CN109104809A - 一种用于加速器终端实验站的降能器及降能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粒子加速器技术领域，涉及一种用于加速器终端实验站的降能器及降能方法，具体地为用于单粒子效应实验站的组合式降能器。所述降能器系统主要包括：一组降能挡块和控制驱动系统。通过控制不同挡块的升降来改变束流穿透的总材料厚度，从而实现能量的调节。本发明结构形状紧凑，可节省实验站空间；驱动系统为气动模式，能够实现不同能量的快速调节；降能挡块拆装方便，利于更换；降能器通过不同降能挡块的组合，可以调节束流能量到多个能量点。
Description
技术领域
本发明属于粒子加速器技术领域，涉及一种用于调节加速器终端实验站粒子能量的被动降能器及降能方法。
背景技术
用于宇航级核心电子器件的空间单粒子效应研究的加速器装置，一般要求辐照实验站靶器件的束流能量可调，常采用一种利用粒子与物质相互作用损失能量原理而实现的被动降能装置。同步加速器一般有一个最低引出能量，为了满足单粒子效应研究的需求，在靶前安装这种被动降能装置。
这种降能装置的核心是通过若干种不同厚度的降能挡块进行组合，实现更多的束流穿透厚度组合，当加速器引出的束流穿透降能挡块时，产生能量损失，从而在穿过挡块后得到不同能量的粒子束。
根据公开文献、专利报道，目前常用的被动降能装置结构有以下几种，类似专利CN106304606中所述，采用单向(或双向)插入式结构，降能挡块为台阶型厚度变化的物体块，这种结构导致在垂直束流方向的体积过大，对于单向结构，能量档位数与挡块数量n相等，对于双向插入式结构，能量档位可由组合产生，能量档位数为n2；专利CN106902476为双侧插入的楔形结构降能器，采用的是控制一对完全对称的楔形锯齿块移动，使得束流经过的降能器材料厚度连续改变，从而实现能量的调节，这种降能器可以实现能量的连续调节，但是其对降能块的定位精度要求较高；另外如专利CN106267584，还有单(双)盘状旋转式的结构来实现调节，与单向(或双向)插入式结构功能类似，只是结构不同。
发明内容
为了解决现有的被动降能装置存在的体积大、定位精度要求高等问题，本发明提供了一种高效、紧凑且对定位精度要求不高的用于加速器终端实验站的降能器，同时提供了利用该降能器实现降能的方法。
本发明的技术解决方案是提供一种用于加速器终端实验站的降能器，其特殊之处在于：包括驱动控制系统及n块平行设置的降能挡块；其中n为大于等于2的正整数；
上述降能挡块的面积大于束斑的面积；
上述驱动控制系统用于根据调节能量，控制各个降能挡块的升降
使用时，将该降能装置置于束流流经的路径中，使束流能够垂直穿过各降能挡块。因为降能挡块面积大于束斑面积，对降能挡块位置只要求达到“升”或者“降”的两个状态，对定位精度要求不高。
进一步地，各降能挡块的厚度不同。由于若干个降能挡块平行放置，其中降能挡块厚度不同，这样可以组合出更多的厚度，每个挡块有“升”和“降”两种状态，那么一共有2n个厚度组合，对于固定引出能量的加速器束流，可以通过该被动降能装置得到2n个中心能量点。
进一步地，上述驱动控制系统包括可编程控制器PLC、计算机及n个驱动装置；可编程控制器PLC与计算机通讯；n个驱动装置与n块平行设置的降能挡块一一对应，可编程控制器PLC根据计算机发送的控制指令控制各驱动装置驱动各降能挡块；
计算机中存储指令，指令运行时实现下述骤：
步骤一：接收输入的多组调节能量值，根据各组调节能量值计算对应的降能挡块的组合厚度，根据降能挡块的组合厚度确定各降能挡块的状态，并将得各组调节能量值、对应降能挡块的组合厚度及对应的各降能挡块的状态数据存储；
步骤二：接收需要的调节能量值，查找步骤一存储数据中该调节能量值对应的各降能挡块的状态，生成对应的控制指令，将对应的控制指令发送至可编程控制器PLC。
进一步地，上述驱动控制系统还包括用于检测各降能挡块升降状态的位置传感器，位置传感器与可编程控制器PLC通讯，位置传感器将当前各降能挡块的升降状态反馈至可编程控制器PLC通过计算机人机界面显示。
