CN107064991B - 一种离子源束流诊断用发射度仪控制系统 - Google Patents

一种离子源束流诊断用发射度仪控制系统 Download PDF

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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发射度仪控制系统，包括连接有显示控制设备的PLC模块，PLC模块与设置在同位素电磁分离器的接收器上的离子源束流诊断用发射度仪相连；离子源束流诊断用发射度仪包括设置有探头的运动支撑机构，运动支撑机构能够使探头在位于同位素电磁分离器的真空室内的引出电极的引出缝附近做往复直线运动，探头能够测量离子束的电流信号；还包括连接探头的扫描电源；PLC模块用于控制动支撑机构、扫描电源、处理探头所获得的电流信号；显示控制设备用于显示运动支撑机构的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制运动支撑机构的控制指令、通过PLC模块控制运动支撑机构的运行。

Description

一种离子源束流诊断用发射度仪控制系统
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发射度仪控制系统。
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射出，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。
在这一分离过程中，需要测量同位素电磁分离器中离子束的束流在位置与动量的相空间上的分布。分布的面积为束流的发射度，用以表征束流的品质。离子源是同位素电磁分离器的关键设备(本发明所针对的是低能强流弧放电离子源，简称“离子源”)，束流的发射度是离子源设计的关键因素之一，对离子源像宽的影响很大，因此需要进行发射度的测量，在运行过程中，有时也需要实时测量发射度。为完成发射度测量，在同位素电磁分离器上设置有相应的发射度仪，用于离子束发射度的测量。
在测量过程中，需要对发射度仪进行有效的控制，有必要设计针对发射度仪的专用控制系统。
发明内容
针对发射度仪的控制，设计的一套专用的控制系统，能够实现测量的位置运动，测量束流空间分布，并实现对所测得的信号进行归一化处理，给出归一化发射度。
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发射度仪控制系统,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的接收器上的离子源束流诊断用发射度仪相连；所述离子源束流诊断用发射度仪包括设置有探头的运动支撑机构，所述运动支撑机构能够使所述探头在位于所述同位素电磁分离器的真空室内的引出电极的引出缝附近做往复直线运动，所述探头能够测量所述离子束的电流信号；还包括连接所述探头的扫描电源；所述PLC模块用于控制所述动支撑机构、扫描电源、处理所述探头所获得的所述电流信号；
所述显示控制设备用于显示所述运动支撑机构的运动和位置数据、所述PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述运动支撑机构的控制指令、通过所述PLC模块控制所述运动支撑机构的运行。
进一步，所述运动支撑机构设置在所述真空室上，包括连接步进电机和螺母的丝杠，还包括与所述螺母相连、一端穿入所述真空室的传动杆、设置在所述真空室内的所述传动杆的一端的探头支架，所述探头安装在所述探头支架上，还包括把所述传动杆设置在所述真空室上的安装法兰，所述传动杆能够在所述步进电机的驱动下带动所述探头做往复直线运动，其中，所述传动杆采用密封的波纹管实现所述运动支撑机构在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿，所述传动杆在所述真空室中的往复直线运动的行程能够达到±105mm。
进一步，通过所述显示控制设备输入的控制指令包括：
当前束流参数；
探头参数；
对所述扫描电源的开启、关闭；
对所述运动支撑机构的所述步进电机的电源开启、关闭；
设置所述步进电机的运行速度；
使所述传动杆复位至初始状态；
设定所述探头的当前位置；
设定所述探头的目标位置；
控制所述探头回到所述当前位置；
设置所述步进电机的起始位置；
设置所述步进电机的终止位置；
设置所述离子源束流诊断用发射度仪的空间分辨率的单位；
对所述步进电机启动、关闭；
控制所述步进电机按照所述空间分辨率的单位前进一步。
进一步，所述显示控制设备显示的所述运动支撑机构的运动和位置数据、所述PLC模块获得的所述信号数据包括：
探头参数；
所述扫描电源的开启、关闭；
所述运动支撑机构的所述步进电机的电源开启、关闭；
所述步进电机的运行速度；
所述传动杆复位至初始状态；
所述探头的当前位置；
所述探头的目标位置；
所述步进电机的起始位置；
所述步进电机的终止位置；
所述离子源束流诊断用发射度仪的空间分辨率的单位；
所述步进电机启动、关闭；
所述离子束的束流密度分布图像；
发射度相图；
发射度数值。
进一步，还包括三个指示灯，分别为电源指示灯、待机指示灯、运行指示灯，所述电源指示灯恒亮表示所述控制系统通电良好，所述待机指示灯恒亮表示所述步进电机未动作或停止了动作，所述运行指示灯恒亮表示所述步进电机正在运行。
更进一步，所述待机指示灯与所述运行指示灯不同时点亮。
本发明的有益效果在于：
1.通过控制系统实现了对扫描电源的全电压扫描，并形成反馈。
2.通过步进电机实现了探头位置的精确定位，可精密在线测量束流密度分布，可精确测量的束流张角达到±14.5°，测量束流功率达1.5kW，解决了在测量大张角大功率束流的情况下，探头位置不精确导致的测量结果的不确定性的问题。
3.通过程序实现了归一化发射度的计算。
