CN110736943B - 多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法,采用的设备包括感应线圈探头、直线光栅尺、信号复用器、运动控制器、积分器和计算机，感应线圈探头和光栅尺读数头沿加速器径向向前运动，光栅尺输出方波经信号复用器调制出同样的方波A信号和B信号，分别传输给积分器和运动控制器，通过计算机同时实现两组探头测量时的径向精确定位,采用多线程技术实现双探头在飞行模式下的同步并行测量，大大减少磁场测量时间，保证超导回旋加速器磁场测量数据的精度以及准确性，从而提高加速器整体的可靠性。

Description

多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法
技术领域
本发明属于回旋加速器磁场测量领域，具体涉及多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法。
背景技术
超导回旋加速器用来加速引出稳定束流，束流运动需要等时性磁场的约束。为提供等时性磁场，需对加速器进行磁场测量。根据测得数据进行磁场垫补，使磁场满足束流动力学要求。
霍尔效应法和磁通量法是加速器中常用的两种磁场测量方法，前者主要适用于测量2T以内精度不高于10-4的情况，市面上有较成熟的霍尔探头产品；而后者磁场测量范围广，理论上测量精度最高可达10-5。在中能常温回旋加速器的磁场测量中，由于场强低，普遍采用单一霍尔效应探头的磁场测量方法。此外，由于常温回旋加速器磁场的稳定性相对较好，可以允许的测量时间较长，径向往往采用逐点测量的方式，一次磁场测量的时间往往需要8-20个小时。超导回旋加速器的磁场相比普通加速器磁场更强，梯度变化更大，磁铁磁饱和性能随温度波动，更快、更高精度和更高准确率的磁场测量显得非常重要。目前国际上的超导回旋加速主要采用磁通量法进行磁场测量，由于需要引入感应线圈探头和积分器等多种设备，对机械和控制等的专业性要求较高，容易引入系统误差，该问题有待解决。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供了多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法，其具有保证超导回旋加速器磁场测量数据的精度和准确度提高加速器整体的可靠性的优势。
本发明的技术方案如下：多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法，采用的设备包括感应线圈探头、直线光栅尺、信号复用器、运动控制器、积分器和计算机，其中感应线圈探头和直线光栅尺的读数头沿加速器径向运动，直线光栅尺输出方波经信号复用器调制出同样的方波A信号和B信号，分别传输给积分器和运动控制器，采用双探头作为测量传感器，通过计算机同时对两组探头测量时的径向进行精确定位，其中双探头是采用霍尔效应原理的霍尔探头和感应原理的感应线圈探头。
已知加速器径向磁场测量的起点半径为RS、终点半径为RE、测量间隔为∆R，测量过程包括如下步骤：
（1）将感应线圈探头移动到RS-1cm位置；
（2）探头保持不动，配置积分器为时间触发模式，积分时间为T，启动积分，获得磁通量Φ，计算积分器线性漂移Loff=Φ/(S*T)，其中S为感应线圈的面积；
（3）再次配置积分器为编码器触发模式，设置积分起点半径为RS、终点半径为RE、测量间隔为∆R；
（4）启动线程1和线程2；线程1基于信号复用器输出的A信号和霍尔探头获得霍尔效应法测得的磁场（r，B1），线程2基于信号复用器输出的B信号和感应线圈探头获得磁通量法测得的磁场（r，B2）。
（5）数据存储和分析。
通过采用上述技术方案，采用多线程技术，实现霍尔和感应线圈双探头在飞行模式下的磁场测量数据同步获取，大大减少磁场测量时间，两种不同原理获得的磁场数据可相互验证，保证超导回旋加速器磁场测量数据的精度和准确度，提高加速器整体的可靠性。
进一步地，线程1具体过程如下：
（1）通过运动控制器控制双探头以速度v向前开始运动；
（2）每隔时间∆t，先后采集运动控制器从信号复用器A信号得到的探头当前位置r1*和霍尔探头测得的磁场数据B1*；
（3）判断当前位置是否超出终点RE，若没有超出，重复线程1步骤（2），否则，对数组(r1*，B1*)进行插值计算，获得径向测量点的磁场数据(r，B1)，结束线程1。
进一步地，线程2具体过程如下：
（1）获取当前积分器的状态；
（2）判断积分器测量是否完成，若未完成，返回线程2步骤（1），否则，获取积分器数据（T， B2*），消除线性漂移B2=B2*-Loff×T，T为积分器自动匹配径向测量点位置的时间，由此得到磁场测量数据(r，B2)，线程2完成后进入等待，判断线程1结束后再退出，从而实现线程1和线程2的同步退出。
进一步地，线程1的步骤（2）中，时间间隔∆t决定了磁场数据(r1*，B1*)在径向上的疏密程度，对插值精度有影响，要求径向间隔小于计划磁场测量径向间隔的一半，既v×∆t<∆R/2。
进一步地，对双探头获得的两组数据进行比较，分析测量精度和误差来源，提高数据的准确性。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明的磁场测量采用不同原理机制的双探头同步并行测量方式，明显提高磁场测量数据的精度和准确度；
2. 基于以上方法固定每个角度进行测量，可以获得整个中心平面的高精度磁场数据，为束流动力学计算和物理分析提供数据，提高加速器整体的可靠性。
附图说明
图1为多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法流程图；
图2为测量设备连接原理图；
图3为霍尔探头和感应线圈探头测量磁场比较曲线图（1-霍尔探头测得磁场数据(kGs)；2-感应线圈测量磁场数据(kGs)；3-两者测得数据绝对差值(Gs)×10）。
具体实施方式
实施例1
一台230MeV超导回旋加速器，主磁场的峰区和谷区分别为4.0T和1.5T，加速器径向磁场测量的起点半径为RS= -16cm，终点半径为RE=85cm，上述位置是相对于加速器中心的距离。固定某一个角度，对径向磁场进行测量，测量间隔为∆R=1cm。测量步骤如图2所示，具体如下：
1）将感应线圈探头移动到-17cm位置；
2）探头保持不动，配置积分器为时间触发模式，积分时间为5s，启动积分，获得磁通量Φ=0.000112Wb，计算积分器线性漂移Loff=Φ/(S*T) =0.933Gs/s ，S=0.24m2；
3）再次配置积分器为编码器触发模式，设置积分起点半径为RS、终点半径为RE、测量间隔为∆R；
4）启动线程1和线程2。线程1基于信号复用器输出的A信号和霍尔探头获得霍尔效应法测得的磁场（r，B1），线程2基于信号复用器输出的B信号和感应线圈探头获得磁通量法测得的磁场（r，B2）。线程1具体过程如下：
（1）通过运动控制器控制双探头以速度10cm/s向前开始运动。
（2）每隔时间50 ms，先后采集运动控制器从信号复用器A信号得到的探头当前位置r1*和霍尔探头测得的磁场数据B1*。
（3）判断当前位置是否超出终点RE，若没有超出，重复线程1步骤（2），否则，对数组(r1*，B1*)进行插值计算，获得径向测量点的磁场数据(r，B1),结束线程1。
线程2中，积分器会根据配置自动完成定位和数据的采集，具体过程如下：
（1）获取当前积分器的状态；
（2）判断积分器测量是否完成，若未完成，返回线程2步骤（1），否则，获取积分器数据（T， B2*）。消除线性漂移B2=B2*-Loff×T， T为积分器自动匹配径向测量点位置的时间，由此得到磁场测量数据(r，B2)。
在线程2完成后进入等待，判断线程1结束后再退出，从而实现线程1和线程2的同步退出。对双探头获得的两组数据进行比较如图3所示，霍尔探头和感应线圈探头测得的磁场数据1和2（单位：kGs）基本重合，对两则数据的差值（单位：Gs）放大十倍后如3所示，两则误差在2Gs以内，验证了测量数据的准确性。一次径向测量的时间大约15s，总共360个角度，考虑转动定位的时间，一次磁场测量的时间大约为2小时，时间大大减少。
经过实验证实，上述通过双探头测量及高精度驱动方法实现短时间内高精度磁场测量 ,与同类技术相比测量方式上有所不同，测量方式上采用双探头多线程同步并行测量，性能上具有测量精度高、测量时间短的优越性，且全程无需人员干预， 实现完全自动化，能够广泛应用于其他测量领域。

