CN107941332B - 高功率微波腔体的光辐射监测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率微波腔体的光辐射监测设备，包括电源接口，还包括：屏蔽盒；安装在盒内上方的上电路板，包括电源模块和自检电路；安装在盒体下方的下电路板，包括光电转换探头、I‑V转换电路、滤波模块、信号判断模块、报警逻辑判断模块，光电转换探头将光信号转换为电信号后，输入I‑V转换电路，滤波模块通过放大电路对信号电压进行放大，信号判断模块将模拟信号转化为逻辑电平信号，报警逻辑判断模块将该逻辑电平信号作为硬件报警信号接入到保护系统；SMA接口；光传感探头；散热片。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)性能稳定性高，响应速度快；(2)操作简单，设计成本低，安装方便。
Description
技术领域
本发明涉及光辐射监测设备，尤其涉及高功率微波腔体的光辐射监测设备。
背景技术
高功率微波HPM指瞬时功率超过100MW、频率范围在1G-300GHz之间的强电磁脉冲，具有高频率、短脉冲和高功率的特点；其在军事、工业设备和科学研究方面有着重要的应用，尤其在强流粒子加速器中，常常选取高功率微波源作为腔体的激励源。在实际工作环境中，高功率微波在真空环境中传输时会由于功率传输设备制造工艺上的不完美等因素而导致二次电子倍增效应或者电弧放电效应的发生。这两种效应的发生都会对处于工作状态的高频传输设备造成损害，甚至造成局部短路或局部温度升高，破坏需要稳定的极低温的超导腔的工作环境。因此，在真空环境下传输大功率微波时，需要实时监测这两种效应，以便在某一效应发生时及时切断功率电路，避免造成对微波传输介质表面的长时间损伤。
由高功率微波传输导致的电子二次倍增效应以及电弧放电效应的过程中都伴随着高能量的释放，因此均会以光的方式发出辐射。其区别仅在于两种效应对外辐射的可见光线的波长不同，一种辐射为波长580nm的偏黄可见光，另一种辐射为波长460nm的偏紫可见光。因此利用光探测技术可以有效地对这两种效应进行实时检测，从而达到保护重要实验设备、降低维护成本和提高实验精度的目的。
传统的减少二次电子倍增效应或者电弧放电效应的措施有以下两种：(1)通过改善设备的机械结构、腔体使用特殊材料，或者在腔体的表面镀膜，使之能够减少产生二次电子或者电弧放电效应。此方法对微波腔体的加工工艺的要求较高，且成本较高，而且无法实现完全抑制二次电子倍增效应或者电弧放电效应，使得高功率微波腔体仍然需要一套保护方案。(2)使用监测并限制电弧效应的装置，可以及时的断开功率电路。然而目前已有的解决方案中，绝大多数是使用光纤将光信号送到处于远方的传感信号监测电路，当光纤受损时，需要频繁的更换部件，提高人力和硬件成本；另外，由于粒子加速器的高功率微波腔所处的工作环境存在一定的辐射，因而需要减少系统故障发生率，进而减少人为操作的次数，导致使用受限。因此，高功率微波腔体中的二次电子倍增效应以及电弧放电效应监测和报警已经成为亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种高功率微波腔体的光辐射监测设备，以解决高功率微波腔体中的二次电子倍增效应以及电弧放电效应监测和报警问题。
技术方案：监测设备包括电源接口，还包括：
屏蔽盒；
上电路板，包括电源模块和自检电路，上电路板安装在屏蔽盒内上端；
下电路板，包括光电转换探头、I-V转换电路、滤波模块、信号判断模块、报警逻辑判断模块；下电路板安装在屏蔽盒内下端；光电转换探头将获取的光信号转换为电信号后，输入I-V转换电路；滤波模块对经过放大的信号进行低通选频，滤除高频信号，保留直流信号；信号判断模块将模拟电路信号转化为逻辑电平信号；报警逻辑判断模块将该逻辑电平信号作为硬件报警信号接入到保护系统；
SMA接口，包括TTL输出口、LVDS输出口、LVDS输出口和复位信号输入口，SMA接口设置在屏蔽盒盒体外侧；
光传感探头，光传感探头安装在屏蔽盒盒体外侧下方，将光信号转化为电信号；
散热片，固定在上下电路板之间。
还包括信号选择器，信号选择器与光电转换探头和自检电路连接。