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发射度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发射度仪的示意图；
图3是本发明具体实施方式中所述探头的原理示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述X’来代替p所获得的发射度测量数据示意图；
图中：1-步进电机，2-螺母，3-丝杠，4-传动杆，5-安装法兰，6-探头，7-真空室壁，8-探头支架，9-真空室，10-离子束，11-低电位极板，12-高电位极板，13-前缝口板，14-前缝口，15-后缝口，16-法拉第筒，17-抑制电极。
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。
关于发射度仪的原理
本发明所连接的离子源束流诊断用发射度仪(简称“发射度仪”)主要用于测量同位素电磁分离器中的离子束束流在位置与动量的相空间上的分布(离子束从同位素电磁分离器的Calutron离子源中经引出电极的引出缝射出)，分布的面积为束流的发射度，用以表征束流的品质。因此，需要测量相空间上各点(Xi,pj)上粒子数密度(用束流密度表征)。然而，X方向上的动量分量不能直接测量，需要转换成可直接测量的物理量：
p＝mvx＝mv0sinθ (1)
其中，p为X方向上的动量，m是离子的质量，V0是束流总速度，取决于加速电压Va；
1/2mv0 2＝eVa (2)
其中，e为数学常数；
一般保持不变。可以通过测量sinθ来获得p。在θ较小的情况下，
dX是x轴方向的空间微分，dZ是z轴方向的空间微分
此时可用X’来代替p，所获得的发射度测量数据类似于图4所示。
发射度的原理主要表现在探头上，即扫描电压值与θ的对应关系。探头由上下平行的低电位极板11和高电位极板12、前缝口14、后缝口15、抑制电极17、法拉第筒16等组成(见图3)。如图3所示在每个偏转电压(即扫描电压)下，都唯一对应一个θ，只有入射角度为θ的离子才能通过前缝口14、后缝口15，被法拉第筒16接收。法拉第筒16的接收电流表征入射角为θ的离子数量。低电位极板11、高电位极板12之间的间距为D，低电位极板11、高电位极板12长度为L，低电位极板11、高电位极板12上加载的扫描电压用V表示。
根据通过前缝口14、后缝口15的离子轨迹及公式(2)，得到：
因此，根据公式(4)，可以通过扫描电压来获得所有θ下离子的密度分布，得到的扫描结果如图4所示，图4中的Im为探头测量的电流信号。
探头中还包括设置在后缝口15、法拉第筒16之间的抑制电极17(见图3)，抑制电极17加载抑制电压用于抑制二次电子的逃逸。抑制电压为300V。在存在磁场的情况下，二次电子被磁力线约束，可不需要抑制电极。
本发明提供的一种离子源束流诊断用发射度仪控制系统(简称控制系统),包括连接有显示控制设备的PLC模块(见图1)，其中，PLC模块与设置在同位素电磁分离器的接收器上的离子源束流诊断用发射度仪相连；离子源束流诊断用发射度仪(见图2)包括设置有探头6的运动支撑机构，运动支撑机构能够使探头6在位于同位素电磁分离器的真空室9内的引出电极的引出缝附近做往复直线运动(引出电极位于离子源的头部，离子源中的离子束从引出电极上的引出缝中射出)，探头6能够测量离子束的电流信号；还包括连接探头6的扫描电源；PLC模块用于控制动支撑机构、扫描电源、处理探头6所获得的电流信号。
显示控制设备用于显示运动支撑机构的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制运动支撑机构的控制指令、通过PLC模块控制运动支撑机构的运行。在本实施例中，显示控制设备为触控屏。
如图2所示，运动支撑机构设置在真空室9上，包括连接步进电机1和螺母2的丝杠3，还包括与螺母2相连、一端穿入真空室9的传动杆4、设置在真空室9内的传动杆4的一端的探头支架8，探头6安装在探头支架8上，还包括把传动杆4设置在真空室9上的安装法兰5，传动杆4能够在步进电机1的驱动下带动探头6做往复直线运动，其中，传动杆4采用密封的波纹管实现运动支撑机构在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿，传动杆4在真空室9中的往复直线运动的行程能够达到±105mm。
通过显示控制设备输入的控制指令包括：
当前束流参数；
探头参数；
对扫描电源的开启、关闭；
对运动支撑机构的步进电机的电源开启、关闭；
设置步进电机的运行速度；
使传动杆复位至初始状态；
设定探头的当前位置；
设定探头的目标位置；
控制探头回到当前位置；
设置步进电机的起始位置；
设置步进电机的终止位置；
设置离子源束流诊断用发射度仪的空间分辨率的单位；
对步进电机启动、关闭；
控制步进电机按照空间分辨率的单位前进一步。
显示控制设备显示的运动支撑机构的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据包括：
探头参数；
扫描电源的开启、关闭；
运动支撑机构的步进电机的电源开启、关闭；
步进电机的运行速度；
传动杆复位至初始状态；
探头的当前位置；
探头的目标位置；
步进电机的起始位置；
步进电机的终止位置；
离子源束流诊断用发射度仪的空间分辨率的单位；
步进电机启动、关闭；
离子束的束流密度分布图像；
发射度相图；
发射度数值。
此外，控制系统还包括三个指示灯，分别为电源指示灯、待机指示灯、运行指示灯(在本实施例中，电源指示灯为红色、待机指示灯为黄色、运行指示灯为绿色)，电源指示灯恒亮表示控制系统通电良好，待机指示灯恒亮表示步进电机未动作或停止了动作，运行指示灯恒亮表示步进电机正在运行。其中，待机指示灯与运行指示灯不同时点亮。
本发明提供的离子源束流诊断用发射度仪控制系统具备限位功能，即限制步进电机越过规定行程的两端。
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 (6)

