеры, замена, по мере надобности, сосудов Дьюара с жидким азотом и водородом и замена кассет с экспони рованной фотоплёнкой. В этом случае система автоматизации выполняла функции сбора, об работки и представления информации на отдельном графическом мониторе. Выводились те кущие значения основных параметров, за которыми необходимо следить при запуске ПВДК.

Для автоматизации работы любой установки кроме ЭВМ и стандартного интерфейса требуются преобразователи всех нужных физических параметров в нормированный электри ческий сигнал и электроуправляемые исполнительные устройства, такие, например, как элек тродвигатели, электромагнитные клапана, вентили с электроприводом, нагреватели. В случае отсутствия фабричных устройств, приходится разрабатывать их собственными силами. Зна чительная часть работы была посвящена этой деятельности.

Автоматизация работы ПВДК реализована на базе серийно выпускаемого комплекса ИВК1 (информационно-вычислительный комплекс) созданного на базе ЭВМ СМ3 и интер фейса КАМАК. Для аппаратной стыковки основных элементов ПВДК с интерфейсом КА МАК они были подвергнуты доработке. Список элементов и систем ПВДК, подвергнутых доработке:

1. Система стабилизации температуры рабочей среды камеры.

2. Расширительное устройство.

3. Стерео-фотоаппарат.

4. Лампа – вспышка.

5. Система прямого наблюдения.

6. Система сбора данных с манометров, вакуумметров, датчиков Холла и шунтов элек тромагнитов ПВДК и тракта протонного или нейтронного пучка.

1.1 Теплообменный контур для стабилизации температурного режима камеры.

Жидкий водород под давлением подаётся из резервуара (2) через пневматический крио генный клапан К8 в теплообменный контур (5). С помощью вентиля В61 регулируется поток газообразного водорода (выпар) и, следовательно, поток жидкого водорода через теплооб менник (5). При стационарном теплоподводе к рабочему телу камеры, регулируется, как следствие, и температура рабочего тела. При работе на водороде, эта температура равна 28 К.

Температура измерялась с помощью конденсационного термометра (12) подключённого к манометру М24 и дифференциальному манометру (на схеме не показан), который, в свою очередь, подключен к электронному показывающему прибору типа ЭИВ2. Объём конденса ционного термометра заполнялся тем же газом, на котором в данный момент работала камера (водород, дейтерий, неон). Ручная регулировка температуры рабочего тела осуществлялась оператором с помощью вентиля В61 и не всегда обеспечивала долговременную стабильность температуры на заданном уровне 28±0.05 К. Такая стабильность температуры необходима для получения пузырьков нужного размера, и, как следствие, хорошего качества фильмового материала. Была предложена и реализована электронная схема стабилизации температуры рабочего тела камеры. Она изображена на Рис. 2.

В качестве прибора, индицирующего величину рабочей температуры камеры использо вался электронный показывающий прибор ЭИВ2 с реостатным задатчиком. Реостатный за датчик в потенциометрическом включении был запитан от источника напряжения, т.о. вы ходное напряжение с потенциометра было пропорционально температуре. Этот сигнал пода вался на один из входов схемы сравнения, на второй вход подавался опорный сигнал от циф ро-аналогового преобразователя (ЦАП) КАМАК, или с ручного потенциометра. Сигнал с вы хода схемы сравнения подавался через схему пропорционально – интегрально – дифференци ального (ПИД) регулятора на вход сервопривода от самопишущего потенциометра КСП-4.

Двигатель сервопривода через редуктор осуществлял вращение штока вентиля подключённо го параллельно вентилю В61.

Данная схема позволила поддерживать температуру рабочего тела камеры с точностью не хуже ±0.03 К в течение всего времени экспериментов [3], [4]. Кроме того, данный стабили затор позволяет решить проблему и так называемого человеческого фактора нестабильности.

Сигнал с реостатного задатчика ЭИВ2 подавался также через коммутатор (модуль КАМАК) в ЭВМ.

+ ИП ЭИВ ДИФФ. СЕРВО СХЕМА СРАВНЕНИЯ ПРИВОД + МАНОМЕТР ПИД. РЕГУЛЯТОР ЗАДАТЧИК РЕГ.

ЭВМ КАМАК ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕНТИЛЬ Рис. 2. Схема электронной стабилизации температуры камеры Как уже говорилось ранее, способность камеры фиксировать следы прохождения заря женных частиц в виде квазинепрерывной цепочки пузырьков, реализуется созданием кратко временного метастабильного состояния перегретой жидкости. На Рис. 3 в РV координатах изображен ряд изотерм, соответствующих разным температурам. На изотерме с перегибом в точке К, точка перегиба называется критической. Критическими называются и значения P,V,T, соответствующие этой точке. У разных газов критические точки различаются. Крити ческая температура водорода равна 33 К. Критическая точка является точкой раздела фаз.

При движении от точки влево (уменьшении объёма и увеличении давления) среда находится в жидком состоянии, вправо – газообразном. Если выбрать температуру рабочей среды меж ду температурой кипения и критической температурой, т.е. сделать жидкость перегретой, то увеличение объёма и понижение давления переведёт жидкость в метастабильное состояние.

P F М D K R L С G N B H E V Рис. 3. Критические параметры Достаточно добавить энергию радиационных потерь пролетевшей частицы, образование так называемых вторичных d - электронов с энергией порядка нескольких сотен электрон вольт, чтобы образовались газовые пузырьки по пути следования частицы. Варьируя темпе ратуру и величину dP, можно добиться оптимального соотношения между размером и кон трастностью пузырька.

1.2 Разработка электронных адаптеров основных устройств камеры.