I-V转换电路中采用阻抗放大法将微弱电流转换为电压信号。
报警逻辑判断模块包括晶体管-晶体管逻辑TTL输出口和低电压差分信号LVDS输出口；当无警报时TTL输出高电平信号，报警时输出低电平信号；而LVDS当无警报时输出一对差分高电平信号，报警时输出一对差分低电平信号。
报警逻辑判断模块在设备发生故障时开始响应，直至硬件复位或远程软件复位。
工作原理：本发明为基于粒子加速器的高功率微波腔体所设计的光辐射监测设备，通过在高功率微波传输设备管腔内安装本设备，利用设备的检光工作特性，从而实现实时监测高功率微波HPM传输设备光辐射效应，并保护高功率微波腔体设备的作用。
具体为通过将光传感器采集到的微弱信号通过倍数可调运算放大器放大，再将放大后的信号进行一系列的信号处理，最终获取所需控制信号对高功率微波腔体中的光辐射进行监测。设备主要分为信号获取、放大滤波、信号判断和硬件报警四个部分；其中信号获取部分通过光传感器实现；放大滤波部分通过放大电路对传感器采集的微弱信号电压进行放大；信号判断部分采用数字触发器，其将模拟电路信号转化成逻辑电平信号，并将该逻辑信号作为硬件报警信号接入到保护系统。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)实时监控高功率微波HPM传输设备的工作状态，性能稳定性高，响应速度快；(2)操作简单，设计成本低，安装方便；(3)可检测信号增益可控；(4)信号判断逻辑阈值可调，系统灵敏度高。
附图说明
图1为监测设备结构示意图；
图2为电路模块及信号处理流程示意图；
图3为I-V转换和滤波电路；
图4为信号判断和报警逻辑判断电路。
具体实施方式
如图1所示，光辐射监测设备中，7为防辐射铅屏蔽盒，此屏蔽盒根据上、下电路板设计，以减少环境的各种高能辐射对电路的影响；1为上电路板，主要包括电源模块和自检电路，安装在铅屏蔽盒7内上方；2为下电路板，安装在铅屏蔽盒7内下方，主要包括光电转换探头8、I-V转换电路10、滤波模块11、信号判断模块12和报警逻辑判断模块13；其中光电转换探头8将获取的光信号转换为电信号后，输入I-V转换电路10，滤波模块11对经过放大的信号进行低通选频，滤除高频信号，保留直流信号；信号判断模块12将模拟电路信号转化为逻辑电平信号；报警逻辑判断模块13将逻辑电平信号作为硬件报警信号接入到保护系统。
设置在铅屏蔽盒7盒体外侧的3为四个SMA接口，自左向右依次为晶体管-晶体管逻辑TTL输出口、低电压差分信号LVDS输出口、LVDS输出口和复位信号RESET输入口；4为光传感探头，安装在盒体侧面下方，在本模块中采用的是Photodiode S1223Series；5为铜片材质的散热片，固定在上电路板1和下电路板2之间；6为micro-USB电源接口，安装在铅屏蔽盒7的盒体外侧上方。监测设备具有开机自检功能，以判断除光传感探头4外的整个电路的工作状态是否正常，从而保证系统的正常运行。
如图2所示，电路模块包括以下3部分；
(1)光电信号转化电路、信号选择器与自检信号部分
本模块中采用的是Photodiode S1223 Series，通过光电转换探头8将光信号转化为电流信号，输出感应到的微小电流信号后，再输出到后端电路；其中自检信号线14前端与3.3V电压连接；信号选择器9为一个选择开关元件，与光电转换探头8和自检信号线14连接，信号选择器9可以选择将自检信号或实际信号送进下一级电路。
(2)I-V转换电路和滤波模块
I-V转换电路10和滤波模块11通过将输入的电流信号转换为电压信号，进行放大的方式获得较为理想的电压信号；本电路采用阻抗放大法实现微弱电流到理想电压信号的转换。在I-V转化中关注电路的实时响应性，在保证近线性基础上实现对输入信号的快速转化以及低噪声处理。
如图3所示，在I-V转换和滤波电路中，光传感器探头4的输出电流信号经过输入端口17将原始信号送入5.1MΩ电阻22的非接地端，而电阻22的另一端与地线相连；50kΩ电阻18与LT1057运算放大器19反向端口相连，其中运算放大器19正相端口经10k-50k欧电阻接地；运算放大器19输出端接可调反馈电阻15的反相输入端；1pF的补偿电容16与可调反馈电阻15并联；运算放大器19输出端经由160kΩ电阻20与一端接地的1pF电容组成低通滤波器后通过端口21将信号输出至下一级。
