CN109922592A - 电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子直线加速器中对电子能量阈值进行在线监控的辐射安全联锁系统装置及方法。所述装置包括：微波采集系统，微波幅相监控系统，快速比较电路，微波源控制系统。本发明提供了一种可以在线实时监控电子加速器中电子能量阈值并实时反馈，当电子能量超过某一阈值时，对加速器系统进行辐射安全联锁，从而达到辐射安全防护的效果。本发明具有阈值控制绝对，实时在线监控，对加速器运行没有任何影响，系统反应时间快达100ns级的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于直线加速器电子能量阈值在线监控的辐射安全联锁系统装置及方法。
背景技术
随着第四代光源技术自由电子激光技术的不断进步和发展，高能直线电子加速器再次在历史的舞台上活跃了起来。对于应用于自由电子激光装置的直线电子加速器而言，其产生的X射线及γ射线，中子等高能粒子射线与加速器中电子束的能量呈正相关的关系。为了保证减少直线电子加速器对附近环境放射性污染以及对科研人员造成的人身伤害，将直线加速器中电子束能量控制在某一个阈值之下，是一个有效的方法。
对于科研用的直线电子加速器而言，为了使电子束能量可以达到一个稳定值，因此微波源控制系统一般会工作在其线性区，即最大输出功率70％左右的工作点上。当有工作人员误操作或控制系统失灵以及调制器高压瞬间变大等各种突发情况发生，会使加速器中电子束能量达到甚至超过阈值，从而产生过量的辐射，对加速器周围环境甚至工作人员产生不必要的辐射伤害。
基于以上背景，就需要发明一种可以在不破坏加速器中电子束品质的情况下，对直线电子加速器中电子能量阈值进行实时监控的辐射安全联锁系统装置及方法。当直线加速器中电子束能量一旦有可能超过某一阈值时，该系统可以在极短的时间(100ns)内停止加速器的运行，用来保护加速器周围环境以及工作人员的辐射安全。
因此，探索一种基于直线加速器电子能量阈值在线监控的辐射安全联锁系统装置及方法在自由电子激光等大型科研加速器应用领域是十分重要的。
发明内容
为了解决在不破坏电子束品质的情况下，建立监测电子直线加速器中电子能量阈值的辐射安全联锁系统问题，本发明提供了一种基于微波采集系统、微波幅相监控系统、快速比较电路和微波源控制系统组成的辐射安全联锁系统的装置及方法。本发明原理简单，因使用底层快速电路构建系统，因此具有反映时间超快的优点。
本发明的技术解决方案是：基于实时监测加速管内微波能量场功率幅值的大小，来监测加速器中电子能量的阈值，从而起到辐射安全联锁系统的作用。
电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置，包括：
微波采集系统，所述微波采集系统包括定向耦合器9，所述定向耦合器9安装在微波功率传输波导8与加速管的接口处、带可调衰减器的微波传输线10的一端，所述带可调衰减器的微波传输线10另一端连接有微波幅相监控系统1；所述微波采集系统用于对微波功率信号进行采集并衰减；
微波幅相监控系统1，所述微波幅相监控系统1将微波采集系统采集并衰减后的微波功率信号进行解调，得到加速管中微波功率的实时幅度和相位信号；
快速比较电路2，所述快速比较电路2用于将微波幅相监控系统1输出的加速管中微波功率的实时幅度和相位信号计算成电子的能量阈值并与设定值进行比较，并且输出一个联锁信号12；
微波源控制系统，所述微波源控制系统包括微波源3和带控制器的微波功率开关4，所述微波源3由加速器联锁信号13控制，可以生成稳定的微波信号，所述带控制器的微波功率开关4安装在微波源3输出端口，并由联锁信号12控制，所述带控制器的微波功率开关4与调速器5连接。
优选的，所述微波幅相监控系统1为低电平装置或示波器衍生装置。
优选的，所述快速比较电路2为FPGA电路或数字比较电路或模拟比较电路。
优选的，所述微波源3为商业微波源或利用微波源晶振定制的能产生稳定微波源的装置。
优选的，所述带控制器的微波功率开关4由控制器和微波功率开关组成，控制器由多路信号控制微波功率开关的导通与截止，多路信号中包含一路联锁信号。
优选的，所述带可调衰减器的微波传输线10由微波传输线和可调微波衰减器组成。
一种电子能量阈值在线监控辐射安全联锁方法，具有以下步骤：
步骤一、将定向耦合器安装在微波功率传输波导与加速器加速管的接口处，通过定向耦合器将加速管的输入功率耦合出来；使用衰减器将采集到的微波功率信号衰减到微波幅相监控系统可以接受的功率范围；
步骤二、衰减后的微波功率信号输入到微波幅相监控系统中，并在微波幅相监控系统中将其解调成幅度和相位信号；