Для получения периодического изменения давления рабочей среды служит расшири тельное устройство. На нашей камере использовано электро-пневматическое расширительное устройство поршневого типа. Электромагнитный клапан обеспечивает в нужный момент по ступление сжатого воздуха при давлении ~ 10 атм. в рабочий цилиндр, поршень которого жё стко связан штоком с поршнем в рабочей среде. Для уменьшения времени срабатывания электромагнитного клапана его питание осуществляется по компенсационной схеме. В нор мальном состоянии клапан закрыт втянутым сердечником с помощью текущего через обмот ку электромагнита постоянного тока. Рядом с запирающей обмоткой намотана управляющая обмотка. На управляющую обмотку периодически подаётся импульс тока, создающего поле, компенсирующее действие удерживающего поля. Длительность открытого состояния клапана равна длительности компенсирующего импульса. Ранее питание запирающей обмотки осу ществлялось от источника напряжения. Величина напряжения, и, следовательно, тока, выби ралась достаточной для надёжного запирания клапана. Через некоторое время обмотка разо гревалась, увеличивалось её сопротивление, и, при питании постоянным напряжением, уменьшался ток. Клапан переставал запирать подачу сжатого воздуха в рабочий объём рас ширительного устройства. Происходило ложное срабатывание расширительного устройства (не синхронизированное с другими устройствами). Для устранения этого недостатка запи рающая обмотка была запитана не от источника напряжения, а от источника тока. Это зна чит, что ток в обмотке, и, следовательно, сила прижима сердечника клапана, стали стабиль ными и независимыми от температуры обмотки. Компенсирующий импульс был также запи тан от другого источника тока. Это решение позволило сделать стабильным интервал между фронтом открывающего импульса и максимумом изменения давления в камере. Нестабиль ность интервала уменьшилась в несколько раз и достигла величины ±0.1 мс, что является от личным параметром для механических систем подобного типа. Изменение давления рабочей среды фиксируется пьезоэлектрическим датчиком давления. Ранее для согласования высоко го импеданса датчика с измерительной схемой применялся электрометрический усилитель на электровакуумной лампе. У этого устройства были два существенных недостатка, чувстви тельность к магнитному полю и к акустическим вибрациям, уровень которых при работаю щем расширительном устройстве достигает 100 дБ.

Ламповый усилитель был заменён на полупроводниковый, на базе микросхемы К140УД8, с полевыми транзисторами на входе. Последовательно с ним был включён буфер ный каскад на К140УД7 и комплиментарной паре транзисторов КТ502 и КТ503. Буферный каскад необходим для передачи сигнала из экспериментального зала в измерительный, на расстояние около 80 метров.

Кривая расширения представляет собой зависимость давления в камере от времени при увеличении объёма камеры с помощью расширительного устройства поршневого типа.

Именно по кривой расширения делаются основные временные привязки к срабатыванию других систем камеры и ускорителя. Метастабильное состояние камеры (чувствительность к заряженным частицам) также определяется по кривой расширения, интервал tэ.ч. на Рис. 4.

Длительность интервала эффективной чувствительности нашей камеры достигает 2 мс.

Пучок заряженных частиц из ускорителя должен попадать в камеру именно в начале интервала эффективной чувствительности, для того, чтобы за время 0.5-1.5 мс пузырьки смогли увеличиться в диаметре с 0.01 мкм до 100 мкм. Оптимальный диаметр пузырьков для фотографирования треков составляет около 100 мкм. Задержка на включение лампы вспышки отсчитывается с момента попадания пучка частиц в зону эффективной чувствительности ка меры.

Рабочий цикл камеры определяется между моментами прижатия фотоплёнки к стёклам станины фотоаппарата. Этот момент называется моментом готовности фотоаппарата к съём ке. В момент совпадения импульса ”готовность фотоаппарата” и синхроимпульса пучка ус корителя формируется импульс, называемый ”камера”. Корректнее временем цикла камеры называть интервал именно между соседними импульсами “камера”. От импульса “камера” отсчитывается задержка запуска клапана расширительного устройства. Зона чувствительно сти на кривой расширения определяется при запуске камеры визуально, с помощью телеви зионного устройства прямого наблюдения. Варьируя величину задержки на запуск клапана, подгоняется синхроимпульс ускорителя и соответствующий ему пучок под зону чувстви тельности по кривой расширения с помощью двухлучевого осциллографа.

СИНХРОИМПУЛЬСЫ УСКОРИТЕЛЯ ГОТОВНОСТЬ ФОТОАППАРАТА ВРЕМЯ ЦИКЛА КАМЕРЫ КАМЕРА ЗАПУСК КЛАПАНА КРИВАЯ РАСШИРЕНИЯ “GATE” ПУЧОК ЗАПУСК ВСПЫШКИ Рис. 4. Кривая расширения ПВДК и временные привязки Правильность настройки определяется непосредственно по появлению треков на мони торе телевизионной установки. Важным средством визуального контроля за нормальной ра ботой камеры является прямое наблюдение треков с помощью телекамеры. Непосредствен ное размещение камеры на фотоаппарате в магнитном поле напряжённостью ~ 1.5 Тл при любом магнитном экранировании телекамеры искажало картину до неузнаваемости.

Удаление телекамеры из зоны сильного магнитного поля возможно с использованием оптической системы типа перископ, однако акустические помехи величиной до100 дБ, созда ваемые расширительным устройством камеры, приводят к дрожанию и размытию изображе ния. Для удаления телекамеры из области сильного поля нами была создана оптическая сис тема на основе регулярного световода. Количество стеклянных нитей световода – 40000 шт., что достаточно для передачи изображения с разрешением 200x200 точек. Длина световода~ 1.5 м. Этой длины достаточно для выноса телекамеры из поля напряжённостью 1.5 Тл в об ласть с напряжённостью около 0.2 Тл. Такое поле легко экранируется с помощью многослой ного магнитного экрана.

Принципиальное значение для обработки информации с фотоснимка имеет наличие на кадре чёткого изображения крестов, реперных точек в системе отсчёта. Кресты на фотоплён ке получаются проецированием поперечных рисок на предметном стекле с помощью миниа тюрной электролампы СМН9, вмонтированной в остов фотоаппарата. Ранее лампа питалась от источника напряжения, и срок ее службы был невелик, часто она перегорала прямо во время эксперимента. Замена лампы требовала до 1 часа ускорительного времени.

