CN103425824B - 一种原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法，包括以下步骤：（Ⅰ）将实验所采用的靶膜和阻停膜连接成一平行板电容器，建立刻度的电容-距离数据库；（Ⅱ）设定两膜之间的距离为实验要求距离D₀；（Ⅲ）测量由外部干扰引起的电容的变化，获得当前电容C_act，并通过电容法解算出当前靶膜和阻停膜实际距离D_act；（Ⅳ）计算实际距离D_act与实验要求距离D₀的偏差量ΔD=D₀-D_act，并将ΔD输入到一控制器中；（Ⅴ）若ΔD≥0.1μm，表示ΔD未达到精度要求，通过控制器将这个偏差量发给一驱动器，通过驱动器驱动承载靶膜和阻停膜的移动平台动作，使两膜距离回到D₀，并返回步骤（Ⅲ）；若ΔD达到精度要求，则控制器发出不动作指令。本发明提供的方法能大大提高测试系统的精度和稳定性。

Description

一种原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法

技术领域

本发明属于原子核能级寿命测量技术领域，具体涉及一种原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法。

背景技术

原子核的能级寿命是表征核状态的重要物理量，它代表了能级之间的跃迁几率。理论描述的跃迁几率是与跃迁始末态的波函数直接相关，因而受核结构模型假设的影响。所以，测量能级寿命是对理论模型的最好检验。原子核高自旋态的寿命一般位于10^－13～10^－10s之间，是多普勒移动衰减法(DSAM)和反冲距离法(RDM)适合的时间测量范围。这两种方法都利用了运动中的反冲核发射的γ射线的多普勒效应。已成功建立的DSAM方法适用于原子核在较高能级的亚皮秒级寿命测量。而RDM方法可以测量1ps到几百皮秒级能态寿命。两者可以形成补充。用RDM方法测量原子核寿命的装置称为Plunger。Plunger的基本结构包括移动平台、靶膜-阻停膜之间平行度调节装置、距离测量系统、靶膜展平装置、距离自动调整系统以及相应的专用靶室，实验中通过步进电机移动滑动平台，调节靶膜-阻停膜之间的距离。

在使用Plunge测量能级寿命的试验过程中，外部有大量干扰(如机械振动、靶膜的热膨胀等)，易导致靶膜-阻停膜之间的距离发生改变。这就要求Plunger具有很高的位移精度，并且整个测试系统有很好的稳定性，这就需要设计反馈控制来减小环境、机械振动等带来的干扰。

国际上通常采用晶振的方式实现闭环，但此种闭环设计复杂，而且带电粒子轰击会造成很大的电压误差，导致距离测定不准。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种控制精度高、稳定性好的原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法，包括以下步骤：

Ⅰ)将原子核能级寿命测量实验中所采用的靶膜和阻停膜连接成一平行板电容器，建立刻度的电容-距离数据库；

Ⅱ)设定两膜之间的距离为实验要求距离D₀；

Ⅲ)测量由外部干扰引起的步骤Ⅰ)的平行板电容器的电容的变化，获得当前电容C_act，并通过电容法解算出当前靶膜和阻停膜实际距离D_act；

Ⅳ)计算实际距离D_act与实验要求距离D₀的偏差量ΔD＝D₀-D_act，并将ΔD输入到一控制器中；

Ⅴ)若ΔD≥0.1μm，表示ΔD未达到精度要求，通过控制器将这个偏差量发给一驱动器，通过驱动器驱动承载靶膜和阻停膜的移动平台动作，使两膜距离回到D₀，并返回步骤Ⅲ)；若ΔD达到精度要求，则控制器发出不动作指令。

进一步，步骤Ⅰ)中，建立刻度的电容-距离数据库包括：测量靶膜和阻停膜之间某一距离D下对应的电容C，以及在特定的距离范围内对电容C、距离D的值进行拟合，得到拟合关系式。

进一步，步骤Ⅲ)中，通过电容法解算出当前靶膜和阻停膜实际距离D_act时，采用函数拟合法实现，具体的实现方式为：

1)输入实验要求距离D₀；

2)若D₀≤D_limit，则调用探测的平行板电容器的电容C_act；若D₀＞D_limit，则停止解算；其中，D_limit表示电容法允许最大电容对应的距离值；

