CN106547278A - 一种离子源束流诊断用张角测量仪控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种离子源束流诊断用张角测量仪控制系统，包括连接显示控制设备的PLC模块，PLC模块与设置在同位素电磁分离器上的离子源束流诊断用张角测量仪相连；离子源束流诊断用张角测量仪包括第一探头、第二探头；还包括能够带动第一探头翻转、带动第二探头做二维运动的探头运动装置；PLC模块能够采集、记录第一探头、第二探头的空间位置信号和第一探头、第二探头探测到的电流信号；显示控制设备用于显示探头运动装置的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制探头运动装置的控制指令、并通过PLC模块控制探头运动装置的运行。

Description

一种离子源束流诊断用张角测量仪控制系统

技术领域

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种离子源束流诊断用张角测量仪控制系统。

背景技术

电磁分离方法在同位素分离领域具有不可或缺的地位，电磁分离法是利用能量相同、质量不同的离子在横向磁场中旋转半径不同实现同位素分离的。同位素电磁分离器就是采用电磁分离方法分离得到同位素的设备。待分离的离子束从同位素电磁分离器的离子源中引出，经同位素电磁分离器中的磁场分离，再被接收装置接收，完成同位素的分离工作。

其中，本发明所采用的同位素电磁分离器的分析磁场对离子束张角在14.5°以内的离子束能够实现方向聚焦，可以进行同位素分离，否则离子束散焦，不能实现同位素分离。所以需要对离子源束流张角进行测量。

本发明所采用的离子源是弧放电离子源，具有三电极引出系统，离子束是由离子源出口缝通过三电极系统引出的。离子束在纵向会聚束，有利于纵向聚焦(由电极曲率决定的)，横向是发散束，张角为d，张角α是由引出系统参数和放电参数决定的，它不是恒定量，而是随着引出参数，放电参数变化，即随着引出的离子束的束流的大小而变化，通过张角测量可以获得离子源各参数对张角的影响，为获得最佳的分离运行参数提供依据。

在本发明所采用的同位素电磁分离器中，设置有张角测量仪，专门用于离子束的张角的测量。

发明内容

张角测量仪需要配备专门的控制系统，以便控制张角测量仪对张角的测量操作，控制张角测量仪的各个部件的运行，获得实时的离子束张角的测量数据及其二维分布显示。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种离子源束流诊断用张角测量仪控制系统，包括连接有显示控制设备的PLC模块，其中，所述PLC模块与设置在同位素电磁分离器上的离子源束流诊断用张角测量仪相连；所述离子源束流诊断用张角测量仪包括第一探头、第二探头，所述第一探头探测到的电流信号能够获得所述同位素电磁分离器分离后的离子束的束流流强，所述第二探头探测到的电流信号能够获得所述离子束的束流的空间密度分布，通过所述空间密度分布能够得到所述离子束的束流张角；还包括能够带动所述第一探头翻转、带动所述第二探头做二维运动的探头运动装置；所述PLC模块能够采集、记录所述第一探头、第二探头的空间位置信号和所述第一探头、第二探头探测到的电流信号；所述显示控制设备用于显示所述探头运动装置的运动和位置数据、所述PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述探头运动装置的控制指令、通过所述PLC模块控制所述探头运动装置的运行。

进一步，所述探头运动装置包括控制所述第一探头进行翻转的第一步进电机、控制所述第二探头进行二维运动的第二步进电机、第三步进电机。

进一步，所述离子束在Y轴方向上收拢，在X轴方向上发散，所述Y轴方向为所述离子束的发射方向，所述探头运动装置能够带动所述第二探头的二维运动范围包括沿所述X轴方向运动±115mm，沿垂直于所述X轴、Y轴的Z轴方向运动±100mm。

进一步，通过所述显示控制设备输入的控制指令包括：

设置所述第二步进电机、第三步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取第二步进电机、第三步进电机的当前的位置坐标、运行速度；

控制所述第二步进电机、第三步进电机的运动与停止，实现所述第二探头的二维运动；

还包括：

设置所述第一步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取所述第一步进电机的当前的位置坐标、运行速度；

