CN103929873B - 束流中心轨道偏移的检测系统和方法以及校正系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种束流中心轨道偏移的检测系统和方法以及校正系统和方法，该检测系统包括安装在所述芯管的外壁上以检测所述芯管的温度值的四个测温元件；温度变送器，其用于将所述测温元件检测到的所述温度值转换成相应的电流信号或电压信号；以及偏移检测装置，其用于计算所述电流信号或电压信号减去预定阈值的差值，并在所述差值大于0输出一偏移信号。该校正系统包括前述检测系统、用于调整所述束流中心轨道的偏移量的导向线圈；以及电连接在所述偏移检测装置与所述导向线圈之间的导向电流控制器。本发明的检测和校正系统具有简单实用、成本低等特点，能够有效保护加速器系统的芯管不被损坏，从而实现安全可靠的操作和运行。

Description

束流中心轨道偏移的检测系统和方法以及校正系统和方法

技术领域

本发明涉及高压型加速器领域，尤其涉及一种束流中心轨道偏移的检测系统和方法以及校正系统和方法。

背景技术

高压型加速器是一种通过高压产生的高压电场对带电粒子进行加速的装置，其中，高压是指0.5MV至5MV范围内的电压。高压型加速器安装完成后，需要经历较长时间的调试，包括高压锻炼、出束锻炼以及相关的参数确定等工作。在这个过程中，一般需要确定高压校正系数、聚焦电流、导向电流和扫描电流等参数。这些参数一旦确定之后，就固定下来，不再改动。如果需要修改，则需要有经验的技术人员进行改动，调整过程完全取决于个人的经验水平。

通过对高压型加速器的束流偏移进行长期研究分析，在0.5MV～5.0MV的高压型加速器中可能发生束流中心轨道偏移的现象，导致偏移的主要原因有以下两种：一是发生高压打火后，束流传输通道中的某些部件产生了磁化现象，从而产生了局部磁场，当束流通过传输通道时，便发生了束流中心轨道偏移；二是聚焦线圈磁场和导向线圈磁场发生了变化，从而引起束流中心轨道偏移。由于高压型加速器的结构特点，发生高压打火的情况时常发生。而且，对于0.5MV～5.0MV的高压型加速器来说，由高压打火产生的影响相对明显。

在高压型加速器的运行过程中，如果束流中心轨道基本在束流传输通道的几何中心位置，则高压型加速器便能正常工作；否则，如果束流中心轨道产生一定偏移，则会引起系统的真空度变差，束流不稳等现象。更严重地是，偏移的高能电子束流还可能会把高压型加速器的组成部件(如芯管、波纹管等)打坏，从而导致整个加速器系统无法正运行。

通常，高压型加速器的束流传输通道如图5所示，其包括从上至下依次连通的上波纹管11、漂移管12、下波纹管13和芯管14，而当束流的中心轨道发生偏移后，其很容易打在芯管14的侧壁上，因此，芯管14被电子束流打漏的概率很大。一旦发生芯管被打坏的情况，维修的工作量将非常大。而在高压型加速器的实际维修过程中，这种事故占有一定比例。

在现有技术中，对束流中心轨道的检测主要通过电子束流探针来实现，即，在束流传输通道外壁上设置电子束流探针，然后对电子束流探针输出的信号处理之后再进行相关运算，从而获得束流的水平和垂直方向的位置信息X、Y。然而其操作过程复杂、硬件成本高，而且针对束流较大的高压型加速器而言，电子束流探针还容易被束流损坏。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种束流中心轨道偏移的检测系统和方法以及校正系统和方法，以实现对束流中心轨道的检测和校正，从而保护高压型加速器的芯管不被损坏。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种束流中心轨道偏移的检测系统，用于检测高压型加速器中的束流是否打在芯管的内壁上，其包括：