Claims (5)

1.多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法，采用的设备包括感应线圈探头、直线光栅尺、信号复用器、运动控制器、积分器和计算机，其中感应线圈探头和直线光栅尺的读数头沿加速器径向运动，直线光栅尺输出方波经信号复用器调制出同样的方波A信号和B信号，分别传输给积分器和运动控制器，其特征是：采用双探头作为测量传感器，通过计算机同时对两组探头测量时的径向进行精确定位，其中双探头是采用霍尔效应原理的霍尔探头和感应原理的感应线圈探头；线程数为两个，分别为线程1和线程2；线程1基于信号复用器输出的A信号和霍尔探头获得霍尔效应法测得的磁场（r，B1），线程2基于信号复用器输出的B信号和感应线圈探头获得磁通量法测得的磁场（r，B2）；
测量过程包括如下步骤：
（1）将感应线圈探头移动到RS-1cm位置；
（2）探头保持不动，配置积分器为时间触发模式，积分时间为T，启动积分，获得磁通量Φ，计算积分器线性漂移Loff=Φ/(S*T)，其中S为感应线圈的面积；
（3）再次配置积分器为编码器触发模式，设置积分起点半径为RS、终点半径为RE、测量间隔为∆R；
（4）启动线程1和线程2；
（5）数据存储和分析；
其中，加速器径向磁场测量的起点半径为RS、终点半径为RE、测量间隔为∆R。
2.根据权利要求1所述的多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法，其特征是：线程1具体过程如下：
（1）通过运动控制器控制双探头以速度v向前开始运动；
（2）每隔时间∆t，先后采集运动控制器从信号复用器A信号得到的探头当前位置r1*和霍尔探头测得的磁场数据B1*；
（3）判断当前位置是否超出终点RE，若没有超出，重复线程1步骤（2），否则，对数组(r1*，B1*)进行插值计算，获得径向测量点的磁场数据(r，B1)，结束线程1。
3.根据权利要求2所述的多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法，其特征是：线程2具体过程如下：
（1）获取当前积分器的状态；
（2）判断积分器测量是否完成，若未完成，返回线程2步骤（1），否则，获取积分器数据（T， B2*），消除线性漂移B2=B2*-Loff×T，T为积分器自动匹配径向测量点位置的时间，由此得到磁场测量数据(r，B2)，线程2完成后进入等待，判断线程1结束后再退出，从而实现线程1和线程2的同步退出。
4.根据权利要求3所述的多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法，其特征是：线程1的步骤（2）中，时间间隔∆t决定了磁场数据(r1*，B1*)在径向上的疏密程度，对插值精度有影响，要求径向间隔小于计划磁场测量径向间隔的一半，既v×∆t<∆R/2。
5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的多线程双探头超导回旋加速器高精度磁场的测量控制方法，其特征是：对双探头获得的两组数据进行比较，分析测量精度和误差来源，提高数据的准确性。
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