Лампа включается примерно на 100 мс с частотой работы камеры, т.е. около 2 Гц. Износ спирали лампы происходит в основном в момент включения, т.к. сопротивление холодной спирали примерно на порядок ниже номинального (при горении лампы). Именно большой ток при включении лампы и приводит к преждевременному выходу лампы из строя. Вторым фактором, приводящим к выходу лампы из строя, был обрыв нити накала вызванный проте канием тока большой величины через нить в сильном магнитном поле камеры. Питание лам пы от источника тока (ток постоянен во времени и не зависит от сопротивления нити лампы) позволило снять эту проблему и гарантированно увеличить срок службы лампы до времени, значительно превышающего продолжительность одного эксперимента. Для контроля за ис правностью ламп рядом с каждой лампой размещался фотоприёмник, информация передава лась в ЭВМ.

Начало цикла работы камеры задаётся готовностью фотоаппарата к фотографированию.

Длительность цикла самого фотоаппарата жёстко связана со скоростью вращения вала элек тродвигателя привода. В свою очередь скорость вращения зависит от мощности, подаваемой на электродвигатель. Ранее, мощность, следовательно, и скорость вращения вала электродви гателя, и, как следствие, длительность цикла камеры, задавались вручную с помощью ЛАТРа.

Этим постоянно занимался оператор.

ЛАТР был заменён специально разработанным источником питания (27В, 600Вт) с ши ротно-импульсным регулированием мощности. Регулирование мощности осуществлялось ЭВМ с помощью модулей КАМАК – установочным счётчиком и сервисным модулем.

Фиксация треков на фотоплёнку производится с помощью импульсной лампы ИСШ-100. Ранее, с тиристорным устройством поджига уверенно работало около 15% ламп из числа около 100 шт. Нередко происходили пропуски в срабатывании вспышки во время экс перимента, что приводило к потере трековой информации. Кроме того, был нестабилен ин тервал времени между импульсом поджига и основным разрядом, являющимся источником света. Система поджига лампы была заменена самодельной транзисторной схемой, со ста бильной энергией и амплитудой поджигающего импульса. В результате этой замены работо способными оказались 100% испытанных ламп (проверено 100 экземпляров), что гарантиро вало 100% вероятность экспонирования плёнки. Стабильность интервала между приходом импульса поджига и возникновением основного разряда составила 2-3 мкс, что благоприятно отразилось на качестве изображения треков частиц на фотоплёнке. Постоянство энергии вспышки определялось стабилизацией напряжения разрядных конденсаторов феррорезо нансным стабилизатором напряжения. Контроль исправной работы вспышки осуществлялся с помощью фотодатчика, сигнал с него передавался в ЭВМ.

На подающих фотоплёнку кассетах были установлены оптоэлектронные датчики вра щения кассеты. При обрыве или окончании фотоплёнки на ЭВМ переставали поступать им пульсы. ЭВМ останавливала привод фотоаппарата и выдавала звуковой сигнал и диагностику на монитор.

Так как рабочей средой камеры является взрывоопасный газ, водород или дейтерий, большое внимание следовало уделять безопасности работы всей системы. Это, в первую оче редь, герметичность камеры и всех водородных магистралей и надежность вакуумной тепло изоляции камеры. Утечки водорода фиксировались газоанализатором и сопровождались све товой и звуковой сигнализацией. Для повышения надёжности системы сигнал с газоанализа тора подавался на ЭВМ. При ухудшении вакуума растёт теплоподвод к холодной части каме ры, и, следовательно, испаряемость водорода. Ухудшение вакуума с 10-6 до 10-3 мбар приво дит к быстрому росту давления в камере, т.е. создаёт аварийную ситуацию. Для осуществле ния ранней диагностики возникновения неисправностей в вакуумной системе были разрабо таны и установлены электромагнитные датчики вращения шкивов форвакуумных насосов, фиксирующие остановку насосов. Сигнал с датчиков подавался на схему автономного закры тия вакуумного затвора, разделяющего высоковакуумную и форвакуумную часть, и напуска воздуха из атмосферы в форвакуумный насос. Этот же сигнал подавался в ЭВМ для диагно стики на мониторе. Кроме того, в ЭВМ подавался аналоговый сигнал с вакуумметра ВМБ-8.

Все электрические логические сигналы, приходящие от камеры в ЭВМ были гальвани чески развязаны с помощью интегральных оптопар. Аналоговые сигналы были буферизова ны.

Эти меры значительно повысили устойчивость системы управления камерой к электро магнитным помехам, уровень которых в экспериментальном зале ускорителя довольно вы сок, что позволило провести ряд экспериментов [5], [6].

1.3 Общая схема автоматизации камеры с использованием интерфейса КАМАК После создания нормально работающих адаптеров для всех необходимых параметров автоматизации камеры и нормирования выходных электрических сигналов с них, последова ло создание системы управления на базе ЭВМ и стандартного интерфейса КАМАК. Функ циональная схема автоматизированной системы управления камерой приведена на Рис. 5.

Модули КАМАК размещены в трёх крейтах. Один крейт является системным и разме щён непосредственно в стойке ЭВМ, два других подключены к ЭВМ через привод ветви (BRANCH DRIVER). В системном крейте расположены модули-приводы графических и тек стовых дисплеев, предназначенные для вывода на мониторы графической и текстовой ин формации о состоянии камеры, и модули привода аналогового графопостроителя. Система управления состоит из функционально законченных аппаратных и программных блоков. Ап паратные блоки составлены из стандартных модулей КАМАК и сервисных модулей, выпол ненных автором в конструктиве КАМАК. Модули выполняют функции гальванической раз вязки сигналов между устройствами экспериментального и измерительного залов, а также функции аналоговой обработки сигналов (масштабирования, сложения и вычитания).