安装在所述芯管的外壁上以检测所述芯管的温度值的四个测温元件；

电连接至所述测温元件的温度变送器，其用于将所述测温元件检测到的所述温度值转换成相应的电流信号或电压信号；以及

电连接至所述温度变送器的偏移检测装置，其用于计算所述电流信号或电压信号减去预定阈值的差值，并在所述差值大于0时输出一偏移信号。

优选地，所述芯管为矩形管，四个所述测温元件分别设置在所述矩形管的四个面的中心位置。

优选地，所述芯管为圆管，四个所述测温元件分别设置在所述圆管的两个相互垂直的对称轴上。

本发明另一方面提供一种束流中心轨道偏移的检测方法，用于检测高压型加速器中的束流是否打在芯管的内壁上，该检测方法包括以下步骤：

步骤S11，提供前述的束流中心轨道偏移的检测系统；

步骤S12，通过所述测温元件检测所述芯管的温度值；

步骤S13，通过所述温度变送器将所述测温元件检测到的所述温度值转换成相应的电流信号或电压信号；

步骤S14，通过所述偏移检测装置计算所述电流信号或电压信号减去所述预定阈值的差值，如果所述差值大于0，则输出所述偏移信号。

本发明又一方面提供一种束流中心轨道偏移的校正系统，该校正系统包括：

前述的束流中心轨道偏移的检测系统；

安装在所述芯管上方的传输通道外壁上以调整所述束流中心轨道的偏移量的导向线圈；以及

电连接在所述偏移检测装置与所述导向线圈之间的导向电流控制器，其根据所述偏移检测装置计算的所述差值调整所述导向线圈中的导向电流，以使所述导向线圈将所述束流中心轨道调整回所述芯管的中心位置。

优选地，所述导向电流控制器为CMAC-PID复合控制器。

优选地，所述导向电流控制器与所述偏移检测装置集成在同一微控制芯片中。

本发明又另一方面提供一种束流中心轨道偏移的校正方法，其包括以下步骤：

步骤S21，提供前述的束流中心轨道偏移的校正系统；

步骤S22，通过所述测温元件检测所述芯管的温度值；

步骤S23，通过所述温度变送器将所述测温元件检测到的所述温度值转换成相应的电流信号或电压信号；

步骤S24，通过所述偏移检测装置计算所述电流信号或电压信号减去所述预定阈值的差值，如果所述差值大于0，则向所述导向电流控制器输出所述偏移信号；

步骤S25，当所述导向电流控制器接收到所述偏移信号后，其根据所述偏移检测装置计算的所述差值调整所述导向线圈中的导向电流，以使所述导向线圈将所述束流中心轨道调整回所述芯管的中心位置。

进一步地，在所述步骤S25中，所述导向电流控制器采用CMAC-PID复合控制算法调整所述导向线圈中的导向电流。

综上所述，通过采用本发明的束流中心轨道偏移的检测系统和方法可以准确地检测束流中心轨道是否偏移，同时，通过采用本发明的束流中心轨道偏移的校正系统和方法可以使偏移的束流中心轨道回到初始位置，从而能够有效地减小高压型加速器芯管出现故障的概率，大大提高了加速器的工作效率。与现有技术的采用电子束流探针进行检测和校正的方法相比，本发明的技术方案只需根据芯管的温度变化即可检测出束流中心轨道是否偏移，而无需通过复杂的运算来获取束流的水平和垂直方向的位置信息X、Y，因而操作过程更加简单，而且与电子束流探针相比，测温元件的成本更低。

附图说明

图1为本发明中的测温元件的一个实施例的安装示意图；

图1A为本发明中的测温元件的另一个实施例的安装示意图；

图2为本发明的束流中心轨道偏移的检测系统的结构框图；

图3为图2中的检测系统的工作流程图；

图4为本发明的束流中心轨道偏移的校正系统的结构框图；

图5为图4中的测温元件和导向线圈的安装示意图；

图6为图2中的校正系统的工作流程图；

图7为本发明采用的CMAC-PID复合控制器的结构框图；

图8为导向线圈中的导向电流与温度的变化关系曲线图。

具体实施方式

下面根据附图1-6，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

在如图1所示的实施例中，高压型加速器的芯管14的横截面为矩形，当加速器正常运行时，束流的中心轨道位于芯管14的中心位置，芯管14的温度基本属于常温水平。然而，如背景技术所述，如果束流的中心轨道发生偏移，则其很容易打在芯管14的内壁上，而当其打在芯管14的内壁上时，将导致芯管14侧壁的温度明显升高。基于此，本发明提供了通过测量芯管14侧壁的温度变化来间接检测束流是否偏移并打在芯管14内壁上的系统和方法。

