CN103019213A - 连续变能量辐照加速器的调节控制系统及其调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续变能量辐照加速器的调节控制系统，功率源向加速结构供给功率，低速加速腔段和高速加速腔段各自的功率信号分别通过场探针输送到低电平控制器调节后，经连续可调功分器A分配得到两段加速腔段的输入功率，低速加速腔段的输入功率控制低速加速腔，高速加速腔段的输入功率再经连续可调功分器B分配后控制高速加速腔；同时公开了其调控方法。本发明的优点是通过低电平控制器和外围电路单独控制加速结构每个加速腔段的加速梯度，该调节控制系统结构简单，变能量调控引入幅值和相位分别控制的低电平控制器，模块化、可硬件编程，实现准确、快速地控制，从而实现辐照加速器的连续变能量。
Description
技术领域
本发明涉及一种加速器的调节控制系统及其调控方法，特别是一种连续变能量辐照加速器的调节控制系统及其调控方法。
背景技术
目前，辐照加工技术已经渗透到社会发展的各行业之中，在人们日常生活和国家经贸发展中发挥着不可替代的作用。在辐照加工中，不同的辐照对象需要不同能量的电子束，在实际应用中，多用途的用户迫切需要一种能够提供输出能量连续变化的辐照加速器。新型的连续变能量辐照加速器中的加速结构由相连的两段组成：边耦合腔低速加速腔段和边耦合腔高速加速腔段，两段之间无耦合。通过改变高速加速腔段的输入功率大小来改变其加速梯度，从而达到改变能量增益的目的。为了使这种新加速结构能够真正用到输出能量连续可调的辐照加速器中，必须解决两个加速腔段的输入功率连续调节和控制问题。目前的辐照加速器领域都采用PLC控制器网完成对整个系统的监测和控制，其控制稳定可靠，但是复杂、经济性差。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单的连续变能量辐照加速器的调节控制系统，解决加速结构其两个加速腔段的输入功率连续调节和控制问题，实现束流能量增益的连续变化；本发明的另一目的是提供这种调节控制系统的调控方法，保证控制系统的可靠性，实现准确、快速控制。
技术方案：一种连续变能量辐照加速器的调节控制系统，包括低电平控制器、外围电路，所述外围电路由功率放大器、环路器A、方向耦合器A、连续可调功分器A、高速加速腔段的连续可调功分器B及其相应的环路器B和方向耦合器B构成；功率源向加速结构供给功率，低速加速腔段和高速加速腔段各自的功率信号分别通过场探针输送到所述低电平控制器调节后，经所述连续可调功分器A分配得到低速加速腔段的输入功率和高速加速腔段的输入功率，所述低速加速腔段的输入功率控制低速加速腔，所述高速加速腔段的输入功率再经所述连续可调功分器B分配后控制高速加速腔。
本发明调节控制系统的原理是对加速结构的边耦合腔低速加速腔段和边耦合腔高速加速腔段分配不同的输入功率，再通过高速加速腔段的连续可调功分器，实现对高速加速腔段的输入功率的控制，由于功分器的连续可调，使高速加速腔段的加速梯度连续变化，从而实现束流能量增益的连续变化。
上述一种调节控制系统的调控方法，信号源提供信号给低电平控制器作为幅值基准和相位基准信号，低电平控制器通过对幅值、相位和频率的反馈控制，分别稳定两个加速腔段上高频信号的幅值、相位以及调节共振频率，经调节使得每个加速腔段上的输入功率与输出功率分别相等。
所述低电平控制器采用数字化芯片，包括以下模块：LO信号产生模块、时钟网络模块、上下变频模块、数字化及其处理模块、通讯模块、信号稳定度检测模块、功分器马达驱动模块、连锁保护和电源模块；信号流程为从信号源来的高频信号作为时钟和本振信号的参考输入，产生分别用于上下变频的本振信号和模拟量数字量转换器、数字量模拟量转换器的时钟采样信号，进入数字化芯片进行数字信号处理，恢复为中频信号，然后再上变频到高频频率，反馈入外围电路的功率放大器中。
