CN113093638B - 一种强流加速器热阴极监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强流加速器热阴极监控系统，涉及强流加速器技术领域，其技术方案要点是：包括真空计模块、真空泵模块、加热电源、水冷模块、数据采集模块、电磁阀模块、工控模块、交换机以及系统供电的供电模块。本发明在加速器高电压强电流的电磁环境下，提高了热阴极其附属设备长时间稳定连续运行的可靠性，提高实验效率，减轻人员工作强度；且实时监控真空设备、水冷装置等状态参数，将相关设备的运行状态、真空度等数据关联起来，对故障或异常状况根据复杂逻辑作出快速响应，异常情况发生时可迅速关闭真空阀门、停止加热并发出声光报警等达到保护热阴极的目的。

Description

一种强流加速器热阴极监控系统

技术领域

本发明涉及强流加速器技术领域，更具体地说，它涉及一种强流加速器热阴极监控系统。

背景技术

注入器作为强流直线感应加速器的“龙头”，是为整个加速器提供初始粒子束的装置。注入器集合了加速器的主要关键技术，直接影响加速器能量、束流强度、粒子的空间以及时间分布；而阴极是注入器研制中的关键核心部件之一，阴极的主要作用是提供大量可供引出和加速的自由电子，所以阴极的稳定可靠工作直接影响加速器性能参数。

强流加速器阴极大体上可以分成两大类：强流场致发射阴极和热阴极，强流场致发射阴极具有发射电流密度大、系统简单方便等优点；其缺点在于发射过程伴随阴极等离子体产生，不利于长脉冲和多脉冲加速器的工作，同时具有电子束发射度相对较大等缺点。而热阴极具有阴极产生的电流束发射度低、发射过程稳定、猝发多脉冲束一致性好等优点，其缺点是热阴极工作环境相对较为复杂、阴极易中毒等。强流加速器要求阴极发射kA量级的流强，多脉冲强流加速器不但要求发射束流高亮度、高流强，同时要求低发射度、猝发多脉冲束参数一致性好。综合考虑，在目前的技术条件下，大面积热阴极成为强流多脉冲加速器阴极的首选。

热阴极的稳定可靠工作强烈依赖于工作环境的真空度和工作温度。通常热阴极在1300℃以上才能稳定发射，对环境气体的临界压强要求为：氧气优于10^-4Pa；水蒸气优于3×10^-5Pa；二氧化碳优于10^-4Pa；除氮气、氢气及稀有气体外，几乎所有气体都会对热阴极造成中毒，中毒后的热阴极失去发射能力，无法继续使用，造成严重的经济损失和时间损失。此外，热阴极稳定可靠工作是强流加速器开展实验的基础和前提，一个完整的强流加速器实验周期，往往要求热阴极及其附属设备每天24小时每周七天的连续运行；且系统处于高电压强电流的工作环境，实验过程中会产生很强的空间电磁场对现场设备造成干扰，在强流加速器采用热阴极发射之初，实验周期内很多天都需要运行人员定时巡检热阴极相关设备的运行状态，晚上更是需要多人轮流值班。因此，如何研究设计一种强流加速器热阴极监控系统是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种强流加速器热阴极监控系统。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种强流加速器热阴极监控系统，包括真空计模块、真空泵模块、加热电源、水冷模块、数据采集模块、电磁阀模块、工控模块、交换机以及系统供电的供电模块；

真空计模块，用于测量热阴极所处运行环境的环境真空度，并将环境真空度通过串口服务器传输至工控模块；

真空泵模块，响应于启动控制信号启动后对强流加速器热阴极的运行环境进行抽真空处理以建立满足热阴极正常出束的真空环境；

加热电源，响应于加热控制信号启动后对热阴极的热子加热；

水冷模块，用于以循环水冷系统对真空泵模块以及热阴极四周的部件进行降温；

数据采集模块，用于采集真空泵模块的状态信号以及水冷模块的流量信号、温度信号，且在系统运行异常时输出报警信号；

电磁阀模块，安装在与真空泵连通的真空管道，且响应于PLC控制器输出的阀门控制信号启闭；

工控模块，用于在环境真空度达到预设的工作真空度时生成加热控制信号，并将加热控制信号通过串口服务器传输至加热电源；

交换机通过以太网与串口服务器、数据采集模块、工控模块、PLC控制器通信连接。

进一步的，所述真空泵模块包括机械泵、分子泵、低温泵；

机械泵，用于对运行环境从大气压抽真空至10Pa；

分子泵，用于对运行环境从10Pa抽真空至10^-4Pa；

低温泵，用于对运行环境从10^-4Pa抽真空至预设的工作真空度。

进一步的，所述真空泵模块抽真空处理时机械泵、分子泵、低温泵响应于启动控制信号依次启动；加速器实验过程中分子泵和低温泵处于工作状态；加速器实验结束后首先关闭分子泵，且根据环境真空度的下降依次关闭低温泵和机械泵。