控制所述第一步进电机的运动与停止，实现所述第一探头的翻转。

进一步，所述显示控制设备显示的所述探头运动装置的运动和位置数据、所述PLC模块获得的信号数据包括：

所述第二步进电机、第三步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述第二步进电机、第三步进电机的当前的位置坐标、运行速度；

所述第二探头探测得到的所述离子束的电流信号，所述电流信号包括所述离子束的电流值、电压值；

对所述电流值、电压值进行处理后形成的与所述第二探头的所述空间位置信号一一对应的束流密度分布图像；

还包括：

所述第一步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述第一步进电机的当前的位置坐标、运行速度；

所述第一探头探测得到的所述离子束的电流信号，所述电流信号包括所述离子束的电流值。

进一步，还包括对所述第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机进行屏蔽。

更进一步，所述屏蔽的方式为磁屏蔽。

进一步，所述离子源束流诊断用张角测量仪还包括安装法兰，所述安装法兰上设有航空插头，通过所述航空插头实现对信号的接入和测控，所述信号包括：所述第一探头、第二探头探测到的所述电流信号；所述探头运动装置的所述运动和位置数据、所述PLC模块获得的所述信号数据、用于控制所述探头运动装置的所述控制指令。

本发明的有益效果在于：

1.能够通过控制步进电机实现对探头位置的精确控制，解决了在测量大张角的情况下因为探头位置不精确造成的测量结果的不确定性的问题。

2.可精确在线测量离子束的束流密度分布，可精确测量的离子束的张角达到±14.5°。

3.通过磁屏蔽以及对步进电机位置的控制，解决了同位素电磁分离器中的磁场对步进电机的影响而导致的测量不精确的问题。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用张角测量仪控制系统的结构框图；

图2是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用张角测量仪的原理图；

图3是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用张角测量仪的前视图；

图4是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用张角测量仪的俯视图；

图5是本发明具体实施方式中所述第二探头驱动结构的示意图；

图6是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用张角测量仪的测量数据示意图；

图7是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用张角测量仪的侧视图；

图中：1-安装法兰，2-丝杠驱动器，3-第二探头驱动轴，4一第一探头驱动轴，5-第二探头，6-第一探头，7-第二探头驱动结构，8-真空室壁，9-离子束，10-引出缝，11-真空室，12-传动齿轮，13-传动杆，14-探头驱动杆，15-变向传动齿轮，16-探头螺纹导杆，17-探头安装杆，18-第一步进电机，19-第二步进电机，20-第三步进电机，21-航空插头，22-观察窗。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种离子源束流诊断用张角测量仪控制系统，包括连接有显示控制设备的PLC模块，其中，PLC模块与设置在同位素电磁分离器上的离子源束流诊断用张角测量仪相连。在本实施例中，显示控制设备采用触摸屏。

如图2-4所示，离子源束流诊断用张角测量仪包括第一探头6、第二探头5，第一探头6探测到的电流信号能够获得同位素电磁分离器分离后的离子束的束流流强，第二探头5探测到的电流信号能够获得离子束的束流的空间密度分布，通过空间密度分布能够得到离子束的束流张角；还包括能够带动第一探头6翻转、带动第二探头5做二维运动的探头运动装置；PLC模块能够采集、记录第一探头6、第二探头5的空间位置信号和第一探头6、第二探头5探测到的电流信号；显示控制设备用于显示探头运动装置的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制探头运动装置的控制指令、并通过PLC模块向探头运动装置发送控制指令，控制探头运动装置的运行。

如图2所示，离子束9在Y轴方向上收拢，在X轴方向上发散，所述Y轴方向为离子束9的发射方向。其中，第二探头5设置在靠近引出缝10的位置，第一探头6远离引出缝10(第二探头5在引出缝10和第一探头6之间)。在本实施例中，在y＝110mm，或y＝150mm处，在z＝0的中心平面安装第二探头5(也就是以引出缝10为坐标系的原点，将第二探头5设置在引出缝10之前110mm或者150mm处)，沿X轴方向(即近似的垂直于离子束9的行进方向)扫描，测出离子束9沿X轴方向的电流密度分布j(x)，并由j(x)确定离子束9的张角。