Контроллер крейта Branch driver 1 Блок контроля СМ3-СМ магнитного канала 2 Блок мониторирования Системный крейт пучка 6 Блок измерения давления и температуры Блок генерации дубля Терминал ТТ:

сигнала “камера” Блок измерения периода цикла расширения, числа кадров и расширений Терминал ТV1:

Блок запуска цикла расширения Блок измерения Графический интервала до “ пучка ” дисплей 4 Блок анализа кривой расширения Блок управления анализом Цветной кривой расширения графический дисплей Блок управления вспышкой 5 Блок управления клапаном Графопостроитель Н- 7 Блок формирования сигнала камера Блок управления 8 приводом фотоаппарата Блок синхросигналов Рис. 5. Функциональная схема системы управления камерой Рис. 6. Схема тракта пучка в эксперименте по изучению n-p рассеяния Каждый блок выполняет определённые функции по отношению к реальному устройству камеры. Приведённые на Рис. 5 номера блоков (1-10) соответствуют номерам (сигналам) уст ройств на примере эксперимента по исследованию рассеяния нейтронов на протонах при раз личных энергиях, так называемое n-p рассеяние. Схема тракта пучка представлена на Рис. 6.

На сносках буквами “л” обозначены электромагнитные квадрупольные линзы, буквами “м” – электромагниты. Перед магнитом М3 расположена дейтериевая мишень-конвертор протонов в нейтроны. Были использованы твёрдотельная мишень, состоящая из LiD и криогенная, жидко-дейтериевая. Для нормальной работы тракта пучка все электромагнитные элементы подвергаются предварительной калибровке на всех рабочих энергиях частиц пучка. При на стройке пучка используются тонкослойные алюминиевые экраны, покрытые сернистым цин ком, которые из-за люминесценции делают видимым положение и профиль пучка. Наблюде ние ведётся с помощью автономных малогабаритных телевизионных установок (МТУ). К блоку магнитного контроля подключены сигналы (1 на Рис. 6) с токовых шунтов всех линз и магнитов, кроме того, подключены датчики Холла, размещённые внутри зазоров всех магни тов тракта. Особое внимание уделяется стабильности магнитного поля в камере, т.к. его зна чение непосредственно используется при определении энергии (импульса) первичных и вто ричных частиц. Для повышения стабильности характеристик датчики Холла заключены в ак тивные термостаты, в которых поддерживается температура на уровне +35±0.02 С. Датчики Холла предварительно прокалиброваны с помощью ЯМР-магнитометра Ш1-1.

Схема Холловского измерителя индукции магнитного поля приведена на Рис. 7. Струк турная схема блока контроля магнитного канала показана на Рис. 8. Он состоит из аналогово го коммутатора, цифрового вольтметра (ЦВ) и параллельного входного регистра для подклю чения ЦВ к шине КАМАК.

T Блок термо Термостат № регулятора Стабилизатор тока датчика Холла № T Термостат № Блок ключей и сигнализации Стабилизатор тока датчика Холла № T Термостат № Стабилизатор Стабилизатор тока датчика напряжения Холла № T Термостат № Стабилизатор Блок тока датчика питания Холла № 1 Рис. 7. Схема четырёхканального измерителя индукции магнитного поля Аналоговый Входной регистр B7- мультиплексор Рис. 8. Схема блока контроля магнитного канала Программируемая Формирователь S Генератор матрица Мультискаляр программно ворот совпадений 144/ управляемый S 157/ 155/ 165/ Рис. 9. Схема блока мониторинга пучка Цифрой 2 на Рис. 6 обозначены два черенковских счётчика, сигналы с которых включе ны на совпадение в блоке мониторинга пучка. Именно по ним настраивается величина за грузки камеры первичными частицами, примерно 20 частиц/цикл. Сигналы с черенковских счётчиков (S1, S2) подаются в блок мониторинга пучка. Схема блока мониторинга пучка представлена на Рис. 9. К модулю мультискаляр подключен терминал TV1, на котором в не прерывном режиме отображается величина загрузки камеры. Цифрой 6 на Рис. 6 обозначены сигналы, соответствующие величинам температуры и давления рабочей среды камеры. Сиг нал, соответствующий температуре, снимается с реохорда ЭИВ2, сигнал, пропорциональный давлению в камере, – с прибора МПЭ-МИ. Оба сигнала подаются в блок измерения “давле ние, температура”. Схема блока приведена на Рис. 10.

Аналоговый Входной регистр B7- мультиплексор Рис. 10. Схема блока измерения “давление, температура“ Цифрой 3 на Рис. 6 обозначена линия управления лампой-вспышкой. Схема блока управления лампой-вспышкой приведена на Рис. 11. На входы модулей-генераторов ворот приходит синхроимпульс, соответствующий пучку ускорителя и импульс “камера” (см. Рис.

4). Этот модуль позволяет программно менять величину задержки включения лампы вспыш ки относительно синхроимпульса пучка, попавшего в зону чувствительности камеры.

& Генератор “Пучок” Генератор Сервисный ворот ворот модуль 157/ 157/ RS триггер “Камера” Генератор Установочный ворот Сервисный счётчик Затпрет Q модуль 157/03 113.14 / Запуск вспышки Рис. 11. Схема блока запуска лампы – вспышки Цифрой 4 на Рис. 6 обозначен сигнал, соответствующий изменению давления в камере под воздействием расширительного устройства, “кривая расширения”. Схема блока анализа кривой расширения приведена на Рис. 12. Выходной аналоговый сигнал с пьезоэлектрическо го датчика давления, масштабированный и буферизованный, поступает на аналоговый сум матор. Для нормального использования аналого-цифрового преобразователя АЦП 712 изме ряемый переменный сигнал должен находиться на некотором пьедестале, который создается в сумматоре с помощью цифроаналогового преобразователя ЦАП 162.02.

С помощью этого блока цифруется кривая расширения, а затем ЭВМ вычисляет ампли туду и положение максимума кривой на временной шкале “цикла камеры”. На основании этой информации определяются величины задержек на управление активными устройствами камеры. Стабильность амплитуды и формы кривой косвенно свидетельствует о стабильности зоны эффективной чувствительности камеры.