(3)信号判断模块和报警逻辑判断模块
如图4所示，该信号判断模块12和报警逻辑判断模块13对经前端放大滤波处理后的输出信号进行条件判断，LM339芯片24、10kΩ电阻33、阈值控制电阻34、3kΩ电阻35以及电源信号23、31组成阈值比较器，当输出信号21超过设定阈值时，输出信号32由低电平转换为5.0V高电平，通过D触发器25及LVDS芯片27分别转化为相应TTL以及LVDS信号。其中LM339芯片24的正相输入端口与图3中的输出端口21相连；10kΩ电阻33一端与接地线23相连，另一端与LM339芯片24反相输入端相连；阈值控制电阻34一端与电信号+5.0V31相连，另一端与LM339芯片24反相输入端相连；3kΩ电阻35一端与电信号+5.0V31相连，另一端与LM339芯片24输出信号32相连；D触发器25的时钟信号端口与LM339芯片24的输出信号32相连；D端口接电信号+5.0V31，端口CLR接复位信号30，端口SET连接接地线23；当触发器捕捉到前端电路所发出的信号脉冲时，Q端口输出高电平，而端口输出低电平到TTL接口，同时将该信号送入LVDS芯片27的A端口，经芯片转换为差分信号经差分输出信号X 28、差分输出信号Y29端口输出，芯片27的VCC与EN端口接3.3V的信号源36。
在信号判断和报警逻辑判断电路中，将前一级滤波后的信号通过端口21输入到型号为LM339的阈值比较器一端；阈值比较器通过设置一个阈值电压并与放大信号比较以产生一个触发信号，另一端再接入到触发器的时钟CLK端；该触发器型号为CD4013，其输出端为Q与，CD4013芯片的复位RST端口外接复位电路；连接到TTL输出端口，同时将该信号连接到型号为SN65LVDS104的LVDS信号芯片27产生LVDS差分报警信号。报警逻辑判断模块13在设备发生故障时开始响应，直至硬件复位或远程软件复位。
本设备通过micro-USB供电的方式供给+5V电压，并通过芯片MC34063输出-5V，同时使用LM3940IT芯片输出+3.3V。
Claims (4)
1.一种高功率微波腔体的光辐射监测设备，包括电源接口，其特征在于：还包括：
屏蔽盒(7)；
上电路板(1)，包括电源模块和自检电路，所述上电路板(1)安装在屏蔽盒(7)内上端；
下电路板(2)，包括光电转换探头(8)、I-V转换电路(10)、滤波模块(11)、信号判断模块(12)和报警逻辑判断模块(13)；所述下电路板(2)安装在屏蔽盒(7)内下端；所述光电转换探头(8)将获取的光信号转换为电信号后，输入I-V转换电路(10)；所述滤波模块(11)对经过放大的信号进行低通选频，滤除高频信号，保留直流信号；所述信号判断模块(12)将模拟电路信号转化为逻辑电平信号；所述报警逻辑判断模块(13)将逻辑电平信号作为硬件报警信号接入到保护系统；
设置在屏蔽盒(7)盒体外侧的SMA接口(3)，包括在盒体外侧依次排列的晶体管-晶体管逻辑TTL输出口、低电压差分信号LVDS输出口、低电压差分信号LVDS输出口和复位信号RESET输入口；
将光信号转化为电信号的光传感探头(4)，所述光传感探头(4)安装在屏蔽盒(7)盒体外侧下方；
散热片(5)，固定在上、下电路板之间；
所述I-V转换电路(10)中采用阻抗放大法将电流信号转换为电压信号；
所述报警逻辑判断模块(13)包括晶体管-晶体管逻辑TTL输出口和低电压差分信号LVDS输出口；TTL输出口在无报警时输出高电平信号，报警时输出低电平信号；LVDS输出口在无报警时输出一对差分高电平信号，报警时输出一对差分低电平信号。
2.根据权利要求1所述的高功率微波腔体的光辐射监测设备，其特征在于：还包括信号选择器(9)，所述信号选择器(9)与光电转换探头(8)与自检电路连接。
3.根据权利要求1所述的高功率微波腔体的光辐射监测设备，其特征在于：所述报警逻辑判断模块(13)在设备发生故障时开始响应，直至硬件复位或远程软件复位。
4.根据权利要求1所述的高功率微波腔体的光辐射监测设备，其特征在于：所述屏蔽盒(7)为铅屏蔽盒。
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