进一步地，各降能挡块分别与各驱动装置可拆卸连接，在需要维修或更换降能挡块时，可在周围剂量达到安全值以下时，通过卸下降能挡快的固定结构，直接更换所需的一个或多个挡块，而不需要对整个装置进行移动和拆卸。
进一步地，每个驱动装置均包括扁平式气缸及电磁换向阀；
n个电磁换向阀分别控制n个独立的扁平式气缸，n个电磁换向阀公用一个连接模块。
进一步地，为了降低对束流品质的影响，同时降低感生放射性水平，上述降能挡块的材料通常采用密度较高但原子序数较低的材料，如石墨或铝。
本发明还提供一种利用上述降能器实现降能的方法，包括步骤一：在实验站靶前不需要降能的工作状态下，利用驱动控制系统将各降能挡块降低，使得束流未经降能挡块阻挡即可通过降能器达到靶器件；
在需要将引出束流的能量降到所需能量点时，驱动控制系统根据该能量点调节各降能挡块升降。
进一步地，在步骤一前还包括以下步骤：
(1)在计算机中计算多组所需能量点对应降能挡块的组合厚度，并确定在一定的组合厚度下对应的各降能挡块的升降状态，并将结果进行存储；
(2)观察各降能挡块的状态，并与计算机人机界面的状态核对，计算机发送控制指令控制可编程控制器PLC调节降能挡块，使得各降能挡块的状态与计算机人机界面显示的状态一致。
进一步地，上述步骤一具体为：在实验站靶前不需要降能的工作状态下，计算机发送控制指令控制可编程控制器PLC调节降能挡块，将各降能挡块调节为“降”的状态；
在需要将引出束流的能量降到某个能量点时，在计算机中输入该能量点编号，查找相对应的各降能挡块的状态，生成相对应的控制指令，将控制指令发送至可编程控制器，可编程控制器通过驱动装置控制各降能挡块升降，使得各降能挡块的状态与查找得到的各降能挡块的状态一致。
本发明的有益效果是：
1、本发明降能器采用若干个降能挡块进行组合的方式，可以显著降低挡块个数，简化降能器的结构，节约了实验站的空间，为质子(重离子)加速器单粒子效应试验平台提供了小型化解决方案；
2、本发明降能器因为降能挡块面积大于束斑面积，对降能挡块位置只要求达到“升”或者“降”的两个状态，不需要对位置进行精确调节，实现高效降能；
3、各降能挡块与各自的驱动装置开拆卸固定，利于维修更换，降低成本；
4、本发明驱动控制系统中PLC可靠性高，抗干扰能力强，适用于有电磁辐射、核辐射干扰的加速器现场，且能够实现有效闭环控制，调节过程方便简单，实现高效降能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的降能器结构示意图；
图2是本发明实施例降能器控制系统原理框图；
图3是专业扁平式气缸结构图；
图4是五组电磁换向阀结构示意图。
图中附图标记为：1-降能挡块，2-驱动控制系统，3-连接模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。实施例将用于质子同步加速器装置中，该同步加速器可直接引出能量为60～230MeV的质子束流用于单粒子效应试验，对于实验站靶前60MeV以下的能量调节，需要通过实施例中的降能器来实现。
本实施例降能器包括一组降能挡块1和控制驱动系统2。
从图1可以看出，本实施例包括五块平行设置不同厚度的降能挡块，考虑到束流与材料的作用以及加工难度，材料选为铝，束斑尺寸最大为100mm*100mm，降能挡块面积为250mm*250mm，用于实现质子在60MeV以下的能量调节，可以调节到25＝32个能量点(包括60MeV)。其中降能挡块的厚度和其调节能量的对应关系如表2所示，该计算使用蒙特卡洛程序TRIM完成，该实施例图1中，从左到右相邻两个降能挡块的厚度左侧的是右侧的两倍，如表1所示。
表1降能挡块厚度
| 编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 厚度/μm | 7200 | 3600 | 1800 | 900 | 450 |
表2降能挡块的组合状态和其调节能量的对应关系
| 状态编号 | 组合状态 | 组合厚度/μm | 60MeV质子穿透后平均能量/MeV |
| 0 | 00000 | 0 | 60.00 |
| 1 | 00001 | 450 | 58.98 |