所述低电平控制器通过上位机进行操控，所述低电平控制器与所述上位机由网络进行实时通讯，所述上位机采用Labview监控软件。
由于频率和水温近似成正比关系，所述频率的调节通过控制冷却水的温度来使得频率匹配。
本发明调控方法的原理是采用基于矢量幅值、相位的高频低电平控制技术调节功率大小，编写集合了幅值反馈控制算法和相位反馈控制算法的场控制环路算法，采用数字化芯片作为中间控制器，通过给各信号提供相同的时钟分频和本振参考信号，再经过上、下变频和模拟量数字量转换器、数字量模拟量转换器信号转换，解决了系统中的场控制环路与功率调节环路的一致性问题，完成对系统的控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是通过低电平控制器和外围电路单独控制加速结构每个加速腔段的加速梯度，该调节控制系统结构简单，变能量调控引入幅值和相位分别控制的低电平控制器，模块化、可硬件编程，实现准确、快速地控制，从而实现辐照加速器的连续变能量。
附图说明
图1为本发明调节控制系统的结构原理图；
图2为低电平控制器的数字化幅值、相位控制流程图；
图3为低电平控制器与上位机的通讯结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如附图1所示，一种连续变能量辐照加速器的调节控制系统，包括低电平控制器1、外围电路，连续变能量辐照加速器的加速结构是被控对象，其由相连的两段组成：边耦合腔低速加速腔段12和边耦合腔高速加速腔段13，两段之间无耦合。外围电路由功率放大器2、环路器A3、方向耦合器A4、连续可调功分器A5、高速加速腔段的连续可调功分器B6及其相应的环路器B7和方向耦合器B8构成。
电子枪9作为功率源向加速结构供给功率，低速加速腔段12和高速加速腔段13各自的功率信号分别通过其对应的场探针10和场探针11感知后输送到低电平控制器1调节，调节后的输出信号经功率放大器2、环路器A3、方向耦合器A4、连续可调功分器A5，实现对低速加速腔段12和高速加速腔段13不同的输入功率，单独控制两个加速腔段的加速梯度，低速加速腔段12的输入功率经其对应的功率耦合器耦合后供给高频功率控制低速加速腔，高速加速腔段13的输入功率再经连续可调功分器B6分配后，经过环路器B7、方向耦合器B8、高速加速腔段13对应的功率耦合器耦合后供给高频功率控制高速加速腔。由于连续可调功分器B6的连续可调，使高速加速腔段13的加速梯度连续变化，从而实现束流能量增益的连续变化。
本发明中低电平控制器采用数字化FPGA芯片作为中间控制器，对两个加速腔段都采用基于矢量幅值、相位的高频低电平控制技术调节功率大小，编写集合了幅值反馈控制算法和相位反馈控制算法的场控制环路算法。调控方法为：信号源提供信号给低电平控制器作为幅值基准和相位基准信号，低电平控制器通过对幅值、相位和频率的反馈控制，分别稳定两个加速腔段上高频信号的幅值、相位以及调节共振频率，使功率利用率最大，经调节使得每个加速腔段上的输入功率与输出功率分别相等，即：对于高速加速腔段Pin8(ω1)＝Pout11(ω1)，Pin8表示方向耦合器B8后进入高速加速腔段的输入功率，Pout11表示经过高速加速腔段后从场探针11出来的输出功率；对于低速加速腔段Pin5(ω1)＝Pout10(ω1)，Pin5表示连续可调功分器A5后进入低速加速腔段的输入功率，Pout10表示经过低速加速腔段后从场探针10出来的输出功率。由于频率和水温近似成正比关系，该频率的调节通过控制冷却水的温度来使得频率匹配。
低电平控制器用于稳定高频信号的幅值和相位，它的性能对束流的品质和功率的利用率有很大的影响，功率分配的准确度和易操作程度也与系统息息相关。辐照加速器输出束流功率的连续变化需要靠准确度高、响应速度快和操作简便的自动化程序来保证，因此低电平控制器的性能对系统十分重要。在高频信号幅值和相位稳定的前提下，低电平控制器需要调节功分器的功率调节机构，使之能够精确输出预定的功率值，平稳场与功率连续分配的协调控制，从而解决了系统中的场控制环路与功率调节环路的一致性问题，完成对系统的控制。