第二探头5通过探头运动装置设置在真空室11内，探头运动装置能够带动第二探头5运动，第二探头5的二维运动范围包括沿X轴方向运动±115mm，沿垂直于X轴、Y轴的Z轴方向运动±100mm。

第一探头6通过探头运动装置设置在真空室11内；探头运动装置能够使第一探头6翻转到偏离离子束9的位置，不影响离子源的正常出束，不遮挡离子束9的束流。第一探头6由一个大法拉第筒构成，大法拉第筒能够测量的束流流强达到50mA。大法拉第筒采用水冷冷却。在本实施例中，第一探头6的大法拉第筒的翻转角度为90°。

如图2-图4所示，探头运动装置通过安装法兰1设置在同位素电磁分离器上。探头运动装置贯穿设置在同位素电磁分离器的真空室11上，采用旋转动密封实现探头运动装置在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿。探头运动装置包括：

控制第一探头6进行翻转运动的第一步进电机18、控制第二探头5进行二维运动的第二步进电机19、第三步进电机20。

连接并带动第一探头6运动的第一探头驱动轴4，第一步进电机18设置在第一探头驱动轴4一端(非真空环境中)，在第一步进电机18的驱动下第一探头驱动轴4能够使第一探头6翻转到偏离离子束9的位置；

还包括连接并带动第二探头5运动的丝杠驱动器2、第二探头驱动轴3、第二探头驱动结构7等，能够带动第二探头5沿X轴方向运动±115mm；其中，第二步进电机19设置在第二探头驱动轴3一端(非真空环境中)，第三步进电机20设置在丝杠驱动器2一端(非真空环境中)。

其中第二探头驱动结构7(如图5所示)又包括：传动齿轮12、传动杆13、探头驱动杆14、变向传动齿轮15、探头螺纹导杆16和探头安装杆17；第二探头5通过第二探头驱动结构7与丝杠驱动器2、第二探头驱动轴3相连，并能够在第二探头驱动结构7的带动下完成沿垂直于X轴、Y轴的Z轴方向运动±100mm的运动控制。

显示控制设备输入的、并通过PLC模块向探头运动装置发送的控制指令包括：

设置与第二探头5相连的第二步进电机19、第三步进电机20的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取与第二探头5相连的第二步进电机19、第三步进电机20的当前的位置坐标、运行速度；

控制与第二探头5相连的第二步进电机19、第三步进电机20的运动与停止，实现第二探头5的二维运动；

还包括：

设置与第一探头6相连的第一步进电机18的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取与第一探头6相连的第一步进电机18的当前的位置坐标、运行速度；

控制与第一探头6相连的第一步进电机18的运动与停止，实现第一探头6的翻转。

显示控制设备显示的探头运动装置的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据包括：

与第二探头5相连的第二步进电机19、第三步进电机20的目标位置坐标、运行速度、步数；

与第二探头5相连的第二步进电机19、第三步进电机20的当前的位置坐标、运行速度；

第二探头5探测得到的离子束的电流信号，电流信号包括离子束的电流值、电压值；

对电流值、电压值进行处理后形成的与第二探头5的空间位置信号一一对应的束流密度分布图像(如图6所示)；

还包括：

与第一探头6相连的第一步进电机18的目标位置坐标、运行速度、步数；

与第一探头6相连的第一步进电机18的当前的位置坐标、运行速度；

第一探头6探测得到的离子束的电流信号，电流信号包括离子束的电流值。

还包括对与第二探头5相连的第二步进电机19、第三步进电机20以及与第一探头6相连的第一步进电机18进行屏蔽。屏蔽的方式为磁屏蔽。

由于步进电机根据带电导线切割磁力线而运动，强磁场会改变步进电机内原有的磁场大小和方向，使步进电机不能正常运转。磁屏蔽可以避免外界磁力线进入步进电机而保证步进电机正常工作；控制步进电机与电磁铁的位置，可使步进电机在磁场微弱到不足以产生干扰的位置工作。

