CN108873046B - 质子束流强度在线监测系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子束流强度在线监测系统及其方法，应用在回旋加速器束流强度测量技术领域，解决了监测无法实时的技术问题，其技术方案要点是一种质子束流强度在线监测系统，包括相连接的质子回旋加速器和在线监测系统，所述在线监测系统包括：剥离膜，负氢离子穿过后即被剥离2个电子而变成质子；剥离膜支架，用于支撑剥离膜，剥离膜支架为导体且对地绝缘，所述剥离膜支架连接有带动其移动的驱动机构；还包括相互电连接的信号放大电路、PLC、上位机；PLC包括控制模块、计时模块、信号输入模块、信号输出模块；具有的技术效果是实现了在线监测，结构简单，操作方便，有利于质子回旋加速器的长时间运行以及物理实验终端试验的开展。

Description

质子束流强度在线监测系统及其方法
技术领域
本发明涉及回旋加速器束流强度测量技术领域，具体涉及一种质子束流强度在线监测系统及其方法。
背景技术
回旋加速器,英文：Cyclotron,它是利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。是高能物理中的重要仪器。
强流是回旋加速器发展的重要发展趋势之一。很多物理实验都对束流强度、束流稳定性提出了更高的要求。
在束流调试阶段，可以使用较小的束流进行调试，法拉第筒（Faraday Cup）可以测量较大流强范围内的束流，但需要阻断束流。随着束流能量的提高，其在物质内的射程也随之增加，相应的解决办法是使用高Z材料或者加厚材料，使用高Z材料会带来残余剂量的问题，加厚材料会带来空间需求的问题。对大功率束流，束流的能量均沉积在法拉第筒内，对水冷设计提出很高的要求。因此对高能量，高流强的束流使用法拉第筒进行强度测量存在诸多不便之处，测量时也需要阻断束流，会对物理实验造成一定影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子束流强度在线监测系统，其优点是能够实时对引出质子束流强度进行测量。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种质子束流强度在线监测系统，包括相连接的质子回旋加速器和在线监测系统，所述在线监测系统包括：
剥离膜，负氢离子穿过后即被剥离2个电子而变成质子；
剥离膜支架，用于支撑剥离膜，剥离膜支架为导体且对地绝缘，所述剥离膜支架连接有带动其移动的驱动机构；
还包括相互电连接的信号放大电路、PLC、上位机；PLC包括控制模块、计时模块、信号输入模块、信号输出模块；
所述剥离膜支架通过真空接头与信号放大电路的输入端相连，电流信号经过信号放大电路后变为电压信号，通过PLC的输入模块进行采集、通过输出模块进行输出；在上位机上显示的值需将其变换回电流信号，放大后的信号送入PLC并通过上位机完成束流强度显示。
通过上述技术方案，上述结构主要通过原有的质子回旋加速架外加额外的监测系统实现搭建，所搭建的结构中，质子回旋加速器的引出处设置剥离膜以及驱动机构，驱动机构可带动剥离膜移动至工作位置开始监测工作，通过剥离膜可使得负氢离子穿过后即被剥离2个电子而变成质子，此时由于负离子变为正离子，在磁场大小方向均保持不变的情况下，轨道曲率反转，质子得以引出加速器外，即质子束沿着引出轨道被引出；由于剥离后电子和质子的速度相同，电子的质量约为质子的两千分之一，电子每次穿过剥离模损失部分能量，运动半径逐渐减小，所以大部分电子会多次穿越剥离膜并沉积在剥离膜上，由于每个负氢离子在剥离膜上损失的电子为2个，存在明确的对应关系，因此测得的电流就对应在单位时间内有多少电子沉积在剥离膜上。该电流信号经过真空接头与信号放大电路的输入端相连，电流信号经过信号放大电路后变为电压信号，通过PLC的输入模块进行数据的采集工作，输出模块进行输出，从而在上位机中完成显示，实现了在线实时监测，且不会对引出质子的束流造成影响，。