结合图1和图2可知，本发明的检测系统包括四个测温元件21-24、电连接至测温元件21-24的温度变送器3、以及电连接至温度变送器3的偏移检测装置4，其中，优选四个测温元件21-24分别贴设在芯管14外壁的四个面的中心位置，即测温元件21、23贴设在芯管14的X轴方向，测温元件22、24贴设在芯管14的Y轴方向。

当然，现有高压型加速器的芯管14的横截面还可以是圆形(如图1A所示)，当加速器正常运行时，束流的中心轨道位于圆管的中心位置，优选四个测温元件21-24分别位于圆管的两个相互垂直的对称轴上，即测温元件21、23贴设在芯管14的X轴方向，测温元件22、24贴设在芯管14的Y轴方向。应该理解，本发明对高压型加速器的芯管14形状并不限定，即，芯管14可以为其它形状时，当芯管14为其它形状时，优选将测温元件21-24设置在芯管14外壁的两个相互垂直的对称轴上。

图3示出了本发明的检测系统的工作流程图，其包括以下步骤：

步骤S12，通过测温元件21-24检测芯管14侧壁的各个面的温度值，并将检测到的温度值输出至控制室(图中未示出)内的温度变送器3中；

步骤S13，通过温度变送器3将接收到的温度值转换成相应的4～20mA的电流信号或者0～5V的电压信号，并将转换成的电流信号或电压信号输出至加速器控制系统(图中未示出)的偏移检测装置4中；

步骤S14，通过偏移检测装置4计算温度变送器3转换成的电流信号或电压信号减去预定阈值的差值，如果该差值大于0，则表示束流中心轨道的位置发生了偏移并打在了芯管14的侧壁上，因而其输出一偏移信号。应该理解的是，在本步骤中，由于一年四季的温差较大，所以预定阈值的选取范围不是固定的，一般取高于当前温度5℃左右的温度值所对应的电流值或电压值，当然，取其它合适的值也是可以的。

通过上述分析可知，本发明的检测系统可以简单、有效地实现束流中心轨道偏移的间接检测。

本发明的另一个目的在于：当通过上述方案检测到束流中心轨道发生偏移时，调整其偏移量以使其回复到芯管14的中心位置。为此，本发明提供了一校正系统以对束流中心轨道的偏移量进行自动调整。

如图4所示，本发明的校正系统是在前述检测系统的基础上实现的，除了前述检测系统以外，其还包括：安装在芯管14上方的传输通道1外壁上(如图5所示，安装在芯管14上方的漂移管12外壁上，与芯管14相距约1.5米)的X向导向线圈61和Y向导向线圈62、以及电连接在偏移检测装置4与两个导向线圈61、62之间的导向电流控制器5，且该导向电流控制器5也设置在加速器控制系统中，并优选与偏移检测装置4集成在同一MCU芯片中。

优选地，X向导向线圈61和Y向导向线圈62均设置在距芯管14顶部1.5米左右的位置，其中，X向导向线圈61通上电后产生Y轴方向的磁场，因而当调节其导向电流的大小时，可以调整束流中心轨道在芯管14的X轴方向的偏移量；同理，Y向导向线圈62通上电后产生X轴方向的磁场，因而当调节其导向电流的大小时，可以调整束流中心轨道在芯管14的Y轴方向的偏移量。

图5示出了本发明的校正系统的工作流程图，如图所示，其步骤S22、S23和S24与上述检测方法的步骤S12、S13和S14一一对应，除此以外，还包括增加的步骤S25来实现自动校正，即，当导向电流控制器5接收到偏移检测装置4输出的偏移信号后，将根据偏移检测装置4计算的差值调整X向导向线圈61和Y向导向线圈62中的导向电流的大小，从而将束流中心轨道调整回芯管14的中心位置。具体来说，如果检测到束流中心轨道沿X轴方向偏移，则相应地调整X轴导向线圈的电流大小；如果检测到束流中心轨道沿Y轴方向偏移，则相应地调整Y轴导向线圈的导向电流；如果检测到束流中心轨道沿其它方向偏移，则同时调整X轴和Y轴导向线圈61和62的相应导向电流大小，从而将束流的中心轨道校正回芯管14的中心位置。