3)若D₀＞20μm，调用刻度的电容-距离数据库中的线性拟合关系式，计算实际距离D_act；若D₀≤20μm，调用刻度的电容-距离数据库中的非线性拟合关系式，计算实际距离D_act。

拟合函数算法的流程图见图5。

进一步，步骤Ⅲ)中，通过电容法解算出当前靶膜和阻停膜实际距离D_act时，也采用调用库法实现，具体的实现方式为：

ⅰ)输入实验距离D₀；

ⅱ)若D₀≤D_limit，则调用探测的平行板电容器的电容C_act；若D₀≥D_limit，则停止解算；其中，D_limit表示电容法允许的最大电容对应的距离值；

ⅲ)在刻度的电容-距离数据库中搜索电容C_act所在的范围；

ⅳ)若C_act不在C_i、C_i+1值之间，返回步骤ⅲ)；若C_i≤C_act≤C_i+1，则按照式③解算实际距离值D_act；

$D=\[(D_{i+1}-D_i)/(\frac{1}{C_{i+1}}-\frac{1}{C_i})\](\frac{1}{C}-\frac{1}{C_i})+D_i$ ③。

调用库法的算法流程图见图6。

与现有采用晶振的方式实现闭环控制的方法相比，本发明利用电容法实现闭环控制，能大大提高控制精度和稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的一种原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法的流程图；

图2-1、2-2、2-3、2-4示出了电容C与距离D的关系；

图3示出了1/C与距离D的指数拟合关系；

图4示出了1/C与距离D的线性拟合关系；

图5示出了本发明中函数拟合法的算法流程；

图6示出了本发明中调用库法的算法流程；

图7示出了本发明提供的反馈控制方法在一种具体实施方式中的反馈控制结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种原子核能级寿命测量实验中反馈控制方法包括：

Ⅰ)将原子核能级寿命测量实验中所采用的靶膜和阻停膜连接成一平行板电容器，建立刻度的电容-距离数据库；

Ⅱ)设定两膜之间的距离为实验要求距离D₀；

Ⅲ)测量由外部干扰引起的步骤Ⅰ)的平行板电容器的电容的变化，获得当前电容C_act，并通过电容法解算出当前靶膜和阻停膜实际距离D_act；

Ⅳ)计算实际距离D_act与实验要求距离D₀的偏差量ΔD＝D₀-D_act，并将ΔD输入到一控制器中；

Ⅴ)若ΔD≥0.1μm，表示ΔD未达到精度要求，通过控制器将这个偏差量发给一驱动器，通过驱动器驱动承载靶膜和阻停膜的移动平台动作，使两膜距离回到D₀，并返回步骤Ⅲ)；若ΔD达到精度要求，则控制器发出不动作指令。

从本发明提供的反馈控制方法可以看出，本发明的关键是如何将实时测得的电容转换为准确的距离值。因此，在描述步骤Ⅲ)所涉及的电容法解算实际距离D_act的具体算法之前，先介绍电容和距离的刻度关系。

电容法具有很高的距离分辨能力，同时比较稳定。为精确刻画电容与距离的关系，还需要找出电容与两膜距离更加准确的关系，因此，本发明首先要建立刻度的电容-距离数据库，编写对应的刻度软件，为反馈控制做好准备。

本发明步骤Ⅰ)中，建立刻度的电容-距离数据库，包括：建立刻度的电容-距离数据库包括：测量靶膜和阻停膜之间某一距离D下对应的电容C，以及在特定的距离范围内对电容C、距离D的值进行拟合，得到拟合关系式。

电容对距离的分辨率小于0.1μm，即是达到实验所规定的测量要求。在几个微米内，可以比较精细地进行标度，在大距离范围内，步长可以相应增加。所以刻度软件同时要对移动平台和用于测量电容值的TH2817A电桥操作，这样改变一个距离D，就获取对应的电容C。然后对一系列C_i-D_i做进一步研究。