本发明进一步设置为：所述PLC还包括存储模块，存储模块用于存储输入模块和输出模块的数据。
通过上述技术方案，PLC需搭载额外的存储模块，通过存储模块的存储功能使得数据能够断电续存，在实际操作时，提升工作效率，避免PLC的一时断电故障影响整体测试进度。
本发明进一步设置为：所述驱动机构包括伺服电机、与伺服电机输出轴连接的丝杠，丝杠与剥离膜支架的连接结构为：所述剥离膜支架通过固定件连接在丝杠的螺母上。
通过上述技术方案，伺服电机控制丝杠转动，丝杠使得其上套接的螺母传动，螺母带动所连接的剥离膜支架运动至工作位置，使得剥离膜移动至质子束流的引出位置。
本发明进一步设置为：所述控制模块控制伺服电机的启停。
通过上述技术方案，控制模块可控制伺服电机的启停，伺服电机带动丝杠转动，从而实现剥离膜支架的移动推送；同时，控制模块还可控制信号输入模块开始接收信号，信号输出模块开始输出信号，以及控制计时模块开始计时。
本发明进一步设置为：所述信号输入模块记录电荷量Q1、Q2，计时模块记录Q1和Q2之间的时间差t，控制模块通过Q1、Q2和t获得电流值I。
通过上述技术方案，为了提高测试精确度，可适当拉长两个测试结果Q1\Q2的间隔时间t。通过控制模块设定较长的时间t，并利用该电流I计算公式获得计算结果。
本发明进一步设置为：所述质子束流的能量为70MeV至100MeV。
通过上述技术方案，该系统适用于的质子束流的能量为70MeV至100MeV，相比于法拉第筒，该高能量范围的束流强度并不需要额外的高Z材料或增加水冷设计，节省了设计成本。
本发明进一步设置为：所述上位机为PC机或显示屏。
通过上述技术方案，上位机主要作用是将信息反馈显示，可选用PC机或者显示屏进行显示。
本发明的第二目的是提供一种质子束流强度在线监测方法，其优点是能够实时对引出质子束流强度进行测量。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种应用上述的质子束流强度在线监测系统的监测方法，步骤一：启动质子回旋加速器和在线监测系统；步骤二：将剥离膜通过伺服电机和驱动机构移动至工作位置，工作位置为质子束流引出的位置；步骤三，负氢束流通过剥离膜，质子回旋加速器中的磁场方向大小均保持不变，轨道反转，质子束流引出。
通过上述技术方案，目前采用的在线监测方法，可对剥离引出质子回旋加速器产生的质子束流进行束流强度在线实时测量，结构简单，准确度高，非常有利于回旋加速器的长时间运行以及实时监测。
综上所述，本发明具有以下有益效果：实现了在线监测，结构简单，操作方便，有利于质子回旋加速器的长时间运行以及物理实验终端试验的开展。
附图说明
图1是本实施例的结构示意图。
附图标记：1、剥离膜；2、剥离膜支架；3、信号放大电路；4、PLC；5、PC机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例：一种质子束流强度在线监测系统，包括相连接的质子回旋加速器和在线监测系统。其中质子回旋加速器包括磁场系统、离子源，磁场系统用于粒子的回旋运动，离子源用于产生负氢离子，通过轴向注入系统将负氢离子注入质子回旋加速器，负氢离子在质子回旋加速器内作回旋运动；质子回旋加速器采用真空系统使得内部保持真空状态，避免束流的大量损失。
