Beam diagnostic devices for cyclotron

Abstract

AB3:Työssä tarkastellaan hiukkassuihkun radiaalisen kiihdytysvaiheen mittaamiseksi Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion K130 syklotroniin kehitettyä vaihemittausjärjestelmää. Mittausantureina on korjauskelojen läheisyyteen sijoitetut kymmenen levyelektrodia. Vaiheilmaisussa käytetään suihkun pulssimaisesta rakenteesta perustaajuuden toista harmonista taajuuskomponenttia ja kaksoissekoitintyyppistä radiovastaanotinta. Tällä rakenteella saadaan eliminoitua kiihdytysjännitteen aiheuttamat voimakkaat häiriöt. Vaihemittauksen lisäksi järjestelmään on integroitu syklotronin suihkun ulostulon yhteyteen intensiteetin mittaus rengasmaisella elektrodilla. Tällä on mahdollista on-off -tyyppisesti monitoroida syklotronin toimintaa ja yhdistää se esimerkiksi osaksi koko syklotronin turvajärjestelmää.- Intensiteetti on ehkä kiinnostavin ja useimmin mitattu ionisuihkun parametri. Tässä työssä tarkastellaan myös K130 syklotroniin kehitettyä suuren dynamiikan omaavaa virranmittausjärjestelmää. Virranmittaus on alipäästösuodattava modulaarinen ja syklotronista puhuttaessa yleiskäyttöinen järjestelmä, joka soveltuu lähes kaikkeen ionivirran mittaamiseen.

Beam diagnostics is a term for any measurement and data acquisition system that is used to determine what properties a beam has and how it behaves in a cyclotron. It is an essential constituent of any particle accelerator. Beam diagnostics is a rich field, in which a great variety of physical effects are used. Therefore, a vast choice of different types of devices are used, each usually in many variants.- Owing to the great sensibility to the various parameters, on-line beam phase measurement proved to be a very efficient way of tuning the precise isochronous radial magnetic field in the cyclotron. This magnetic field, which controls the phase of the beam related to the accelerating voltage of the cyclotron, is controlled by adjusting current of the trim coils. Ions in the optimum phase feel the maximum energy increase on each turn. The phase measurement for the K130 cyclotron in the Physics Department at University of Jyväskylä was implemented using ten pairs of capacitive probes, being aligned radially and covering almost all orbital region of the beam, RF multiplexing and double heterodyne receiver technique. An on-line non-intercepting beam intensity monitor for high beam intensities was also designed and integrated as a part of the phase measurement system.- Current measurement electronics for use with destructive diagnostic devices is a basic and very essential element of any cyclotron. It is basically a current amplifier with low-pass filtering for very low current intensities. A very large dynamic range of the amplifier and modularity of the system were the main design issues of this system.- Numerous tests and the experiences of other cyclotron laboratories have been used during the development of the diagnostic systems. They have proved be reliable in operation and very useful monitors. Integration to the control system of the K130 cyclotron makes them easy to use.