步骤三、通过理论计算得出达到电子能量阈值时加速管所需要的最小微波功率；
步骤四、通过快速比较电路比较加速管功率的幅度与达到电子能量阈值最小微波功率幅度的关系，通过计算，并将比较结果作为联锁信号传输到微波源控制系统中；
步骤五、当加速管功率大于电子能量阈值所需最小微波功率时，联锁信号将微波源联锁，微波源控制系统通过微波功率开关切断微波源功率输出，同时将一个联锁信号发送到整个加速器系统，停止加速器工作。
本发明具有以下有益的效果：
本发明提供了一种可以在线实时监控电子加速器中电子能量阈值并实时反馈，当电子能量超过某一阈值时，对加速器系统进行辐射安全联锁，从而达到辐射安全防护的效果。本发明具有阈值控制绝对，实时在线监控，对加速器运行没有任何影响，系统反应时间快达100ns级的优点。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的结构示意图；
图中：1、微波幅相监控系统；2、快速比较电路；3、微波源3；4、带控制器的微波功率开关；5、调速器；6、加速管Ⅰ；7、加速管Ⅱ；8、微波功率传输波导；9、定向耦合器；10、带可调衰减器的微波传输线；11、微波幅度相位信号；12、联锁信号；13、加速器联锁信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
参见图1，本发明提供了一种基于加速管内部微波功率监测的方式对电子束能量阈值进行辐射安全联锁的系统原理图。从加速管中采集微波功率信号，将微波功率信号解调为幅度和相位信号。根据加速管效率计算电子能量阈值所需要的微波功率和幅度。比较加速管韦伯给用了幅度和阈值幅的关系。当加速管微波功率幅度小于阈值幅度时，导通微波源功率开关；否则截断微波源功率开关。
参见图2，本发明提供了一种基于加速管内部微波功率监测的方式对电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置，包括：微波采集系统、微波幅相监控系统1、快速比较电路2及微波源控制系统。
微波功率采集系统包括定向耦合器9、带可调衰减器的微波传输线10。定向耦合器9连接在加速器功率入口处波段上，微波传输线一端口与定向耦合器9连接，另一端口与衰减器连接。
微波幅相监控系统1输入端口通过衰减器与微波采集系统连接，输出端口与快速比较电路2连接。快速比较电路2主要由电平比较器构成，可以快速对两个输入端的电平进行比较，并将比较的结果作为一个电平进行输出。快速比较电路2输出端连接到微波源控制系统中。微波源控制系统包括微波源3、带控制器的微波功率开关4、与电平控制系统。电平控制系统实时对快速比较电路2传入的联锁信号进行监控。当联锁信号维持时，微波功率快速开关导通，微波功率源正常工作，输出微波。当联锁信变化时，带控制器的微波功率开关4断开，微波源3停止工作。其中微波功率幅度监测系统，快速比较电路和微波电源控制系统可以分立存在，也可以使用MTCA平台等技术集成到同一个系统中。
快速比较电路2拥有一个联锁信号端口，可以与外界加速器联锁系统连接。
一种电子能量阈值在线监控辐射安全联锁方法，具有以下步骤：
S1：在电子直线加速器每个加速管的微波功率波导入口处安装定向耦合器，使用微波传输线和定向耦合器将加速管中微波功率信号采集出来，并进行适当衰减输入到微波监测系统中。
S2：在微波幅相监控系统中，使用高速ADC将模拟的微波信号转换成数字信号。使用CORDIC等算法，将转换成数字信号的微波功率信号中的幅度和相位信息解调出来。并将所述幅度和相位信息输入到快速电路中。
S3：根据公式可以得到当达到某一电子能量阈值W时，所需要的最小加速电场的值。其中η是加速管效率，这个参数需要通过实验测量得到。将所述最小加速电场输入到快速比较电路中。
S4：在快速电路中将计算得到的达到电子能量阈值所需要的加速管内部微波场功率幅度微波监测系统输入的电子加速器中微波功率场中幅度数值进行比较。并将比较结果作为一个联锁信号输出到微波源控制系统中。
S5：当直线电子加速器中微波功率小于设定阈值时，微波源系统正常工作。当直线电子加速器中微波功率大于等于设定阈值时，微波源系统被联锁，停止输出微波功率。同时向整个加速器系统发送联锁信号。
所述微波幅相监控系统由上海应用物理研究所研制的低电平系统组成。所述低电平系统，使用MTCA系统作为硬件构架，由射频数字前端，数字信号处理平台组成。所述数字信号处理平台由高速ADC，高速DAC和FPGA组成，通过CORDIC算法可以将采集到的微波功率信号解调成I，Q信号，再转换成幅度和相位信号。所述快速电路烧录在低电平系统中的数字处理平台的FPGA中。所述微波源控制系统由微波矢量调制器，快速功率微波开关。所述矢量调制器可以根据输入的电平信号生产微波源。所述快速微波功率开关可以根据输入的连锁信号选择微波源处于导通和截止状态。