数字化FPGA芯片，包括以下模块：LO信号产生模块、时钟网络模块、上下变频模块、数字化及其处理模块、通讯模块、信号稳定度检测模块、功分器马达驱动模块、连锁保护和电源模块。如附图2所示，数字化幅值、相位控制的信号流程为：从信号源来的高频信号作为时钟和本振信号的参考输入，产生分别用于上下变频的本振信号和模拟量数字量转换器ADC、数字量模拟量转换器DAC的时钟采样信号，在数字化幅值、相位控制中，由于工作频率都很高，而现有的ADC和DAC工作频率相对较低，因此，必须把所有的高频频率下变频到中频进行采样，采样后的信号进入FPGA后，作必要的数字信号处理，即运行反馈控制算法，在FPGA中运行的数字信号处理最后一步都是恢复为中频信号，然后再上变频到高频频率，反馈入外围电路作为发射机的功率放大器中。
调控的实现是通过上位机14与低电平控制器1之间的实时通讯，上位机采用Labview监控软件，通讯方式采用网络，通讯结构图如附图3所示，整个低电平反馈控制逻辑电路作为FPGA内核的一个逻辑外设，FPGA内核通过对这个外设进行读写操作，就能控制和监测反馈环路的状态，装有Labview软件的上位机就可以通过网络协议与软核进行数据交换，从而达到控制和监测反馈环路状态的目标。
本发明的实现过程主要如下：
（1）根据需要采集的8路和控制输出的2路幅值、相位混合信号，选用恰当的FPGA芯片，并根据控制目标编制适当的控制算法；
（2）低电平控制器的整体布局，信号源提供信号给低电平控制器作为幅度基准和相位基准信号，低电平控制器与上位机采用网络进行通讯；
（3）完成上位机与低电平控制器的通讯系统；
（4）搭建外围电路；
（5）对整个系统进行自动化测试。
Claims (6)
1.一种连续变能量辐照加速器的调节控制系统，包括低电平控制器（1）、外围电路，其特征在于：所述外围电路由功率放大器（2）、环路器A（3）、方向耦合器A（4）、连续可调功分器A（5）、高速加速腔段的连续可调功分器B（6）及其相应的环路器B（7）和方向耦合器B（8）构成；功率源向加速结构供给功率，低速加速腔段和高速加速腔段各自的功率信号分别通过场探针输送到所述低电平控制器（1）调节后，经所述连续可调功分器A（5）分配得到低速加速腔段的输入功率和高速加速腔段的输入功率，所述低速加速腔段的输入功率控制低速加速腔，所述高速加速腔段的输入功率再经所述连续可调功分器B（6）分配后控制高速加速腔。
2.一种权利要求1所述的调节控制系统的调控方法，其特征在于：信号源提供信号给低电平控制器作为幅值基准和相位基准信号，低电平控制器通过对幅值、相位和频率的反馈控制，分别稳定两个加速腔段上高频信号的幅值、相位以及调节共振频率，经调节使得每个加速腔段上的输入功率与输出功率分别相等。
3.根据权利要求2所述的调控方法，其特征在于：所述低电平控制器采用数字化芯片，包括以下模块：LO信号产生模块、时钟网络模块、上下变频模块、数字化及其处理模块、通讯模块、信号稳定度检测模块、功分器马达驱动模块、连锁保护和电源模块；信号流程为从信号源来的高频信号作为时钟和本振信号的参考输入，产生分别用于上下变频的本振信号和模拟量数字量转换器、数字量模拟量转换器的时钟采样信号，进入数字化芯片进行数字信号处理，恢复为中频信号，然后再上变频到高频频率，反馈入外围电路的功率放大器中。
4.根据权利要求2所述的调控方法，其特征在于：所述低电平控制器通过上位机进行操控，所述低电平控制器与所述上位机由网络进行实时通讯。
5.根据权利要求2所述的调控方法，其特征在于：所述频率的调节通过控制冷却水的温度来使得频率匹配。
6.根据权利要求4所述的调控方法，其特征在于：所述上位机采用Labview监控软件。
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