值得注意的是，在本发明中，由于束流的束晕打在芯管14的内壁上时，该位置的温度变化需要经过热量累积后才能升高，因而在进行间接检测时，必须为上述检测和校正系统引入延时环节(大约有1～3s左右延时)，所以在算法的研究和选择上需要考虑到延时因素。基于此，本发明的导向电流控制器5优选采用CMAC-PID复合控制器实现，如图6所示，该CMAC-PID复合控制器是指基于CMAC(小脑模型神经网络)控制器51和PID(比例、积分、微分)控制器52的复合控制器5。其中，CMAC控制器51包括量化模块511、地址映射模块512、CMAC记忆模块513、CMAC函数计算模块514和学习模块515，在此用以实现前馈控制，以完成被控对象(即X向导向线圈61和Y向导向线圈62的导向电流)的逆动态模型，PID控制器52实现反馈控制，以保证系统稳定性且抑制扰动。由于CMAC-PID复合控制器为控制领域常用的技术手段，故在此不再对其结构进行赘述，下面结合图6简要介绍其所采用的CMAC-PID复合控制算法：

一方面，选取合适的参考温度(一般高于芯管14的当前温度5℃左右)作为CMAC控制器51的输入变量rin，该参考温度经过量化模块511和地址映射模块512的量化处理和地址映身处理后，与学习模块515输出的经过学习的数据一起输出至CMAC记忆模块513，经过CMAC记忆模块513处理后再输出至CMAC函数计算模块514，最后由CMAC函数计算模块514进行计算并输出相应的CMAC控制变量un；另一方面，将参考温度rin与测温元件21-24检测到的实际温度yout之间的误差作为PID控制器52的输入变量，经过PID控制器52处理之后，其输出相应的PID控制变量up，然后通过将PID控制变量up与CMAC控制变量un求和以获得整个CMAC-PID复合控制器5的总控制输出u。

应该理解，在本发明中，图6中的对象6是指X轴和Y轴导向线圈61和62，CMAC-PID复合控制器输出至对象5的总控制输出u即为X轴或Y轴导向线圈61和62中的导向电流。在控制过程的开始阶段，CMAC控制变量un为零，PID控制变量up即作为总控制输出u；然而，由于CMAC控制器51在每一个控制周期结束时会将其输出的un与总控制输出u进行比较并输出至学习模块515中以修正权值并进入学习过程，其中，学习的目的是为了使总控制输出u与CMAC控制器51输出的un之间的差最小；因此，经过一段时间的学习过程，CMAC控制器51输出的un将逐渐逼近总控制输出u，同时PID控制器52输出的up将逐渐为零。

优选地，本发明中的CMAC-PID复合控制器5的硬件平台基于PLC实现，当然也可以基于其它MCU实现。

下面简要介绍CMAC-PID复合控制算法中的数学原理：

由于CMAC控制器51是一种表达非线性映射的表格系统，它的学习只存在线性映射部分，因而可采用简单的δ算法，另外其收敛速度快，且不存在局部最小值问题。因此，采用CMAC-PID复合控制器5进行束流中心轨道的自动校正可以充分发挥CMAC控制器51输出误差小、实时性好、鲁棒性强等特点。其中，CMAC控制器51的调整指标为：

u(k)＝u_n(k)+u_p(k) (1)

$u_n\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{\mathrm{\α}}_i---\left(2\right)$

$E\left(k\right)=\frac{1}{2}{(u_n\left(k\right)-u\left(k\right))}^2\·\frac{1}{c}---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δw}}_i=-\mathrm{\η}\frac{\∂E\left(k\right)}{{\∂w}_i}=\mathrm{\η}\frac{u_n\left(k\right)-u\left(k\right)}{c}=\mathrm{\η}\frac{u_p\left(k\right)}{c}{\mathrm{\α}}_i---\left(4\right)$

w_i(k)＝w_i(k-1)+Δw_i(k)+α(w_i(k)-w_i(k-₁)) (5)

在式(1)-(5)中，u_n(k)为CAMC控制器51的输出，u_p(k)为PID控制器52的输出，u(k)为CAMC控制器51和PID控制器52的总输出，_E(k)为CAMC控制器51的学习目标函数，w_i(k)为CAMC控制器51的第i个储存单元的权值，α_i为二进制选择向量；c为CMAC控制器52的泛化函数，_η为CAMC控制器52的学习速率，且η∈(0,1)，α为惯性常量，α∈(0,1)。

此外，众所周知的是，PID控制器52的算式为:

u(k)＝u(k-1)+K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](6)

