連續變能量輻照加速器的調節控制系統的製作方法

2023-05-11 20:26:01 3

專利名稱：連續變能量輻照加速器的調節控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種加速器的調節控制系統，特別是一種連續變能量輻照加速器的調節控制系統。
背景技術：
目前，輻照加工技術已經滲透到社會發展的各行業之中，在人們日常生活和國家經貿發展中發揮著不可替代的作用。在輻照加工中，不同的輻照對象需要不同能量的電子束，在實際應用中，多用途的用戶迫切需要一種能夠提供輸出能量連續變化的輻照加速器。新型的連續變能量輻照加速器中的加速結構由相連的兩段組成:邊耦合腔低速加速腔段和邊耦合腔高速加速腔段，兩段之間無耦合。通過改變高速加速腔段的輸入功率大小來改變其加速梯度，從而達到改變能量增益的目的。為了使這種新加速結構能夠真正用到輸出能量連續可調的輻照加速器中，必須解決兩個加速腔段的輸入功率連續調節和控制問題。目前的輻照加速器領域都採用PLC控制器網完成對整個系統的監測和控制，其控制穩定可靠，但是複雜、經濟性差。

實用新型內容實用新型目的:針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種結構簡單的連續變能量輻照加速器的調節控制系統，解決加速結構其兩個加速腔段的輸入功率連續調節和控制問題，實現束流能量增益的連續變化。技術方案:一種連續變能量輻照加速器的調節控制系統，包括低電平控制器、外圍電路，所述外圍電路由功率放大器、環路器A、方向耦合器A、連續可調功分器A、高速加速腔段的連續可調功分器B及其相應的環路器B和方向耦合器B構成；功率源向加速結構供給功率，低速加速腔段和高速加速腔段各自的功率信號分別通過場探針輸送到所述低電平控制器調節後，經所述連續可調功分器A分配得到低速加速腔段的輸入功率和高速加速腔段的輸入功率，所述低速加速腔段的輸入功率控制低速加速腔，所述高速加速腔段的輸入功率再經所述連續可調功分器B分配後控制高速加速腔。本實用新型調節控制系統的原理是對加速結構的邊耦合腔低速加速腔段和邊耦合腔高速加速腔段分配不同的輸入功率，再通過高速加速腔段的連續可調功分器，實現對高速加速腔段的輸入功率的控制，由於功分器的連續可調，使高速加速腔段的加速梯度連續變化，從而實現束流能量增益的連續變化。所述低電平控制器通過上位機進行操控，所述低電平控制器與所述上位機由網絡進行實時通訊，所述上位機採用Labview監控軟體。有益效果:與現有技術相比，本實用新型的優點是通過低電平控制器和外圍電路單獨控制加速結構每個加速腔段的加速梯度，該調節控制系統結構簡單，變能量調控引入幅值和相位分別控制的低電平控制器，模塊化、可硬體編程，實現準確、快速地控制，從而實現輻照加速器的連續變能量。
圖1為本實用新型調節控制系統的結構原理圖；圖2為低電平控制器的數位化幅值、相位控制流程圖；圖3為低電平控制器與上位機的通訊結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例，進一步闡明本實用新型，應理解這些實施例僅用於說明本實用新型而不用於限制本實用新型的範圍，在閱讀了本實用新型之後，本領域技術人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。如附圖1所示，一種連續變能量輻照加速器的調節控制系統，包括低電平控制器
1、外圍電路，連續變能量輻照加速器的加速結構是被控對象，其由相連的兩段組成:邊耦合腔低速加速腔段12和邊耦合腔高速加速腔段13，兩段之間無耦合。外圍電路由功率放大器
2、環路器A3、方向耦合器A4、連續可調功分器A5、高速加速腔段的連續可調功分器B6及其相應的環路器B7和方向耦合器B8構成。電子槍9作為功率源向加速結構供給功率，低速加速腔段12和高速加速腔段13各自的功率信號分別通過其對應的場探針10和場探針11感知後輸送到低電平控制器I調節，調節後的輸出信號經功率放大器2、環路器A3、方向耦合器A4、連續可調功分器A5，實現對低速加速腔段12和高速加速腔段13不同的輸入功率，單獨控制兩個加速腔段的加速梯度，低速加速腔段12的輸入功率經其對應的功率耦合器耦合後供給高頻功率控制低速加速腔，高速加速腔段13的輸入功率再經連續可調功分器B6分配後，經過環路器B7、方向耦合器B8、高速加速腔段13對應的功率耦合器耦合後供給高頻功率控制高速加速腔。由於連續可調功分器B6的連續可調，使高速加速腔段13的加速梯度連續變化，從而實現束流能量增益的連續變化。本實用新型中低電平控制器採用數位化FPGA晶片作為中間控制器，對兩個加速腔段都採用基於矢量幅值、相位的高頻低電平控制技術調節功率大小，編寫集合了幅值反饋控制算法和相位反饋控制算法的場控制環路算法。