| 2 | 00010 | 900 | 57.94 |
| 3 | 00011 | 1350 | 56.89 |
| 4 | 00100 | 1800 | 55.82 |
| 5 | 00101 | 2250 | 54.74 |
| 6 | 00110 | 2700 | 53.64 |
| 7 | 00111 | 3150 | 52.53 |
| 8 | 01000 | 3600 | 51.39 |
| 9 | 01001 | 4050 | 50.23 |
| 10 | 01010 | 4500 | 49.06 |
| 11 | 01011 | 4950 | 47.86 |
| 12 | 01100 | 5400 | 46.63 |
| 13 | 01101 | 5850 | 45.38 |
| 14 | 01110 | 6300 | 44.11 |
| 15 | 01111 | 6750 | 42.80 |
| 16 | 10000 | 7200 | 41.46 |
| 17 | 10001 | 7650 | 40.09 |
| 18 | 10010 | 8100 | 38.68 |
| 19 | 10011 | 8550 | 37.22 |
| 20 | 10100 | 9000 | 35.72 |
| 21 | 10101 | 9450 | 34.17 |
| 22 | 10110 | 9900 | 32.57 |
| 23 | 10111 | 10350 | 30.90 |
| 24 | 11000 | 10800 | 29.16 |
| 25 | 11001 | 11250 | 27.33 |
| 26 | 11010 | 11700 | 25.39 |
| 27 | 11011 | 12150 | 23.33 |
| 28 | 11100 | 12600 | 21.12 |
| 29 | 11101 | 13050 | 18.70 |
| 30 | 11110 | 13500 | 16.01 |
| 31 | 11111 | 13950 | 12.89 |
备注：组合状态栏中，五位数字的位置从左到右依次代表第一降能挡块至第五降能挡块，数字1代表“升”状态，数字0代表“降”状态，如组合状态00001意为前4个降能挡块状态为“降”，第五降能挡块状态为“升”。
本发明驱动控制系统可以采用气动或电动驱动，从图2可以看出，本实施例采用气动控制，该实施例控制驱动系统包括计算机、可编程控制器及驱动装置；计算机与可编程控制器通过以太网通讯模块通讯，实现远程控制；通过计算机人机界面将设定的状态传递给可编程控制器PLC执行，可编程控制器PLC通过中间继电器，打开电磁阀，给气缸供气，使气缸正常工作，从而将降能挡块输送到相应位置。可编程控制器PLC对n路气缸进行控制，空压机提供系统需要的压缩空气，通过减压阀实现压力值的有效控制，压力值的大小决定气缸工作的速率。该驱动控制系统中还包括用于检测各个降能挡块运动到位状态的位置传感器，位置传感器实时将各个降能挡块的状态反馈给可编程控制器PLC的输入检测点，实现有效闭环控制。
由于降能挡块的间距较小(大约30mm)，因此该实施例中选用宽度较小的专业扁平式气缸，如附图3所示。其中气缸的控制元件为电磁换向阀，系统选择五个独立的进口电磁换向阀分别控制五个独立的气缸，五个电磁阀公用一个连接模块3，使其结构简洁美观，减少了复杂的气路连接，其结构如附图4所示。
该降能器装置的使用步骤如下：
(1)在计算机中利用蒙特卡洛程序TRIM计算降能挡块的组合厚度和其调节能量的对应关系，并确定在一定的组合厚度下对应的各降能挡块的升降状态，并将结果进行存储，存储结果如图2所示。
(2)观察各降能挡块的状态，并与计算机人机界面的状态核对，计算机发送控制指令控制可编程控制器PLC调节降能挡块，使得各降能挡块的状态与人机界面显示的状态一致，确保系统正常运行。
(3)在实验站靶前不需要降能的工作状态下，计算机发送控制指令控制可编程控制器PLC调节降能挡块，将各降能挡块调节为“降”的状态，此时束流未经任何物体阻挡(忽略实验站的空气环境)即可通过降能器达到靶器件；