进一步的，所述真空泵模块包括配置有继电器的真空泵电源，数据采集模块采集真空泵电源输出的继电器信号实现对真空泵模块的状态信号采集，继电器响应于启动控制信号启动后实现真空泵模块的启动。

进一步的，所述真空计模块包括至少三个安装在注入器不同部位的真空计，每个真空计配置有三个通道，测量范围为大气压至10^-8Pa。

进一步的，所述加热电源为可编程直流电源，可编程直流电源以每15min增加1A的速度将加热电流从4A缓慢提升至40A。

进一步的，所述工控模块包括IOC工控机和OPI工控机；

IOC工控机，用于对监控系统中运行设备的输入输出信号进行管控；

OPI工控机，用于根据监控系统联锁逻辑与PLC控制器通信后对电磁阀模块进行远程控制。

进一步的，所述数据采集模块包括DI模块、温度采集模块、DO模块；

DI模块，用于采集真空泵电源的状态信号以及水冷机的流量信号；

温度采集模块，用于采集水冷机的温度信号；

DO模块，用于输出真空泵电源的启停信号和声光响应的报警信号。

进一步的，所述IOC工控机与数据采集模块采用UDP协议通信，IOC工控机与串口服务器采用TCP/IP协议通信；OPI工控机与PLC控制器采用OPC方式通信；OPI工控机与IOC工控机通过EPICSPV进行通信。

进一步的，所述供电模块为UPS供电系统。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种强流加速器热阴极监控系统，在加速器高电压强电流的电磁环境下，提高了热阴极其附属设备长时间稳定连续运行的可靠性，提高实验效率，减轻人员工作强度；

2、本发明提供的一种强流加速器热阴极监控系统实时监控真空设备、水冷装置等状态参数，将相关设备的运行状态、真空度等数据关联起来，对故障或异常状况根据复杂逻辑作出快速响应，异常情况发生时可迅速关闭真空阀门、停止加热并发出声光报警等达到保护热阴极的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中热阴极监控系统的硬件结构示意图；

图2是本发明实施例中真空阀门的本地控制原理示意图；

图3是本发明实施例中热阴极监控系统的热阴极监控系统的软件结构示意图；

图4是本发明实施例中串口服务器的连接示意图；

图5是本发明实施例中OPI工控机的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：一种强流加速器热阴极监控系统，如图1所示，包括真空计模块、真空泵模块、加热电源、水冷模块、数据采集模块、电磁阀模块、工控模块、交换机、以太网、串口服务器以及系统供电的供电模块。其中，数据采集模块、工控模块、以太网、串口服务器组成局域网传输数据。

真空计模块，用于测量热阴极所处运行环境的环境真空度，并将环境真空度通过串口服务器传输至工控模块。真空泵模块，响应于启动控制信号启动后对强流加速器热阴极的运行环境进行抽真空处理以建立满足热阴极正常出束的真空环境。加热电源，响应于加热控制信号启动后对热阴极的热子加热。水冷模块，用于以循环水冷系统对真空泵模块以及热阴极四周的部件进行降温。数据采集模块，用于采集真空泵模块的状态信号以及水冷模块的流量信号、温度信号，且在系统运行异常时输出报警信号。电磁阀模块，安装在与真空泵连通的真空管道，且响应于PLC控制器输出的阀门控制信号启闭。工控模块，用于在环境真空度达到

预设的工作真空度时生成加热控制信号，并将加热控制信号通过串口服务器传输至加热电源。交换机通过以太网与串口服务器、数据采集模块、工控模块、PLC控制器通信连接。

如图1所示，强流加速器电子束运行在真空环境，热阴极所处的注入器在实验正常出束时环境真空度须优于5×10^-5Pa，属于高真空范畴，所以强流加速器一个实验周期开始首先是高真空环境的建立。在本实施例中，强流加速器注入器安装了三种真空泵：机械泵、分子泵、低温泵，这三种泵根据每种泵的工作能力范围组合使用。首先启动机械泵工作将真空从一个大气压抽到10Pa，然后启动分子泵工作将真空从10Pa抽到10^-4Pa，最后启动低温泵工作将真空从10^-4Pa抽到工作真空度。加速器实验过程中分子泵和低温泵一直保持工作状态。实验结束后首先关闭分子泵、根据真空度的下降依次关闭低温泵和机械泵。对真空泵的实时监控是通过监控真空泵电源状态来实现，真空泵电源采用TURBO TD20设备，该设备虽然提供RS232的通信接口，为了避免电源掉电的情况无法通信所以没有采用通信口的方式，而是采用直接检测泵电源提供的继电器信号对真空泵的状态进行判断。真空泵的启停通过控制泵电源的I/0接点来实现，真空泵在长达上百个小时的运行过程中其运行状态通过采样真空泵电源的故障状态I/0信号来监控。型号为ADAM6256的DO模块连接泵电源的启停I/0接点，型号为ADAM6251的DI模块连接泵电源的故障状态I/0信号。