参考图1，在线监测系统包括剥离膜支架2，剥离膜支架2为导体且对地绝缘，剥离膜支架2连接有带动其移动的驱动机构，该驱动机构可采用伺服电机和丝杠，伺服电机的输出轴与丝杠连接，丝杠带动其上套接的螺母传动，螺母带动其连接的剥离膜支架2进行移动；剥离膜支架2上固定有剥离膜1，负氢离子穿过剥离膜1后即被剥离2个电子变成质子，由于每个负氢离子在剥离膜1上损失的电子为2个，存在明确的对应关系，因此测得的电流就对应在单位时间内有多少电子沉积在剥离膜1上。剥离膜支架2通过真空接头与信号放大电路3的输入端相连，电流信号经过信号放大电路3后变为电压信号，信号放大电路3与PLC4相连，PLC4包括控制模块、计时模块、信号输入模块、信号输出模块、存储模块；因此电压信号再通过PLC4的输入模块进行采集，然后通过PLC4的输出模块进行输出，输入模块和输出模块的数据都可通过存储模块进行存储，最后在上位机上显示结果，放大后的信号送入PLC4并通过PC机5或显示屏完成束流强度的显示，该过程实现了在线实时监测。
信号输入模块记录的电荷量为Q1、Q2，计时模块记录Q1和Q2之间的时间差t，控制模块控制信号输入模块接收信号的同时还通过计时模块进行同步计时，根据公式I=Q/t，因此PLC4可获得电流值I再通过信号输出模块输出，在PC机5或显示屏中完成监测显示。
具体步骤：步骤一：启动质子回旋加速器和在线监测系统；步骤二：将剥离膜1通过伺服电机和驱动机构移动至工作位置，工作位置为质子束流引出的位置；步骤三，负氢束流通过剥离膜，质子回旋加速器中的磁场方向大小均保持不变，轨道反转，质子束流引出。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种质子束流强度在线监测系统，包括相连接的质子回旋加速器和在线监测系统，所述在线监测系统包括：
剥离膜(1)，负氢离子穿过后即被剥离2个电子而变成质子；其特征在于，在线监测系统还包括：
剥离膜支架(2)，用于支撑剥离膜(1)，剥离膜支架（2）为导体且对地绝缘，所述剥离膜支架（2）连接有带动其移动的驱动机构；
还包括相互电连接的信号放大电路(3)、PLC(4)、上位机；PLC(4)包括控制模块、计时模块、信号输入模块、信号输出模块；
所述剥离膜支架（2）通过真空接头与信号放大电路(3)的输入端相连，电流信号经过信号放大电路(3)后变为电压信号，通过PLC(4)的输入模块进行采集、通过输出模块进行输出；在上位机上显示的值需将其变换回电流信号，放大后的信号送入PLC(4)并通过上位机完成束流强度显示。
2.根据权利要求1所述的质子束流强度在线监测系统，其特征在于，所述PLC(4)还包括存储模块，存储模块用于存储输入模块和输出模块的数据。
3.根据权利要求1所述的质子束流强度在线监测系统，其特征在于，所述驱动机构包括伺服电机、与伺服电机输出轴连接的丝杠，丝杠与剥离膜支架的连接结构为：所述剥离膜支架（2）通过固定件连接在丝杠的螺母上。
4.根据权利要求3所述的质子束流强度在线监测系统，其特征在于，所述控制模块控制伺服电机的启停。
5.根据权利要求1所述的质子束流强度在线监测系统，其特征在于，所述信号输入模块记录电荷量Q1、Q2，计时模块记录Q1和Q2之间的时间差t，控制模块通过Q1、Q2和t获得电流值I。
6.根据权利要求1所述的质子束流强度在线监测系统，其特征在于，所述质子束流的能量为70MeV至100MeV。
7.根据权利要求1所述的质子束流强度在线监测系统，其特征在于，所述上位机为PC机(5)或显示屏。
8.一种应用权利要求1所述的质子束流强度在线监测系统的监测方法，其特征在于，步骤一：启动质子回旋加速器和在线监测系统；步骤二：将剥离膜(1)通过伺服电机和驱动机构移动至工作位置，工作位置为质子束流引出的位置；步骤三，负氢束流通过剥离膜，质子回旋加速器中的磁场方向大小均保持不变，轨道反转，质子束流引出。
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