調控方法為:信號源提供信號給低電平控制器作為幅值基準和相位基準信號，低電平控制器通過對幅值、相位和頻率的反饋控制，分別穩定兩個加速腔段上高頻信號的幅值、相位以及調節共振頻率，使功率利用率最大，經調節使得每個加速腔段上的輸入功率與輸出功率分別相等，即:對於高速加速腔段Pin8(Co1) = Poutll(W1), Pin8表示方向耦合器B8後進入高速加速腔段的輸入功率，Poutll表示經過高速加速腔段後從場探針11出來的輸出功率；對於低速加速腔段Pin5(O1)=Poutl0 (W1), Pin5表示連續可調功分器A5後進入低速加速腔段的輸入功率，Poutl0表示經過低速加速腔段後從場探針10出來的輸出功率。由於頻率和水溫近似成正比關係，該頻率的調節通過控制冷卻水的溫度來使得頻率匹配。低電平控制器用於穩定高頻信號的幅值和相位，它的性能對束流的品質和功率的利用率有很大的影響，功率分配的準確度和易操作程度也與系統息息相關。輻照加速器輸出束流功率的連續變化需要靠準確度高、響應速度快和操作簡便的自動化程序來保證，因此低電平控制器的性能對系統十分重要。在高頻信號幅值和相位穩定的前提下，低電平控制器需要調節功分器的功率調節機構，使之能夠精確輸出預定的功率值，平穩場與功率連續分配的協調控制，從而解決了系統中的場控制環路與功率調節環路的一致性問題，完成對系統的控制。數位化FPGA晶片，包括以下模塊:LO信號產生模塊、時鐘網絡模塊、上下變頻模塊、數位化及其處理模塊、通訊模塊、信號穩定度檢測模塊、功分器馬達驅動模塊、連鎖保護和電源模塊。如附圖2所示，數位化幅值、相位控制的信號流程為:從信號源來的高頻信號作為時鐘和本振信號的參考輸入，產生分別用於上下變頻的本振信號和模擬量數字量轉換器ADC、數字量模擬量轉換器DAC的時鐘採樣信號，在數位化幅值、相位控制中，由於工作頻率都很高，而現有的ADC和DAC工作頻率相對較低，因此，必須把所有的高頻頻率下變頻到中頻進行採樣，採樣後的信號進入FPGA後，作必要的數位訊號處理，即運行反饋控制算法，在FPGA中運行的數位訊號處理最後一步都是恢復為中頻信號，然後再上變頻到高頻頻率，反饋入外圍電路作為發射機的功率放大器中。調控的實現是通過上位機14與低電平控制器I之間的實時通訊，上位機採用Labview監控軟體，通訊方式採用網絡，通訊結構圖如附圖3所示，整個低電平反饋控制邏輯電路作為FPGA內核的一個邏輯外設，FPGA內核通過對這個外設進行讀寫操作，就能控制和監測反饋環路的狀態，裝有Labview軟體的上位機就可以通過網絡協議與軟核進行數據交換，從而達到控制和監測反饋環路狀態的目標。本實用新型的實現過程主要如下:(I)根據需要採集的8路和控制輸出的2路幅值、相位混合信號，選用恰當的FPGA晶片，並根據控制目標編制適當的控制算法；(2)低電平控制器的整體布局，信號源提供信號給低電平控制器作為幅度基準和相位基準信號，低電平控制器與上位機採用網絡進行通訊；(3)完成上位機與低電平控制器的通訊系統；(4)搭建外圍電路；( 5 )對整個系統進行自動化測試。
權利要求1.一種連續變能量輻照加速器的調節控制系統，包括低電平控制器(I)、外圍電路，其特徵在於:所述外圍電路由功率放大器(2)、環路器A (3)、方向耦合器A (4)、連續可調功分器A (5)、高速加速腔段的連續可調功分器B (6)及其相應的環路器B (7)和方向耦合器B(8)構成；功率源向加速結構供給功率，低速加速腔段和高速加速腔段各自的功率信號分別通過場探針輸送到所述低電平控制器(I)調節後，經所述連續可調功分器A (5)分配得到低速加速腔段的輸入功率和高速加速腔段的輸入功率，所述低速加速腔段的輸入功率控制低速加速腔，所述高速加速腔段的輸入功率再經所述連續可調功分器B (6)分配後控制高速加速腔。
2.根據權利要求1所述的連續變能量輻照加速器的調節控制系統，其特徵在於:所述低電平控制器通過上位機進行操控，所述低電平控制器與所述上位機由網絡進行實時通τΗ ο
3.根據權利要求2所述的連續變能量輻照加速器的調節控制系統，其特徵在於:所述上位機採用Labview監控軟體。
專利摘要本實用新型公開了一種連續變能量輻照加速器的調節控制系統，功率源向加速結構供給功率，低速加速腔段和高速加速腔段各自的功率信號分別通過場探針輸送到低電平控制器調節後，經連續可調功分器A分配得到兩段加速腔段的輸入功率，低速加速腔段的輸入功率控制低速加速腔，高速加速腔段的輸入功率再經連續可調功分器B分配後控制高速加速腔。本實用新型的優點是通過低電平控制器和外圍電路單獨控制加速結構每個加速腔段的加速梯度，該調節控制系統結構簡單，變能量調控引入幅值和相位分別控制的低電平控制器，模塊化、可硬體編程，實現準確、快速地控制，從而實現輻照加速器的連續變能量。
文檔編號G05B19/418GK203025540SQ201220707799
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者張力平, 孫安, 劉克, 薛培培 申請人:長安大學, 江蘇德佐電子科技有限公司, 江蘇安德信超導加速器科技有限公司, 南京大學