如图1所示，真空泵模块包括配置有继电器的真空泵电源，数据采集模块采集真空泵电源输出的继电器信号实现对真空泵模块的状态信号采集，继电器响应于启动控制信号启动后实现真空泵模块的启动。在本实施例中，真空计模块设置有三个安装在注入器不同部位的型号为ITR90的真空计，每个真空计配置有三个通道，测量范围为大气压至10^-8Pa，完全覆盖热阴极的高真空环境建立过程；ITR90真空计具有RS232接口，多个ITR90真空计接入Nport5610串口服务器集中管理，IOC工控机通过以太网访问Nport5610串口服务器实现和ITR90真空计通信。

如图1所示，强流加速器热阴极须达到1300℃以上才能可靠稳定工作，因此，热阴极的加热电源采用PAT80-100可编程直流电源,电源功率8kW,最大输出电流80A，量程和精度均满足热阴极加热的需求。PAT80-100具有RS232接口，将其接入MOXA Nport5610串口服务器，IOC工控机通过以太网访问串口服务器实现和PAT80-100电源的通信。热阴极开始加热的条件是其环境真空达到工作真空度时，加热电流从4A开始缓慢提升，大约15分钟加热电流增加1A直到加热电流提升到40A为止，加热的过程中密切检测真空度变化，防止温度提升引起元器件表面放气真空度下降损坏阴极，加热过程中如果真空度迅速变差应立即停止加热保护阴极。

如图1所示，在本实施例中，水冷模块采用4台封闭式的自循环冷却器,冷却水从热阴极系统出来以后回到制冷机被冷却后重新泵入循环系统,制冷机可以使水温保持在设置的温度，循环水采用经过反渗透处理的去离子水，制冷机中有过滤系统,滤芯定期更换。水冷装置的监控对象是4台冷却器循环水的流量和温度，流量采用安装在回水管道通断流量计监测，流量计的信号接入ADAM6251模块被IOC工控机监测；Pt100温度传感器安装在循环水的回水管路，Pt100的信号接入ADAM6015模块被IOC工控机实时监测。

如图2所示，电磁阀模块配置有与真空管一一对应的多个电磁阀，真空管道阀门作用是进行真空隔断，起到保护真空设备、保护热阴极的目的。每个真空管道连接不同类型的真空泵，各种真空泵的起始工作真空度要求不同，所以每个真空阀门在其真空环境达到连接的真空泵的起始工作真空度时开启，否则会对泵造成损坏。在真空出现故障或异常的情况下需要关闭热阴极周围的真空阀门，给热阴极一个独立的真空环境，否则会让高温热阴极暴漏在低真空环境，对其造成不可逆转的损坏。在本实施例中，真空管道阀门控制的执行机构采用分离式气动真空阀门，驱动电磁阀和阀门体分离，真空阀门控制包括本地控制和远程控制，由PLC对其实现本地控制，同时PLC接受OPI工控机命令对电磁阀实现远程控制。本地控制由操作人员在触摸屏对特定的阀门进行操作，实现阀门的打开和关闭；OPI工控机根据整个系统的联锁逻辑和PLC进行通信实现真空管道阀门的远程控制。

在本实施例中，MOXA Nport5610串口服务器实现对多台真空计的管控，并将RS232总线的设备转换成以太网总线实现通信。MOXA6251模块为16通道带隔离的DI模块，实现对各种真空泵电源状态信号的采集以及水冷机流量信号的采集。MOXA6015模块为8通道的温度采集模块，实现水冷机温度信号的采集。MOXA6256为DO模块，实现真空泵电源启停信号以及声光报警信号的输出；这些模块都具有以太网接口，支持网络级联。

如图3所示，IOC工控机实现设备输入输出管理功能，程序采用EPICS架构开发，通过以太网和MOXA Nport5610以及各种MOXA模块的通信，实现真空度、水冷机温度和流量、真空泵状态等信号的实时采集，并发送真空泵电源启停等命令。IOC工控机程序和MOXA模块采用UDP协议通信；IOC工控机程序和MOXA Nport5610采用TCP/IP协议通信。

如图4所示，MOXA Nport5610使用之前，需要对连接设备的工作模式、映射地址等参数进行设置。OPI工控机是操作员运行接口，程序采用LabVIEW平台开发，实现系统各种运行参数配置、报警阈值设置、联锁逻辑判断、数据记录等功能，同时OPI工控机程序和真空管道阀门控制PLC采用OPC的方式通信，控制阀门的关启；OPI工控机和IOC工控机通过EPICSPV进行通信。