在需要将引出束流的能量降到60MeV以下某个能量点时，只需在计算机中输入该能量编号，查找相对应的降能挡块的组合状态，将查找结果及控制指令发送至可编程控制器，可编程控制器控制驱动装置工作。如需要降能到30.90MeV时，系统自动将五个降能挡块的状态调整为“10111”。
(4)在需要维修或更换降能块时，满足该加速器装置的剂量率限值(2.5uSv/h)时，通过卸下降能挡快的固定结构，直接更换所需的一个或多个挡块，而不需要对整个装置进行移动和拆卸。
显然本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种用于加速器终端实验站的降能器，其特征在于：包括驱动控制系统及n块平行设置的降能挡块；其中n为大于等于2的正整数；
所述降能挡块的面积大于束斑的面积；
所述驱动控制系统用于根据调节能量，控制各个降能挡块的升降。
2.根据权利要求1所述的用于加速器终端实验站的降能器，其特征在于：各降能挡块的厚度不同。
3.根据权利要求2所述的用于加速器终端实验站的降能器，其特征在于：所述驱动控制系统包括可编程控制器PLC、计算机及n个驱动装置；可编程控制器PLC与计算机通讯；n个驱动装置与n块平行设置的降能挡块一一对应，可编程控制器PLC根据计算机发送的控制指令控制各驱动装置驱动各降能挡块；
计算机中存储指令，指令运行时实现步骤一与步骤二：
步骤一：接收输入的多组调节能量值，根据各组调节能量值计算对应的降能挡块的组合厚度，根据降能挡块的组合厚度确定各降能挡块的状态，并将得各组调节能量值、对应降能挡块的组合厚度及对应的各降能挡块的状态数据存储；
步骤二：接收需要的调节能量值，查找步骤一存储数据中该调节能量值对应的各降能挡块的状态，生成对应的控制指令，将对应的控制指令发送至可编程控制器PLC。
4.根据权利要求3所述的用于加速器终端实验站的降能器，其特征在于：所述驱动控制系统还包括用于检测各降能挡块升降状态的位置传感器，位置传感器与可编程控制器PLC通讯，位置传感器将当前各降能挡块的升降状态反馈至可编程控制器PLC通过计算机人机界面显示。
5.根据权利要求3所述的用于加速器终端实验站的降能器，其特征在于：各降能挡块分别与各驱动装置可拆卸连接。
6.根据权利要求5所述的用于加速器终端实验站的降能器，其特征在于：每个驱动装置均包括扁平式气缸及电磁换向阀；
n个电磁换向阀分别控制n个独立的扁平式气缸，n个电磁换向阀公用一个连接模块。
7.根据权利要求5所述的用于加速器终端实验站的降能器，其特征在于：所述降能挡块的材料为石墨或铝。
8.一种利用权利要求1-7任一所述降能器实现降能的方法，其特征在于，包括
步骤一：在实验站靶前不需要降能的工作状态下，利用驱动控制系统将各降能挡块降低，使得束流未经降能挡块阻挡即可通过降能器达到靶器件；
在需要将引出束流的能量降到所需能量点时，驱动控制系统根据该能量点调节各降能挡块升降。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
在步骤一前还包括以下步骤：
(1)在计算机中计算多组所需能量点对应降能挡块的组合厚度，并确定在一定的组合厚度下对应的各降能挡块的升降状态，并将结果进行存储；
(2)观察各降能挡块的状态，并与计算机人机界面的状态核对，计算机发送控制指令控制可编程控制器PLC调节降能挡块，使得各降能挡块的状态与人机界面显示的状态一致。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体为：在实验站靶前不需要降能的工作状态下，计算机发送控制指令控制可编程控制器PLC调节降能挡块，将各降能挡块调节为“降”的状态；
在需要将引出束流的能量降到某个能量点时，在计算机中输入该能量点编号，查找相对应的各降能挡块的状态，生成相对应的控制指令，将控制指令发送至可编程控制器，可编程控制器通过驱动装置控制各降能挡块升降，使得各降能挡块的状态与查找得到的各降能挡块的状态一致。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181228 |