CN107863283A - 一种光阴极微波电子枪自动老炼系统及方法 - Google Patents

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杨学明
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Abstract

本发明公开了一种光阴极微波电子枪自动老炼系统及方法，属于核科学及核技术领域。本发明监测光阴极微波电子枪吸附气体释放和火花放电等现象和通过测量调制器高压、输入功率、反射功率、真空度、离子流和暗电流等参数，自动调节老炼过程中功率增长，防止腔体受到高功率损坏，避免人工老炼运行人员不一致性，减少老炼时间。本发明根据测量结果控制腔体老炼状态。老炼过程中程序及时读取老炼状态，自动控制相关参数，减少火花放电和暗电流的产生，提高腔体的性能和寿命。该方法和系统可以完成老炼过程的全部记录。同时，使用该方法和系统可以节省大量的人力、物力和时间。

Description

一种光阴极微波电子枪自动老炼系统及方法
技术领域
本发明涉及一种光阴极微波电子枪自动老炼系统及方法。属于核科学及核技术领域。
背景技术
光阴极微波电子枪是自由电子激光装置广泛使用的关键部件。光阴极微波电子枪为自由电子激光装置产生高亮度低发射度的电子束流。驱动激光照射光阴极产生的电子束在无氧铜腔体内建立类TM010模电场的作用下加速。因此，电子枪运行时需要在超高真空中建立高峰值表面电场。无氧铜内表面在高峰值电场的作用下残余气体电离，腔体内部发生火花放电或是产生暗电流将影响电子枪性能。为了获得超高真空和提高高峰值表面电场，需要低功率老炼除去腔体内表面吸附气体和高功率老炼去除腔体内表面毛刺，避免腔体内部发生火花放电，降低产生暗电流的几率。因此，在运行微波电子枪之前，为了保证正常运行，必须要先进行微波老炼。
传统的微波电子枪老炼方法是运行人员手动完成。通常是，运行人员手动调节输入功率，观察真空、火花放电和暗电流现象，然后调节输入功率，从低功率到高功率逐渐加至满功率。传统方法的问题是要求运行人员监视相关参数，视情况降低或是提高输入功率。运行人员手动老炼存在几个问题：一是电子枪的性能高度依赖运行人员的工作能力。不同的运行人员老炼电子枪的一致性较差，甚至是误操作输入高功率造成腔体击穿。同时，即使是熟练的运行人员，手动过程仍然需要耗费大量的时间。二是不能自动记录详细的老炼过程。缺少详细记录不利于分析该枪特性以及后续运行维护。三是电子枪更换元件或是破坏真空后，恢复系统需要老炼，重复性的费时费力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述传统方法中存在的问题，提出光阴极微波电子枪自动老炼系统及方法，监测光阴极微波电子枪吸附气体释放和火花放电等现象和通过测量调制器高压、输入功率、反射功率、真空度、离子流和暗电流等参数，自动调节老炼过程中功率增长，防止腔体受到高功率损坏，避免人工老炼运行人员不一致性，减少老炼时间。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种光阴极微波电子枪自动老炼系统，根据腔体老炼过程中依次出现的物理现象，引入基于反馈理论的自动控制技术调节老炼过程中的相关参数，自动完成老炼，所述相关参数包括调制器高压、输入功率、反射功率、真空度和离子流；
所述老炼系统包括速调管、调制器、控制台、快速束流变压器(FCT)、示波器、离子泵和真空计；
速调管，可产生MW级高功率微波，用于给光阴极枪提供微波功率；
调制器，产生脉冲高压供给速调管；
控制台，包含自动老炼系统程序，控制速调管产生微波功率，实现光阴极枪自动老炼；
快速束流变压器(FCT)，用于测量馈入高功率时光阴极枪无氧铜腔体内壁的火花放电或暗电流；
示波器，用于显示FCT电流波形、速调管电流波形和光阴极枪反射功率波形；
离子泵，用于给光阴极枪抽真空；
真空计，用于测量光阴极枪真空度。
所述自动老炼系统程序，控制速调管产生微波功率，实现光阴极枪自动老炼的过程如下：
(1)初始化调制器高压、宏脉冲宽度和脉冲重复频率；