& АЦП ЦАП Сервисный Сумматор 162.02 модуль Запуск “Кривая расширения” Установочный Установочный Регистр Регистр счётчик счётчик запросов запросов 113.14/02 127.1/02 113.14 / 127.1/02 Запрет Рис. 12. Схема блока анализа кривой расширения Цифрой 5 обозначен канал управления клапаном расширительного устройства. Схема блока запуска цикла расширения камеры приведена на Рис. 13. Этот блок формирует про граммно-аппаратную задержку запуска клапана расширительного устройства относительно сигнала “камера”.

RS триггер “Камера” Генератор Установочный Генератор Сервисный ворот счётчик ворот модуль Запрет 157/03 113.14 /02 157/ Q Запуск клапана Блок запуска вспышки Рис. 13. Схема блока запуска цикла расширения камеры Цифрой 7 на Рис. 5 обозначен сервисный модуль, формирующий сигнал “камера” по совпадению синхроимпульса ускорителя и импульса “готовность фотоаппарата”.

Цифрой 8 на Рис. 5 и Рис. 6 обозначена линия управления электроприводом фотоаппа рата. Схема блока управления приводом фотоаппарата приведена на Рис. 14. Блок формирует широтно-импульсный сигнал с частотой 1 кГц и 24-битным изменением длительности управ ляющего импульса.

Установочный Кварцевый счётчик генератор 113.14 / Рис. 14. Блок управления приводом фотоаппарата Цифрой 9 на Рис. 5 обозначен сервисный модуль – формирователь, разветвитель. С это го модуля синхросигналы подаются на блок управления лампой-вспышкой и блок измерения интервала “до пучка”. На Рис. 5 фигурирует блок генерации “дублей” сигналов “камера” и “кривая расширения”. При остановке фотоаппарата (перезарядка плёнки) исчезает сигнал ка мера. При замене сосудов Дьюара останавливается ускоритель и исчезает синхросигнал.

Дубли этих сигналов необходимы для цикличного запуска расширительного устройства, ос тановка которого приводит к нарушению температурного режима камеры. Дубль “кривая расширения“ необходим при запуске камеры. Схема блока генерации “дублей” сигналов “ка мера” и “кривая расширения” приведена на Рис. 15.

Установочный Генератор Г5- Г5-53 счётчик ворот 113.14 / 157/ Дубль сигнала “Камера” Дубль сигнала “Кривая расширения” Рис. 15. Схема блока генерации “дублей” сигналов “камера” и “кривая расширения” В блоке кроме модулей КАМАК использованы генераторы калиброванной амплитуды, кроме того, дубль сигнала “кривая расширения” получен интегрированием сигнала прямо угольной формы. Блок измерения периода цикла расширения, количества кадров и расшире ний построен на модулях (установочный счётчик) с подачей на них сигналов, соответствую щих числу кадров и расширений. Измерение периода цикла расширения делается программ ным образом.

Все сигналы логического уровня подаются в блок обработки аварийных сигналов. Он представляет собой входной 24 битный регистр. При опросе этот регистр имеет высший при оритет. Программы нижнего уровня, работающие непосредственно с модулями КАМАК, вы полнены на макроассемблере MACRO 2. Обработка информации и интерфейсные программы написаны на Фортране, под управлением операционной системы RSX11M.

На Рис. 16 приведена фотография экрана монитора оперативной информации. На экране отображаются важнейшие параметры системы:

· величина интервала от сигнала “камера” до экстремума кривой расширения, · величина интервала от сигнала “камера” до пучка, · амплитуда и форма кривой расширения, · номер кадра, · величина цикла камеры и величина задержки поджига лампы – вспышки.


Фотографии сделаны в момент настройки системы, поэтому параметры кривой расши рения ещё нестабильны.

Рис. 16. Фотография экрана монитора оперативной информации На Рис. 17 показано типичное изображение, получаемое на фотоплёнке. На данном кад ре запечатлён процесс рассеяния p - -мезона на нейтроне, с рождением второго p - -мезона и протона. Видны также реперные кресты и пучок первичных частиц. В результате автоматиза ции работы камеры за 12 суток работы на пучке ускорителя в одном из экспериментов было получено 1.2 миллиона кадров качественного фильмового материала [7].

Рис. 17. Типичный вид кадра на фотоплёнке 2 Разработка электронных средств регулирования для экспери ментов dtm и ddm Мюонный катализ – явление синтеза (слияния) ядер изотопов водорода, происходящее при участии отрицательно заряженных мюонов [8], [9]. Мюоны, образуя с ядрами мезомоле кулы, способствуют сближению ядер на расстояния, достаточные для протекания ядерной реакции. Освобождаясь после акта реакции, m- могут повторить этот процесс (т. е. они высту пают в качестве катализатора). В отсутствие мюонов, реакции синтеза, например, ядер дейте рия d+d®3He+n или ядер дейтерия и трития d+t®3He+n, происходят с заметной вероятно стью лишь при высоких энергиях сталкивающихся частиц, E10 кэВ, т. е. при температурах в десятки и сотни миллионов градусов, поскольку ядрам нужно путём туннельного перехода преодолеть высокий барьер кулоновского отталкивания, чтобы сблизиться до расстояния ядерных взаимодействий (rN~5x10-13 см). При торможении отрицательно заряженных мюонов в плотной смеси изотопов водорода за время 10-12 с образуются мюонные атомы pm, dm, и tm.