离子源束流诊断用张角测量仪上还包括安装法兰1(通过安装法兰1将离子源束流诊断用张角测量仪安装在同位素电磁分离器的真空室11上)，如图7所示，安装法兰1上设有航空插头21，通过航空插头21实现对信号的接入和测控，信号包括：第一探头6、第二探头5探测到的电流信号；探头运动装置的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据、用于控制探头运动装置的控制指令。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (8)

1.一种离子源束流诊断用张角测量仪控制系统，包括连接有显示控制设备的PLC模块，其特征是：所述PLC模块与设置在同位素电磁分离器上的离子源束流诊断用张角测量仪相连；所述离子源束流诊断用张角测量仪包括第一探头(6)、第二探头(5)，所述第一探头(6)探测到的电流信号能够获得所述同位素电磁分离器分离后的离子束的束流流强，所述第二探头(5)探测到的电流信号能够获得所述离子束的束流的空间密度分布，通过所述空间密度分布能够得到所述离子束的束流张角；还包括能够带动所述第一探头(6)翻转、带动所述第二探头(5)做二维运动的探头运动装置；所述PLC模块能够采集、记录所述第一探头(6)、第二探头(5)的空间位置信号和所述第一探头(6)、第二探头(5)探测到的电流信号；所述显示控制设备用于显示所述探头运动装置的运动和位置数据、所述PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述探头运动装置的控制指令、通过所述PLC模块控制所述探头运动装置的运行。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征是：所述探头运动装置包括控制所述第一探头(6)进行翻转的第一步进电机(18)、控制所述第二探头(5)进行二维运动的第二步进电机(19)、第三步进电机(20)。

3.如权利要求2所述的控制系统，其特征是：所述离子束(9)在Y轴方向上收拢，在X轴方向上发散，所述Y轴方向为所述离子束(9)的发射方向，所述探头运动装置能够带动所述第二探头(5)的二维运动范围包括沿所述X轴方向运动±115mm，沿垂直于所述X轴、Y轴的Z轴方向运动±100mm。

4.如权利要求3所述的控制系统，其特征是，通过所述显示控制设备输入的控制指令包括：

设置所述第二步进电机(19)、第三步进电机(20)的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取第二步进电机(19)、第三步进电机(20)的当前的位置坐标、运行速度；

控制所述第二步进电机(19)、第三步进电机(20)的运动与停止，实现所述第二探头(5)的二维运动；

还包括：

设置所述第一步进电机(18)的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取所述第一步进电机(18)的当前的位置坐标、运行速度；

控制所述第一步进电机(18)的运动与停止，实现所述第一探头(6)的翻转。

5.如权利要求4所述的控制系统，其特征是，所述显示控制设备显示的所述探头运动装置的运动和位置数据、所述PLC模块获得的信号数据包括：

所述第二步进电机(19)、第三步进电机(20)的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述第二步进电机(19)、第三步进电机(20)的当前的位置坐标、运行速度；

所述第二探头(5)探测得到的所述离子束的电流信号，所述电流信号包括所述离子束的电流值、电压值；

对所述电流值、电压值进行处理后形成的与所述第二探头(5)的所述空间位置信号一一对应的束流密度分布图像；

还包括：

所述第一步进电机(18)的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述第一步进电机(18)的当前的位置坐标、运行速度；

所述第一探头(6)探测得到的所述离子束的电流信号，所述电流信号包括所述离子束的电流值。

6.如权利要求5所述的控制系统，其特征是：还包括对所述第一步进电机(18)、第二步进电机(19)、第三步进电机(20)进行屏蔽。

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征是：所述屏蔽的方式为磁屏蔽。

8.如权利要求5所述的控制系统，其特征是，所述离子源束流诊断用张角测量仪还包括安装法兰(1)，所述安装法兰(1)上设有航空插头(21)，通过所述航空插头(21)实现对信号的接入和测控，所述信号包括：所述第一探头(6)、第二探头(5)探测到的所述电流信号；所述探头运动装置的所述运动和位置数据、所述PLC模块获得的所述信号数据、用于控制所述探头运动装置的所述控制指令。