(2)检查系统的连锁保护是否正常工作，若正常工作进入步骤(3)，否则直接终止程序；
(3)测量相关参数，判断当前是否出现反射功率超限，若出现反射功率超限，则降低调制器高压，循环直至反射功率低于限值；
(4)判断当前是低功率还是高功率老炼；所述低功率是小等等于5MW，高功率大于5MW；
(5)若是低功率老炼，则分别检查离子泵离子流大小和真空度，若是超过最大阈值，分别降低调制器高压和等待离子泵抽真空；当离子流和真空度均低于最大阈值后，分别判断离子流和真空度是否低于最小阈值，若未低于最小阈值继续等待抽真空；若低于最小阈值，则判断是否达到低功率最大功率值；若尚未达到低功率最大功率值，则增大调制器高压，然后进入步骤(3)，循环达到低功率最大功率；
(6)若达到低功率最大功率，标记老炼状态，在增大重复频率时降低重复频率；判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则增大重复频率，然后进入步骤(3)，循环至最大重频率；若是达到最大重复频率，标记老炼状态，进入高功率老炼；
(7)若是高功率老炼，降低调制器高压，将重复频率重置为初始重复频率；
(8)通过FCT监测是否出现火花放电，同时监测真空状态，重复步骤(3)和(5)，若是出现火花放电，降低调制器高压，若是没有火花放电，采用PID技术调节调制器高压，直至达到高功率最大功率，达到高功率最大功率，标记老炼状态；
(9)达到高功率最大功率，在增大重复频率时降低重复频率，循环进入步骤(7)和(8)；判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则增大重复频率，循环至最大重频率；若是达到最大重复频率，标记老炼状态，自动老炼全部完成。
一种光阴极微波电子枪自动老炼方法，包含以下步骤：
(1)初始化调制器高压、宏脉冲宽度和脉冲重复频率；
(2)检查系统的连锁保护是否正常工作，若正常工作进入步骤(3)，否则直接终止；
(3)测量相关参数，判断当前是否出现反射功率超限，若出现反射功率超限，则降低调制器高压，循环直至反射功率低于限值；
(4)判断当前是低功率还是高功率老炼；所述低功率是小等等于5MW，高功率大于5MW；
(5)若是低功率老炼，则分别检查离子泵离子流大小和真空度，若是超过最大阈值，分别降低调制器高压和等待离子泵抽真空；当离子流和真空度均低于最大阈值后，分别判断离子流和真空度是否低于最小阈值，若未低于最小阈值继续等待抽真空；若低于最小阈值，则判断是否达到低功率最大功率值；若尚未达到低功率最大功率值，则增大调制器高压，然后进入步骤(3)，循环达到低功率最大功率；
(6)若达到低功率最大功率，标记老炼状态，在增大重复频率时降低重复频率；判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则增大重复频率，然后进入步骤(3)，循环至最大重频率；若是达到最大重复频率，标记老炼状态，进入高功率老炼；
(7)若是高功率老炼，降低调制器高压，将重复频率重置为初始重复频率；
(8)通过FCT监测是否出现火花放电，同时监测真空状态，重复步骤(3)和(5)，若是出现火花放电，降低调制器高压，若是没有火花放电，采用PID技术调节调制器高压，直至达到高功率最大功率，达到高功率最大功率，标记老炼状态；
(9)达到高功率最大功率，在增大重复频率时降低重复频率，循环进入步骤(7)和(8)；判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则增大重复频率，循环至最大重频率；若是达到最大重复频率，标记老炼状态，自动老炼全部完成。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明监测光阴极微波电子枪吸附气体释放和火花放电等现象和通过测量调制器高压、输入功率、反射功率、真空度、离子流和暗电流等参数，自动调节老炼过程中功率增长，防止腔体受到高功率损坏，避免人工老炼运行人员不一致性，减少老炼时间。
(2)本发明根据测量结果控制腔体老炼状态，老炼过程中程序及时读取老炼状态，自动控制相关参数，减少火花放电和暗电流的产生，提高腔体的性能和寿命。该方法和系统可以完成老炼过程的全部记录。同时，使用该方法和系统可以节省大量的人力、物力和时间。