Из-за малых размеров и электронейтральности мезоатомы водорода ведут себя подобно ней тронам: они свободно проникают сквозь электронные оболочки атомов и подходят на близ кие расстояния к их ядрам. При этом происходят многообразные m-атомные и m молекулярные процессы: перехват мюонов ядрами более тяжёлых изотопов;

образование мюонных молекул и т. д. Образование мюонных молекул является решающим условием про текания мюонного катализа. В принципе (благодаря экранировке кулоновского поля ядра мюонов в мезоатоме водорода и, значит, уменьшению ширины кулоновского барьера), реак ции синтеза могли бы протекать на лету, т. е. при столкновениях свободных мезоатомов с яд рами изотопов водорода (например, dm+р®3Не+n+m-, dm+d®3Не+n+m-). Однако в мюонных молекулах ядра удалены друг от друга на расстояние порядка удвоенного боровского радиуса мезоатома 2rm ~ 5x10-11 см, что в сотни раз меньше средних расстояний между ядрами в жид ком и газообразном водороде (~10-8 см). Поэтому частота столкновений ядер, приводящих к подбарьерному переходу и реакции синтеза в мюонных молекулах, в миллионы раз больше, чем в реакциях на лету. Освободившийся m- вновь может образовать мезоатом и повторить ещё раз всю цепочку реакций. В принципе, число таких реакций ограничено лишь временем жизни мюона t0=2.2x10 -6 с. Однако, в действительности почти всегда m- в процессе реакции «прилипает» к образовавшемуся ядру гелия pdm.®m3Не+g и в дальнейшем выпадает из цикла последовательных реакций, приводящих к синтезу ядер. Эта реакция «отравления катализа тора» не столь существенна при синтезе ядер дейтерия, в котором только 12% мюонов «при липает» к ядру 3Не. Ещё меньше мюонов (~0,6%) «прилипает» к ядру 4Не в реакции dtm.

На возможность реакции синтеза в мюонной молекуле pdm указал в 1947 году F. Frank [8]. В 1954 году Я. Б. Зельдович выполнил первые расчёты этого процесса, включая механизм образования мюонных молекул [10]. Одновременно он указал на то, что наличие в мезомоле кулах возбуждённых уровней с малой энергией связи может приводить к существенному уве личению вероятности их образования. В 1957 году L. W. Alvarez и др. впервые эксперимен тально обнаружили реакции pdm®3Не+n+m- и ddm®t+n+m- [11]. К началу 80-х годов мюон ный катализ ядерных реакций синтеза в водороде и дейтерии был хорошо изучен как экспе риментально, так и теоретически.

Мезоатомные и мезомолекулярные процессы, составляющие последовательность реак ций, отличаются большим разнообразием. Одно из таких явлений — резонансное образова ние мезомолекул ddm – наблюдалось впервые группой В. П. Джелепова в Лаборатории ядер ных проблем ОИЯИ (Дубна) в 1964-1966 г.г [12]. В 1967 г. Э.А. Весман предложил объясне ние этому явлению, предположив у мезомолекулы ddm наличие слабосвязанного вращатель но-колебательного состояния E11»2 эВ. Это состояние действительно было обнаружено в 1973 г. в расчётах группы Л. И. Пономарёва в Дубне (в настоящее время энергия этого со стояния известна с большой точностью).

На начальном этапе исследований реакция мезокаталитического синтеза рассматрива лась как один из вариантов холодного термоядерного синтеза для получения энергии, но вы сокая стоимость мезонов и ограниченное число каталитических синтезов на один мезон сде лали это направление бесперспективным. Однако исследование мезомолекулярных систем оставалось интереснейшей задачей ядерной физики.

Реакции мезокаталитического синтеза были объектом многочисленных исследований [13]. Наиболее интересными явлениями в мезокаталитическом ядерном синтезе являются:

· резонансное образование мезомолекулы на основе “механизма Весмана” [14], [15], от крытое в ОИЯИ1, Дубна [16], [17], и основательно исследованное в PSI [18], [19], [20], [21], в ЛИЯФ [22], [23], [24], в ОИЯИ Дубна [25],[26], [27] и в TRIUMF2 [28];

Объединенный Институт Ядерных Исследований.

Canada's National Laboratory for Particle and Nuclear Physics · сверхтонкие эффекты, связанные с переворотом спина в md-атоме, открытые в PSI [37];

· захват мюона на 3He [22], [23], и низкоэнергетичная ветвь dd-синтеза впервые обна руженная в ЛИЯФ [24].

Для исследования dt-катализа в ЛИЯФ была использована специально разработанная ионизационная камера высокого давления (ИК). Ионизационная камера представляет собой активную мишень – 4-детектор с близкой к 100% эффективностью регистрации заряженных частиц. Схема устройства камеры приведена на Рис. 18. Для работы камеры необходима ус тановка газонаполнения и очистки камеры. Поскольку одним из рабочих газов являлся ра диоактивный газ тритий, нужно было соблюдать специальные требования техники безопас ности. Основное требование – это по возможности кратковременное пребывание персонала в помещении, где находится система газонаполнения и сама ионизационная камера. Из-за от сутствия в нашем распоряжении дистанционно управляемого запорного газового оборудова ния (клапана и вентили с электромагнитным или пневматическим приводом), не удалось сде лать управление установкой газонаполнения полностью дистанционным. Была создана сис тема дистанционного контроля основных параметров и дистанционного управления наполне ния ИК тритием. На Рис. 18 представлена структурная схема управления установкой газона полнения ИК высокого давления. Предварительно очищенный до уровня 0.1 ррm от примесей других газов, дейтерий поступает в ИК через вентиль В4 и В6. Тритием ИК заполняется из специальных контейнеров с пористым или порошковым титаном, который хорошо адсорби рует тритий. Выделение трития из титана происходит при нагреве контейнера до температу ры около 400 С. Контроль давления осуществляется с помощью прямопоказывающих мано метров М1-М5. Дистанционный контроль величины давления осуществляется с помощью ДД1-ДД4, авиационных малогабаритных потенциометрических датчиков давления типа ДМП с классом точности 2.5 %. Температура контейнеров с тритием и корпуса ИК измерялась ка бельными термопарами в оболочке из нержавеющей стали с градуировкой типа ХА. Термо пары ТП1-ТП4 использовались для дистанционного контроля температуры соответствующих устройств. Для непосредственного наблюдения за температурой параллельно использовались прямопоказывающие электронные термометры.

Питание нагревателей Н1-Н4 (потребляемая мощность ~ 1кВт) осуществлялось от спе циально разработанных тиристорных источников питания ИПТ-2, мощностью до 2 кВт каж дый. “Холодные” концы термопар были помещены в термостат при температуре +35 С. Точ ность поддержания температуры ±0.05 С. Сигналы с термопар и датчиков давления усилива лись и преобразовывались в частотные сигналы в восьмиканальном блоке (усилитель+ПНЧ).