其中，K_p、K_i和K_d分别为比例、积分和微分系数。

最后，通过以下具体实例来进行验证本发明的间接检测方案和自动校正方案是否能够实现发明目的：

以3.0MV的高压型加速器为例，初始化时，PID控制器52的参数选择如下K_p＝0.05、K_i＝0.00005、K_d＝0.004，CMAC控制器51的参数选择如下：泛化函数c＝5，学习速率η＝0.1，惯性速率α＝0.1；CMAC-PID复合控制器5的硬件平台采用PLC，控制程序的执行周期为1s。

基于上述参数设置，Y轴导向线圈62的导向电流大小与芯管14侧壁的温度变化关系如图7所示。

在图7中，芯管14侧壁的温度曲线变化比较清楚地表明了对束流中心轨道的自动校正的效果。具体来说，在最初的0～50s，束流中心轨道在接近芯管14的中心位置通过，此时Y轴导向线圈中的导向电流为1.0A，Y轴正方向的测温元件22所检测的温度Ty+为32℃，Y轴负方向的测温元件22所检测的温度Ty-在31～32℃之间；在大约第60s时，人为的将Y轴导向线圈中的导向电流变为0.5A；经过大约十几秒的时间，Ty+的温度上升到75℃左右，此时，偏移检测装置4一直在监控温度的变化，当温度异常后，其立即向CMAC-PID复合控制器5输出偏移信号，以通知其调节Y轴导向线圈中的导向电流；通过CMAC-PID复合控制器5的大约40S的调节，Y轴导向线圈中的导向电流调回1.0A左右，Ty+和Ty-的值基本将回复到初始温度，此时表明束流中心轨道基本校正回芯管14的中心位置，调节过程基本完成。

可见，经过本发明所述的检测和校正方案，可以简单、有效地对束流中心轨道进行检测和校正，从而保证芯管14不被束流损坏。

需要说明的是，对于束流中心轨道虽然偏移一定角度但并未打在芯管14的内壁上的情况并不属于本发明所要解决的技术问题，本发明是基于保护芯管14不被损坏为主旨进行的设计。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (5)

1.一种束流中心轨道偏移的校正系统，其特征在于，该校正系统包括：

一束流中心轨道偏移的检测系统，用于检测高压型加速器中的束流是否打在束流传输通道的芯管的内壁上，该检测系统包括：

安装在所述芯管的外壁上以检测所述芯管的温度值的四个测温元件；

电连接至所述测温元件的温度变送器，其用于将所述测温元件检测到的所述温度值转换成相应的电流信号或电压信号；以及电连接至所述温度变送器的偏移检测装置，其用于计算所述电流信号或电压信号减去预定阈值的差值，并在所述差值大于0时输出一偏移信号；

该校正系统还包括：安装在所述芯管上方的传输通道外壁上以调整所述束流中心轨道的偏移量的导向线圈；以及电连接在所述偏移检测装置与所述导向线圈之间的导向电流控制器，其根据所述偏移检测装置计算的所述差值调整所述导向线圈中的导向电流，以使所述导向线圈将所述束流中心轨道调整回所述芯管的中心位置。

2.根据权利要求1所述的束流中心轨道偏移的校正系统，其特征在于，所述导向电流控制器为CMAC-PID复合控制器。

3.根据权利要求1或2所述的束流中心轨道偏移的校正系统，其特征在于，所述导向电流控制器与所述偏移检测装置集成在同一微控制芯片中。

4.一种束流中心轨道偏移的校正方法，其特征在于，该校正方法包括以下步骤：

步骤S21，提供根据权利要求1所述的束流中心轨道偏移的校正系统；

步骤S22，通过所述测温元件检测所述芯管的温度值；

步骤S23，通过所述温度变送器将所述测温元件检测到的所述温度值转换成相应的电流信号或电压信号；

步骤S24，通过所述偏移检测装置计算所述电流信号或电压信号减去所述预定阈值的差值，如果所述差值大于0，则向所述导向电流控制器输出所述偏移信号；

步骤S25，当所述导向电流控制器接收到所述偏移信号后，其根据所述偏移检测装置计算的所述差值调整所述导向线圈中的导向电流，以使所述导向线圈将所述束流中心轨道调整回所述芯管的中心位置。

5.根据权利要求4所述的束流中心轨道偏移的校正方法，其特征在于，在所述步骤S25中，所述导向电流控制器采用CMAC-PID复合控制算法调整所述导向线圈中的导向电流。