附图说明
图1是本发明光阴极微波电子枪自动老炼系统示意图；
图2是本发明光阴极微波电子枪自动老炼系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的进行详细的描述。
如图1所示，光阴极微波电子枪101，本发明是用于老炼该枪。速调管102，可产生MW级高功率微波，用于给光阴极枪101提供微波功率。103为调制器，产生脉冲高压供给速调管102。控制台104，包含自动老炼系统程序，控制速调管产生微波功率，实现光阴极枪101自动老炼。快速束流变压器(FCT)105，用于测量馈入高功率时光阴极枪101无氧铜腔体内壁的火花放电或暗电流。一个示波器106，用于显示FCT 105电流波形；另一个示波器107，用于显示速调管102电流波形；第三个示波器108，用于显示光阴极枪101反射功率波形。离子泵109，用于给光阴极枪101抽真空。真空计110，用于测量光阴极枪101真空度。
如图2所示，本发明的光阴极微波电子枪自动老炼系统的详细工作流程。首先，通过步骤201，控制台104(图1)初始化调制器高压、宏脉冲宽度和脉冲重复频率。然后步骤202检查系统的连锁保护是否正常工作，若正常工作，则通过203测量相关参数，否则直接终止程序，其中连锁保护机制在此不做叙述。根据步骤203测量结果，在步骤204判断当前是否出现反射功率超限，若是在步骤205降低调制器高压，循环直至反射功率低于限值。在步骤206判断当前是低功率(低于等于5MW)还是高功率老炼(高于5MW)。
若是低功率老炼，在步骤207和209分别检查离子泵109(图1)离子流大小和真空度，若是超过最大阈值，分别在步骤205和208降低调制器高压和等待离子泵109(图1)抽真空。当离子流和真空度均低于最大阈值后，步骤210和211分别判断离子流和真空度是否低于最小阈值，若是没有继续步骤208等待抽真空；若低于最小阈值，则在步骤212判断是否达到低功率最大功率值。若尚未达到，则在步骤213增大调制器高压，然后进入步骤203，循环至低功率最大功率；若达到低功率最大功率，标记老炼状态，在增大重复频率时步骤205执行降低重复频率。在步骤214判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则在步骤215增大重复频率，然后进入步骤203，循环至最大重频率；若是达到最大重复频率，标记老炼状态，进入高功率老炼时步骤205执行降低调制器高压。在步骤216将重复频率重置为初始重复频率。低功率老炼结束后，标记老炼状态，在高功率老炼初始时，防止降低调制器高压后循环进入低功率老炼。
若是高功率老炼，步骤218通过FCT 105(图1)监测是否出现火花放电，若是出现火花放电，步骤219判断超过放电阈值时，步骤205降低调制器高压，循环进入步骤218，若步骤218没有出现火花放电和步骤219没有超过放电阈值，则均进入步骤220和221分别判断离子流和真空度是否低于最小阈值，若是没有继续步骤208等待抽真空；若低于最小阈值，则在步骤224判断是否达到低功率最大功率值。若尚未达到，则在步骤225增大调制器高压，然后进入步骤203，循环至低功率最大功率；若达到高功率最大功率，标记老炼状态，在增大重复频率时步骤205执行降低重复频率。在步骤226判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则在步骤227增大重复频率，然后进入步骤203，循环至最大重频率。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种光阴极微波电子枪自动老炼系统，其特征在于：包括速调管、调制器、控制台、快速束流变压器(FCT)、示波器、离子泵和真空计；
速调管，可产生MW级高功率微波，用于给光阴极枪提供微波功率；
调制器，产生脉冲高压供给速调管；
控制台，包含自动老炼系统程序，控制速调管产生微波功率，实现光阴极枪自动老炼；
快速束流变压器(FCT)，用于测量馈入高功率时光阴极枪无氧铜腔体内壁的火花放电或暗电流；