微波功率信号由微波采集系统在加速器入口处采集。传输到微波幅相监控系统中。在微波功率监测系统中被解调成幅度与相位信号。所述幅度与相位信号传递到快速电路中，与一个设定值比较，将比较的结果作为一个联锁信号引出，传递到微波源控制系统中，用来控制微波源功率开关，同时生成一个联锁整个加速器系统的联锁信号。
本发明可以在不破坏电子束品质的情况下，对电子束能量进行监测从而进行人身辐射安全防护。在自由电子激光等对电子束品质要求极高的加速器中有着重要的应用，是一种稳定、可靠、安全的人身辐射安全防护系统。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的一个较佳实例，并不是用来限制本发明，凡是在本发明的精神和原则内所做的任何修改，同等替换或改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置，其特征在于，包括：
微波采集系统，所述微波采集系统包括定向耦合器(9)，所述定向耦合器(9)安装在微波功率传输波导(8)与加速管的接口处、带可调衰减器的微波传输线(10)的一端，所述带可调衰减器的微波传输线(10)另一端连接有微波幅相监控系统(1)；所述微波采集系统用于对微波功率信号进行采集并衰减；
微波幅相监控系统(1)，所述微波幅相监控系统(1)将微波采集系统采集并衰减后的微波功率信号进行解调，得到加速管中微波功率的实时幅度和相位信号；
快速比较电路(2)，所述快速比较电路(2)用于将微波幅相监控系统(1)输出的加速管中微波功率的实时幅度和相位信号计算成电子的能量阈值并与设定值进行比较，并且输出一个联锁信号(12)；
微波源控制系统，所述微波源控制系统包括微波源(3)和带控制器的微波功率开关(4)，所述微波源(3)由加速器联锁信号(13)控制，可以生成稳定的微波信号，所述带控制器的微波功率开关(4)安装在微波源(3)输出端口，并由联锁信号(12)控制，所述带控制器的微波功率开关(4)与调速器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置，其特征在于，所述微波幅相监控系统(1)为低电平装置或示波器衍生装置。
3.根据权利要求1所述的电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置，其特征在于，所述快速比较电路(2)为FPGA电路或数字比较电路或模拟比较电路。
4.根据权利要求1所述的电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置，其特征在于，所述微波源(3)为商业微波源或利用微波源晶振定制的能产生稳定微波源的装置。
5.根据权利要求1所述的电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置，其特征在于，所述带控制器的微波功率开关(4)由控制器和微波功率开关组成，控制器由多路信号控制微波功率开关的导通与截止，多路信号中包含一路联锁信号。
6.根据权利要求1所述的电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置，其特征在于，所述带可调衰减器的微波传输线(10)由微波传输线和可调微波衰减器组成。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的电子能量阈值在线监控辐射安全联锁系统装置的辐射安全联锁方法，其特征在于，所述方法具有以下步骤：
步骤一、将定向耦合器安装在微波功率传输波导与加速器加速管的接口处，通过定向耦合器将加速管的输入功率耦合出来；使用衰减器将采集到的微波功率信号衰减到微波幅相监控系统可以接受的功率范围；
步骤二、衰减后的微波功率信号输入到微波幅相监控系统中，并在微波幅相监控系统中将其解调成幅度和相位信号；
步骤三、通过理论计算得出达到电子能量阈值时加速管所需要的最小微波功率；
步骤四、通过快速比较电路比较加速管功率的幅度与达到电子能量阈值最小微波功率幅度的关系，通过计算，并将比较结果作为联锁信号传输到微波源控制系统中；
步骤五、当加速管功率大于电子能量阈值所需最小微波功率时，联锁信号将微波源联锁，微波源控制系统通过微波功率开关切断微波源功率输出，同时将一个联锁信号发送到整个加速器系统，停止加速器工作。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20200519 |