如图5所示。热阴极工作环境的建立过程、每一步骤需要的时间、以及设备状态参数之间的联锁逻辑关系都是长时间对热阴极的运行和维护中积累的。按照加速器一个实验周期的步骤，将每一个阶段预期执行的动作、持续时间、采集的参数、逻辑判断、故障紧急处理等任务结合起来，开发出热阴极监控程序。程序有两个线程，其中一个线程是不断的周而复始的巡检真空度、温度、流量、泵电源状态等参数；另外一个线程为顺序结构，按照高真空环境的建立、阴极加热、实验、阴极退热、真空停止这个流程按步骤执行；任一步骤如果发生超时、参数异常等状况，终止顺序流程的执行，关闭真空阀门并发出声光报警等待人员介入处理；特别是在真空度迅速变差的状况下，会立即停止热阴极加热降低其温度。

工作原理：本发明中热阴极高真空环境的建立通过控制各种真空泵电源实现；通过真空计监控真空环境的实时状态；控制热阴极加热电源的输出使热阴极达到工作温度；MOXA采样模块实时采样水冷机的流量和温度；真空管道阀门本地控制由PLC来实现；采集和转换模块、交换机、工控机等组成局域网传输数据，工控机运行监控程序。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种强流加速器热阴极监控系统，其特征是，包括真空计模块、真空泵模块、加热电源、水冷模块、数据采集模块、电磁阀模块、工控模块、交换机以及系统供电的供电模块；

真空计模块，用于测量热阴极所处运行环境的环境真空度，并将环境真空度通过串口服务器传输至工控模块；

真空泵模块，响应于启动控制信号启动后对强流加速器热阴极的运行环境进行抽真空处理以建立满足热阴极正常出束的真空环境；

加热电源，响应于加热控制信号启动后对热阴极的热子加热；

水冷模块，用于以循环水冷系统对真空泵模块以及热阴极四周的部件进行降温；

数据采集模块，用于采集真空泵模块的状态信号以及水冷模块的流量信号、温度信号，且在系统运行异常时输出报警信号；

电磁阀模块，安装在与真空泵连通的真空管道，且响应于PLC控制器输出的阀门控制信号启闭；

工控模块，用于在环境真空度达到预设的工作真空度时生成加热控制信号，并将加热控制信号通过串口服务器传输至加热电源；

交换机通过以太网与串口服务器、数据采集模块、工控模块、PLC控制器通信连接；

所述真空泵模块包括机械泵、分子泵、低温泵；

机械泵，用于对运行环境从大气压抽真空至10Pa；

分子泵，用于对运行环境从10Pa抽真空至10^-4Pa；

低温泵，用于对运行环境从10^-4Pa抽真空至预设的工作真空度；

所述加热电源为可编程直流电源，可编程直流电源以每15min增加1A的速度将加热电流从4A缓慢提升至40A；

所述真空泵模块抽真空处理时机械泵、分子泵、低温泵响应于启动控制信号依次启动；加速器实验过程中分子泵和低温泵处于工作状态；加速器实验结束后首先关闭分子泵，且根据环境真空度的下降依次关闭低温泵和机械泵。

2.根据权利要求1所述的一种强流加速器热阴极监控系统，其特征是，所述真空泵模块包括配置有继电器的真空泵电源，数据采集模块采集真空泵电源输出的继电器信号实现对真空泵模块的状态信号采集，继电器响应于启动控制信号启动后实现真空泵模块的启动。

3.根据权利要求1所述的一种强流加速器热阴极监控系统，其特征是，所述真空计模块包括至少三个安装在注入器不同部位的真空计，每个真空计配置有三个通道，测量范围为大气压至10^-8Pa。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种强流加速器热阴极监控系统，其特征是，所述工控模块包括IOC工控机和OPI工控机；

IOC工控机，用于对监控系统中运行设备的输入输出信号进行管控；

OPI工控机，用于根据监控系统联锁逻辑与PLC控制器通信后对电磁阀模块进行远程控制。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种强流加速器热阴极监控系统，其特征是，所述数据采集模块包括DI模块、温度采集模块、DO模块；

DI模块，用于采集真空泵电源的状态信号以及水冷机的流量信号；

温度采集模块，用于采集水冷机的温度信号；

DO模块，用于输出真空泵电源的启停信号和声光响应的报警信号。

6.根据权利要求5所述的一种强流加速器热阴极监控系统，其特征是，所述IOC工控机与数据采集模块采用UDP协议通信，IOC工控机与串口服务器采用TCP/IP协议通信；OPI工控机与PLC控制器采用OPC方式通信；OPI工控机与IOC工控机通过EPICSPV进行通信。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的一种强流加速器热阴极监控系统，其特征是，所述供电模块为UPS供电系统。

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