图2-1、2-2显示了1200μm内电容-距离的变化关系，图2-3、2-4分别以不同形式显示了100μm内电容-距离的变化关系。从图2-3、2-4可以看出，在小距离内，电容和距离有较好的线性关系，在反馈控制中可采用相关算法来完成反馈控制。

刻度过程是距离变化引起电容变化的解算过程，所以电容的改变可以反映距离的变化。本发明提供的反馈控制方法的基本思路就是以刻度库为基准，用电容的变化来解算实际距离，进而改变实际距离。

由于刻度的数据库C-D是在环境和Plunger装置都十分稳定的环境下得到的，所以每一个电容值都准确对应一个距离。两膜之间的绝对距离可用D_i-D₁确定，测得的电容C主要由两膜形成的平行板贡献，但也包含支架和连线的杂散电容，在选取零点后，杂散电容被扣除，C的变化主要由两膜距离D的变化引起。

在本发明的一种具体实施方式中，步骤Ⅲ)中，以电容法计算靶膜和阻停膜的实际距离D_act时，可以以刻度的C-D数据库为基准，采用函数拟合法来计算。

函数拟合法中，首先要根据1/C-D的图像关系，可以用不同的函数对数据拟合，如图3所示，在小距离范围20μm做指数拟合，函数关系式如式①所示；如图4所示，在大距离范围20-80μm做线性拟合，函数关系式如式②所示。断点以及函数的选取根据实际情况决定，以达到最优效果。

$D=A_1\exp (-\frac{1}{{\mathrm{Ct}}_1})+A_2\exp (-\frac{1}{{\mathrm{Ct}}_2})+D_0$ ①

$D=a+b\frac{1}{C}$ ②

然后，将拟合得到参数a＝926.2867、b＝-10.1549代入式①，将A₁＝-160.1169、A₂＝-1020.8530、t₁＝0.2039、t₂＝0.0017分别带入式②，就可得到函数关系式。根据图5的算法流程就可以实时地由获取的电容C解算两膜之间的真实的实际距离D_act。再把解算得到的D_act带入到反馈控制流程中，就形成了完整的闭环回路。

函数拟合法的具体实现方式如下：

1)输入实验要求距离D₀；

2)若D₀≤D_limit，则调用探测的平行板电容器的电容C_act；若D₀＞D_limit，则停止解算；其中，D_limit表示电容法允许的最大电容对应的距离值；

3)若D₀＞20μm，调用刻度的电容-距离数据库中的线性拟合关系式，计算实际距离D_act；若D₀≤20μm，调用刻度的电容-距离数据库中的非线性拟合关系式，计算实际距离D_act。

在本发明的另一种具体实施方式中，步骤Ⅲ)中，以电容法计算靶膜和阻停膜的实际距离D_act时，可以以刻度的C-D数据库为基准，采用调用库法来计算。

调用库法的工作原理是：

在D≤D_limit内，采用电容法反馈控制，在大距离D≥D_limit量程下，采用平台自身的闭环控制。在本工作中D_limit大约为几百微米，所以电容法反馈控制有较大的使用范围。

如图6所示，控制系统实时采集电容值，然后在刻度的C-D数据库中搜索电容值所在的范围，若C_i≤C_act≤C_i+1，则按照以下式③解算实际的距离值D_act：

$D=\[(D_{i+1}-D_i)/(\frac{1}{C_{i+1}}-\frac{1}{C_i})\](\frac{1}{C}-\frac{1}{C_i})+D_i$ ③。

调用库法的本质是对电容所在区间做一个线性拟合，如此计算得到的距离更接近于真实值。

调用库法的具体实现方式如下：

ⅰ)输入实验距离D₀；

ⅱ)若D₀≤D_limit，则调用探测的平行板电容器的电容C_act；若D₀≥D_limit，则停止解算；其中，D_limit表示电容法允许的最大电容对应的距离值；