Система откачки и В утилизации В М В В1 В2 В3 В М ДД М2 М3 М ДД 1 ДД ДД2 ДД Дейтерий ТП Н ТП2 ТП ТП Н1 Н2 Н3 ИК K K K 8X(усилитель+ПНЧ) 5x( ИПТ-2) 8СЧх24 (модули КАМАК) мультискаляр 10кан. ручн. упр. ЭВМ КАМАК видеотерминал видеотерминал ЦАП (модули КАМАК) Рис. 18. Структурная схема управления системой газонаполнения ионизационных камер в эксперименте dt-катализа Точность преобразования, с учётом нелинейности, – не хуже 0.1%. Далее частотный сигнал через оптоэлектронную гальваническую развязку подавался на многоканальное пере счётное устройство (мультискаляр, КАМАК) и на видеотерминал. Гальваническая развязка необходима из-за “грязной земли” экспериментального зала и значительного потенциала от носительно земли измерительного зала. Параллельно сигнал подавался на модули счетверён ных счётчиков (КАМАК) и вводился в ЭВМ. Значения этих параметров (давление и темпера тура) вместе с физическими данными писались в банк данных. Управление нагревом осуще ствлялось либо вручную, либо от ЭВМ, через модули цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), КАМАК.

Дальнейшим развитием возможностей созданной в ЛИЯФ методики регистрации заря женных продуктов dd- и dt-синтеза с помощью ионизационной камеры [29] явилась разра ботка установки по измерению температурной зависимости параметров мюонного катализа.

Такие измерения стали особенно актуальны после того, как в ЛИЯФ были проведены изме рения основных констант процесса ddm-катализа при комнатной температуре, давших новую информацию о скорости ddm-катализа, о коэффициенте прилипания vdd, об отношении кана лов dd-синтеза.

Y ( 3 He + n ) R= (1) Y (t + p ) 4. E11=1.974 эВ 4. 3. 3. E11=1. эВ 2. lddm 2. E11=1.954 эВ 1. 1. 0. 0. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Температура [K] Рис. 19. Зависимость скорости катализа lddm(T) от значения E Детальные измерения температурной зависимости скорости ddm-катализа позволяют исследовать механизм резонансного образования мезомолекул, обязанный существованию слабосвязанного уровня E11. Такие измерения являются наиболее точным эксперименталь ным способом определения значения этого уровня, ввиду сильной зависимости скорости ка тализа lddm(T) от энергии E11. В качестве примера на Рис. 19 демонстрируется ожидаемое lddm(T) от значения E11, при вариации энергии этого уровня изменение зависимости DE11=0.01 эВ [30].

Сравнение теоретического и экспериментального значений E11 дает возможность ис следовать с очень высокой точностью (до 10 -6 от энергии связи) систему трех тел с кулонов ским взаимодействием, какой является мезомолекула. При этом сравнении необходим учет сверхтонкой структуры мезоатомов и мезомолекул, от которой зависит скорость образования ddm-молекул при разных температурах.

Особый интерес представляет изучение температурной зависимости отношения каналов dd-синтеза, которое оказалось равным R=1.39±0.04, что указывало на нарушение изотопиче ской симметрии в низко-энергетичном P-волновом dd-взаимодействии при Т»300K. Обнару жение на опыте зависимости R(T) дало бы в руки исследователей способ контроля состояния ddm-молекул в процессе мезокатализа [31].

Следует отметить, что подобные измерения могут быть проведены только методикой ионизационной камеры. При этом, благодаря 100% эффективности, достигнутому высокому быстродействию и энергетическому разрешению, ионизационная камера, в отличие от мето дик, основанных на регистрации нейтронов синтеза, позволяет регистрировать последова тельные акты катализа, вызванные одним мюоном, и получать абсолютные значения скоро сти катализа, что важно для детального сравнения с теоретическими расчетами.

Для получения точности, сравнимой с теоретическими расчетами, необходима установ ка, позволяющая получать экспериментальные данные о ходе зависимости lddm (T) с ошибкой не хуже 3% и знанием температуры с точностью ±0.2 К. Такая установка на основе криоген ной ионизационной камеры (КИК) высокого давления была создана в ЛИЯФ.

2.1 Общее устройство установки.

Основу установки составляет ионизационная камера высокого давления [32], предна значенная для работы при температурах 30-400 К. Камера является одновременно мишенью и детектором, регистрирующим мюоны и заряженные продукты реакций синтеза, вызванные остановившимися в ней мюонами.

Система электрического питания обеспечивает подачу стабилизированного напряжения на катод и сетку камеры (аноды находятся под нулевым потенциалом).

Система газонаполнения, кроме непосредственного наполнения камеры дейтерием или водородом до 120 бар, обеспечивает получение рабочего газа требуемого состава и чистоты, а также контроля содержания примесей с Z1 на уровне 10 -7.

Электронная система съёма информации выполняет функции по приему и формирова нию сигналов с анодов камеры, их предварительному отбору и записи в ЭВМ.

Система измерения и управления температурой поддерживает температуру рабочего га за в КИК, регулируя с помощью микропроцессора подачу хладагента и величину тока в элек трических нагревателях в процессе динамической стабилизации.

2.2 Криогенная ионизационная камера (КИК).