示波器，用于显示FCT电流波形、速调管电流波形和光阴极枪反射功率波形；
离子泵，用于给光阴极枪抽真空；
真空计，用于测量光阴极枪真空度。
2.根据权利要求1所述的一种光阴极微波电子枪自动老炼系统，其特征在于：所述自动老炼系统程序，控制速调管产生微波功率，实现光阴极枪自动老炼的过程如下：
(1)初始化调制器高压、宏脉冲宽度和脉冲重复频率；
(2)检查系统的连锁保护是否正常工作，若正常工作进入步骤(3)，否则直接终止程序；
(3)测量相关参数，判断当前是否出现反射功率超限，若出现反射功率超限，则降低调制器高压，循环直至反射功率低于限值；
(4)判断当前是低功率还是高功率老炼；所述低功率是小等等于5MW，高功率大于5MW；
(5)若是低功率老炼，则分别检查离子泵离子流大小和真空度，若是超过最大阈值，分别降低调制器高压和等待离子泵抽真空；当离子流和真空度均低于最大阈值后，分别判断离子流和真空度是否低于最小阈值，若未低于最小阈值继续等待抽真空；若低于最小阈值，则判断是否达到低功率最大功率值；若尚未达到低功率最大功率值，则增大调制器高压，然后进入步骤(3)，循环达到低功率最大功率；
(6)若达到低功率最大功率，标记老炼状态，在增大重复频率时降低重复频率；判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则增大重复频率，然后进入步骤(3)，循环至最大重频率；若是达到最大重复频率，标记老炼状态，进入高功率老炼；
(7)若是高功率老炼，降低调制器高压，将重复频率重置为初始重复频率；
(8)通过FCT监测是否出现火花放电，同时监测真空状态，重复步骤(3)和(5)，若是出现火花放电，降低调制器高压，若是没有火花放电，采用PID技术调节调制器高压，直至达到高功率最大功率，达到高功率最大功率，标记老炼状态；
(9)达到高功率最大功率，在增大重复频率时降低重复频率，循环进入步骤(7)和(8)；判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则增大重复频率，循环至最大重频率；若是达到最大重复频率，标记老炼状态，自动老炼全部完成。
3.一种光阴极微波电子枪自动老炼方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)初始化调制器高压、宏脉冲宽度和脉冲重复频率；
(2)检查系统的连锁保护是否正常工作，若正常工作进入步骤(3)，否则直接终止；
(3)测量相关参数，判断当前是否出现反射功率超限，若出现反射功率超限，则降低调制器高压，循环直至反射功率低于限值；
(4)判断当前是低功率还是高功率老炼；所述低功率是小等等于5MW，高功率大于5MW；
(5)若是低功率老炼，则分别检查离子泵离子流大小和真空度，若是超过最大阈值，分别降低调制器高压和等待离子泵抽真空；当离子流和真空度均低于最大阈值后，分别判断离子流和真空度是否低于最小阈值，若未低于最小阈值继续等待抽真空；若低于最小阈值，则判断是否达到低功率最大功率值；若尚未达到低功率最大功率值，则增大调制器高压，然后进入步骤(3)，循环达到低功率最大功率；
(6)若达到低功率最大功率，标记老炼状态，在增大重复频率时降低重复频率；判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则增大重复频率，然后进入步骤(3)，循环至最大重频率；若是达到最大重复频率，标记老炼状态，进入高功率老炼；
(7)若是高功率老炼，降低调制器高压，将重复频率重置为初始重复频率；
(8)通过FCT监测是否出现火花放电，同时监测真空状态，重复步骤(3)和(5)，若是出现火花放电，降低调制器高压，若是没有火花放电，采用PID技术调节调制器高压，直至达到高功率最大功率，达到高功率最大功率，标记老炼状态；
(9)达到高功率最大功率，在增大重复频率时降低重复频率，循环进入步骤(7)和(8)；判断是否达到最大重复频率，若是尚未达到，则增大重复频率，循环至最大重频率；若是达到最大重复频率，标记老炼状态，自动老炼全部完成。
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