ⅲ)在刻度的电容-距离数据库中搜索电容C_act所在的范围；

ⅳ)若C_act不在C_i、C_i+1值之间，返回步骤ⅲ)；若C_i≤C_act≤C_i+1，则按照式③解算实际距离值D_act。

在本发明中，以上两种算法均可以根据实际需求自由选择。

上述两种算法主要适用于D₀≤D_limit的情况，若D₀＞D_limit，则停止解算，此时在后续的控制过程不采用电容法实现闭环控制，可以采用移动平台自带的光栅尺进行闭环控制。

应用时，最好将以上两种算法纳入Plunge反馈控制软件中。

实施例

将本发明提供的反馈控制方法编成Plunge反馈控制软件，利用该反馈控制软件来控制Plunger中靶膜-阻停膜之间的位移精度。

实验要求距离D₀为300μm，电容法最大距离为600μm，即D_limit＝600μm，电容法精度要求为0.1μm。

在Plunger反馈控制软件中，选择调用库法，输入实验要求距离300μm，从400μm移动到300μm处经过了5次闭环控制，收敛速度很快，之后一直以0.1μm的高精度要求保持在300μm处，如图7所示。距离值的统计结果显示，距离的方差仅为0.038μm，优于精度要求，这个测试是在安静环境中进行的，也就是说在比较稳定的环境下，闭环控制系统能够实现更高精度的距离测量。

上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法，包括以下步骤：

Ⅰ)将原子核能级寿命测量实验中所采用的靶膜和阻停膜连接成一平行板电容器，建立刻度的电容-距离数据库；

Ⅱ)设定两膜之间的距离为实验要求距离D₀；

Ⅲ)测量由外部干扰引起的步骤Ⅰ)的平行板电容器的电容的变化，获得当前电容C_act，并通过电容法解算出当前靶膜和阻停膜实际距离D_act；

Ⅳ)计算实际距离D_act与实验要求距离D₀的偏差量ΔD＝D₀-D_act，并将ΔD输入到一控制器中；

Ⅴ)若ΔD≥0.1μm，表示ΔD未达到精度要求，通过控制器将这个偏差量发给一驱动器，通过驱动器驱动承载靶膜和阻停膜的移动平台动作，使两膜距离回到D₀，并返回步骤Ⅲ)；若ΔD达到精度要求，则控制器发出不动作指令。

2.根据权利要求1所述的原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法，其特征在于，步骤Ⅰ)中，建立刻度的电容-距离数据库包括：测量靶膜和阻停膜之间某一距离D下对应的电容C，以及在小于100μm的距离范围内对电容C、距离D的值进行拟合，得到拟合关系式。

3.根据权利要求1所述的原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法，其特征在于，步骤Ⅲ)中，通过电容法解算出当前靶膜和阻停膜实际距离D_act时，可采用函数拟合法实现，具体的实现方式为：

1)输入实验要求距离D₀；

2)若D₀≤D_limit，则调用探测的平行板电容器的电容C_act；若D₀＞D_limit，则停止解算；其中，D_limit表示电容法允许的最大电容对应的距离值；

3)若D₀＞20μm，调用刻度的电容-距离数据库中的线性拟合关系式，计算实际距离D_act；若D₀≤20μm，调用刻度的电容-距离数据库中的非线性拟合关系式，计算实际距离D_act。

4.根据权利要求1所述的一种原子核能级寿命测量实验中的反馈控制方法，其特征在于，步骤Ⅲ)中，通过电容法解算出当前靶膜和阻停膜实际距离D_act时，也可采用调用库法实现，具体的实现方式为：

ⅰ)输入实验距离D₀；

ⅱ)若D₀≤D_limit，则调用探测的平行板电容器的电容C_act；若D₀≥D_limit，则停止解算；其中，D_limit表示电容法允许最大电容对应的距离值；

ⅲ)在刻度的电容-距离数据库中搜索电容C_act所在的范围；

ⅳ)若C_act不在C_i、C_i+1值之间，返回步骤ⅲ)；若C_i≤C_act≤C_i+1，则按照式③解算实际距离值D_act，

$D=\[(D_{i+1}-D_i)/(\frac{1}{C_{i+1}}-\frac{1}{C_i})\](\frac{1}{C}-\frac{1}{C_i})+D_i$ ③。