При разработке криогенного варианта ионизационной камеры мы опирались на успеш но опробованную в ПИЯФ методику создания и использования подобных камер при комнат ной температуре. Однако, соединение в новой установке высокого давления водорода (до бар), высокого напряжения (более 30 кВ) и обеспечение высокого вакуума (10-6 мбар) в ох ранном объёме, где должна размещаться камера, потребовало решения серьезных методиче ских проблем, вызванных необходимостью работы в интервале температур 30 – 400 К. Наи более серьезной оказалась задача конструирования самой камеры, имеющей съёмную крыш ку с вмонтированном в нее высоковольтным керамическим вводом, специальным вводом для подачи напряжения на сетку и многоштырьковым разъёмом для съёма сигналов с анодов и съёма показаний термометра. На крышке камеры также размещен введенный в газовый объём конденсационный термометр. При внутреннем диаметре камеры 126 мм (что было вызвано увеличением чувствительной области камеры) необходимо было отработать конструкцию крышки и уплотнения ее с телом камеры, обеспечивающих при давлениях P»110 бар вакуум в охранном объёме не хуже 10 -6 мбар при всех рабочих температурах. Специально разраба тывалась конструкция узла "сетка-аноды" размером 60х70 мм с зазором между ними ~1 мм, который не должен меняться во всём диапазоне температур.

На Рис. 20 изображена криогенная ионизационная камера со всеми подходящими к ней магистралями, помещенная в охранный объём. Там же указан перечень основных узлов уста новки. Корпус камеры изготовлен из нержавеющей стали с толщиной стенки 3 мм. Входное окно охранного объёма толщиной 0.1 мм сделано также из нержавеющей стали. При работе ЛИЯФ с DP/P»10% на пучке мюонов синхроциклотрона указанная толщина мате риала обеспечивала эффективные остановки мюонов в газе камеры при импульсах Pm=5863 МэВ/с.

Обозначения элементов камеры на Рис. 20: 1 - высоковольтный ввод на крышке охран ного объёма;

2 - вводы для термометрии;

3 - стенка охранного объёма;

4, 14 -шпильки креп ления камеры к крышке охранного объёма;

5 - высоковольтный катодный ввод;

6, 23 - тепло обменники на крышке и в нижней части камеры;

7 - крышка камеры;

упоры для центровки камеры;

9 - дно камеры;

10 - трубки теплообменника на дне камеры;

11, 16 - нижний и верх ний тепловые экраны;

12 - патрубок ввода хладоагента;

13 - соединение трубок с уплотнени ем “шар-конус”;

15 - трубки теплообменника на крышке камеры;

17 - входное окно для пуч ка;

18 - конденсационный термометр;

19 - стенка камеры;

20 - медная рубашка для выравни вания температуры;

21 - аноды;

22 - платиновый термометр;

24 - разъём для снятия сигналов с анодов;

25 - электрический датчик давления;

26 - мембранный разделитель.

На Рис. 21 изображена кривая остановок мюонов, полученная с помощью ионизацион ной камеры методом счета событий m-синтеза в зависимости от импульса входного пучка.

25 15 16 18 m пучок 24 Вакуумная откачка Рис. 20. Общий вид криогенной ионизационной камеры.

Y, относительные единицы 50 55 60 65 70 P [МэВ/с] Рис. 21. Распределение остановок мюонов в дейтерии, полученное методом счета событий dd- синтеза ионизационной камерой.

Для обеспечения юстировки камеры применена гибкая подвеска магистралей подачи и выхода хладагента. Высота подвески камеры под крышкой регулируется стопорными стерж нями.

Высокое напряжение на катод камеры подастся от стабилизированного источника через охранные сопротивления 5 МОм размещенные в узле на крышке охранного объёма. Катод закрепляется на керамическом вводе, вмонтированном в крышку камеры. Предусмотрена возможность изменения расстояния между катодом и сеткой в зависимости от условий экспе римента. При давлении газа в камере 90 бар (Т=293 К) рабочее напряжение на катоде выби ралось равным 30 кВ, на сетке – 4 кВ. При этом расстояние сетка-катод составляет 10 мм, сетка-аноды – 1 мм. Пластина катода диаметром 110 мм значительно перекрывает размер сетки, что обеспечивает равномерное электрическое поле для сбора заряда от мюонов и про дуктов синтеза. Сетка изготовлена из полированной нержавеющей проволоки диаметром 25 мкм, закрепленной на рамке с шагом 200 мкм. При этом коэффициент “не экранировки” заряда положительных ионов составляет 3.1%. При упомянутых выше значениях давления газа и напряжениях время дрейфа электронов от катода до сетки составляет 1.8 мкс. На Рис.

22 показана схема ионизационной камеры и расположение анодов в ней. За счет использова ния секционных анодов, число которых равнялось 6, чувствительный объём камеры был уве личен до 50 см3. Аноды размером 10х70 мм размещены перпендикулярно направлению пучка мюонов, что позволяло определять место остановки мюонов и направление разлета продук тов dd -синтеза, используя аноды как DЕ–Е-детекторы. Было получено энергетическое разре шение 70 кэВ, которое при выбранных размерах анодов определялось суммарной ёмкостью “анод-земля” (около 20 пФ, включая ёмкости подводящих проводов).

катод p p m m t t сетка аноды аноды Рис. 22. Схема ионизационной камеры (сбоку и сверху) и расположения анодов в ней При выборе способа охлаждения газа в камере решено было охлаждать крышку и дно, как наиболее массивные элементы. Теплообменники размещались на специальных медных фланцах, плотно прилегающих к крышке и дну камеры. В каждом из них были впаяны змее вик охлаждения и параллельно ему нагреватель. Во избежание появления градиентов темпе ратуры в теле камеры, мощности охладителя и нагревателя выбраны пропорционально мас сам крышки и дна. Для дополнительного выравнивания температуры боковая поверхность камеры окружена медной рубашкой толщиной 3 мм. В магистраль теплообменника подается жидкий азот или газообразный гелий.

Перед началом работы камера в течение нескольких дней тренировалась при темпера туре 100°С. Тренировка заключалась в периодическом наполнении горячей камеры сверхчис тым водородом на 3-4 часа и последующей откачкой в течение 5-6 часов. Контроль чистоты газа в камере на наличие электроотрицательных примесей (О2, пары H2O) осуществлялся при рабочем давлении по положению пика a -частиц от источника Am, нанесенного на катод.

Проводился также хроматографический анализ на наличие примесей с Z1. Достигнутый долговременный уровень составлял: О2 6 10-7 объёмных долей, N2 » 10 -6 объёмных долей.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.