1.一种离子源束流诊断用发射度仪控制系统,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的接收器上的离子源束流诊断用发射度仪相连；所述离子源束流诊断用发射度仪包括设置有探头(6)的运动支撑机构，所述运动支撑机构能够使所述探头(6)在位于所述同位素电磁分离器的真空室(9)内的引出电极的引出缝附近做往复直线运动，所述探头(6)能够测量离子束的电流信号；还包括连接所述探头(6)的扫描电源；所述PLC模块用于控制所述运动支撑机构、扫描电源、处理所述探头(6)所获得的所述电流信号；
所述显示控制设备用于显示所述运动支撑机构的运动和位置数据、所述PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述运动支撑机构的控制指令、通过所述PLC模块控制所述运动支撑机构的运行；
实现了对扫描电源的全电压扫描，并形成反馈；可精确测量的束流张角达到±14.5°，测量束流功率达1.5kW；实现了归一化发射度的计算。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征是：所述运动支撑机构设置在所述真空室(9)上，包括连接步进电机(1)和螺母(2)的丝杠(3)，还包括与所述螺母(2)相连、一端穿入所述真空室(9)的传动杆(4)、设置在所述真空室(9)内的所述传动杆(4)的一端的探头支架(8)，所述探头(6)安装在所述探头支架(8)上，还包括把所述传动杆(4)设置在所述真空室(9)上的安装法兰(5)，所述传动杆(4)能够在所述步进电机(1)的驱动下带动所述探头(6)做往复直线运动，其中，所述传动杆(4)采用密封的波纹管实现所述运动支撑机构在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿，所述传动杆(4)在所述真空室(9)中的往复直线运动的行程能够达到±105mm。
3.如权利要求2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：
当前束流参数；
探头参数；
对所述扫描电源的开启、关闭；
对所述运动支撑机构的所述步进电机的电源开启、关闭；
设置所述步进电机的运行速度；
使所述传动杆复位至初始状态；
设定所述探头的当前位置；
设定所述探头的目标位置；
控制所述探头回到所述当前位置；
设置所述步进电机的起始位置；
设置所述步进电机的终止位置；
设置所述离子源束流诊断用发射度仪的空间分辨率的单位；
对所述步进电机启动、关闭；
控制所述步进电机按照所述空间分辨率的单位前进一步。
4.如权利要求2所述的控制系统，其特征是，所述显示控制设备显示的所述运动支撑机构的运动和位置数据、所述PLC模块获得的所述信号数据包括：
探头参数；
所述扫描电源的开启、关闭；
所述运动支撑机构的所述步进电机的电源开启、关闭；
所述步进电机的运行速度；
所述传动杆复位至初始状态；
所述探头的当前位置；
所述探头的目标位置；
所述步进电机的起始位置；
所述步进电机的终止位置；
所述离子源束流诊断用发射度仪的空间分辨率的单位；
所述步进电机启动、关闭；
所述离子束的束流密度分布图像；
发射度相图；
发射度数值。
5.如权利要求2所述的控制系统，其特征是：还包括三个指示灯，分别为电源指示灯、待机指示灯、运行指示灯，所述电源指示灯恒亮表示所述控制系统通电良好，所述待机指示灯恒亮表示所述步进电机未动作或停止了动作，所述运行指示灯恒亮表示所述步进电机正在运行。
6.如权利要求5所述的控制系统，其特征是：所述待机指示灯与所述运行指示灯不同时点亮。
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