CN116801471A - 一种用于粒子加速器的束流斩波系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于粒子加速器的束流斩波系统及其使用方法，包括直流高压斩波器、上位机和偏心电极板；直流高压斩波器用于产生相应工作模式下的PWM脉冲信号，将外接直流电压输入转换为与给定PWM脉冲信号时间结构一致、幅度与直流高压电源输出一致的目标高压脉冲信号；上位机用于下发直流高压斩波器产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，控制直流高压斩波器的工作，以及获取直流高压斩波器的目标高压脉冲信号并进行分析；偏心电极板用于施加直流高压斩波器输出的目标高压脉冲信号，将进入的直流束或脉冲束转换为符合物理供束要求的脉冲束，本发明可广泛用于粒子加速器领域中。

Description

一种用于粒子加速器的束流斩波系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及粒子加速器领域，特别是关于一种用于粒子加速器的束流斩波系统及其使用方法。

背景技术

粒子加速器应用已远远超出了基础研究领域，在材料科学、固体物理、分子生物学、化学以及地质考古等其他学科领域发挥重要作用，也广泛应用于同位素生产、肿瘤诊断和治疗等医学领域。以回旋加速器或直线加速器作为注入器的同步环加速器装置中只有在注入期间需要来自于前级加速器的离子束，为避免中高能离子束在同步环加速器入口大量损失造成设备损伤，在低能传输线系统上安装束流斩波系统，在同步环加速器需要束流时离子束可由低能传输线系统正常注入回旋加速器或直线加速器直线高频加速腔，在同步环不需要束流时束流斩波系统将离子束偏至低能传输线系统的束流回收装置(DUMP)。

束流斩波器的工作原理是物理调束人员通过上位机设置束流的时间结构参数(周期、脉宽、延时)与斩波器工作模式(内触发模式和外触发模式下的微脉冲、宏脉冲工作方式)，调节束流斩波器的输出，向位于真空室的偏心电极板施加适当的高压脉冲，将通过偏心电极板几何中心的束流进行偏转，实现束流时间结构的调整。

现有束流斩波器方案中可采用脉冲直流高压电源或采用电子管放大方式，其中，电子管放大方式需要为电子管提供各路直流电源(灯丝电源、偏压电源、帘压电源、板压电源)，且需要外接PWM信号发生器，该方案下结构复杂，输出高压脉冲上升、下降沿时间较长，且可输出的高压较低；脉冲直流高压电源或方式中脉冲直流高压电源旭设计专门的外部PWM触发信号输入接口和光事例触发输入接口，外接PWM触发信号和光事例触发信号，输出满足调束要求的时间结构的高压脉冲，该方案直流高压电源需要定制，且一旦发生故障，脉冲直流高压电源容易损坏，维修成本较高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种输出高压脉冲上升、下降沿时间短且结构简单的用于粒子加速器的束流斩波系统及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种用于粒子加速器的束流斩波系统，包括直流高压斩波器、上位机和偏心电极板；

所述直流高压斩波器连接外部直流高压电源，用于基于所述上位机下发时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，产生相应工作模式下的PWM脉冲信号，将外接直流电压输入转换为与给定PWM脉冲信号时间结构一致、幅度与直流高压电源输出一致的目标高压脉冲信号；

所述上位机用于下发所述直流高压斩波器产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及所述直流高压斩波器的工作模式控制命令，控制所述直流高压斩波器的工作，以及获取所述直流高压斩波器的目标高压脉冲信号并进行分析；

所述偏心电极板用于施加所述直流高压斩波器输出的目标高压脉冲信号，将进入的直流束或脉冲束转换为符合物理供束要求的脉冲束。

进一步地，所述直流高压斩波器内设置有：

PWM信号产生模块，用于基于所述上位机下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，在内触发模式或外触发模式下，产生周期、脉宽和延时可调的PWM脉冲信号；

正高压PWM给定信号处理模块，用于根据产生的PWM脉冲信号，生成驱动信号，在PWM高电平期间输出正高压；

负高压PWM给定信号处理模块，用于根据产生的PWM脉冲信号，生成驱动信号，在PWM低电平期间输出负高压；

脉冲正高压前级驱动模块，用于根据相应的驱动信号，产生脉冲正高压驱动信号；

脉冲负高压前级驱动模块，用于根据相应的驱动信号，产生脉冲负高压驱动信号；

正高压变压器模块，用于进行电气隔离，同时，将脉冲正高压驱动信号转换为对应的四组一致的控制信号；

负高压变压器模块，用于进行电气隔离，同时，将脉冲负高压驱动信号转换为对应的四组一致的控制信号；

脉冲正高压末级驱动模块，用于根据相应的控制信号，产生脉冲正高压末级驱动信号；

脉冲负高压末级驱动模块，用于根据相应的控制信号，产生脉冲负高压末级驱动信号；

正高压输出模块，用于在脉冲正高压末级驱动信号推动和外接直流高压电源供电下，产生目标正高压脉冲信号；

负高压输出模块，用于在脉冲负高压末级驱动信号推动和外接直流高压电源供电下，产生目标负高压脉冲信号；

电流、电压取样电路，用于对目标正高压脉冲信号和目标负高压脉冲信号进行衰减，得到电压取样信号和电流取样信号，电压取样信号作为目标高压脉冲信号；当电流取样信号的值大于预先设定的阈值时，关闭PWM脉冲信号，禁止高压输出；

控制模块，用于基于所述上位机的控制，实现所述直流高压斩波器的过流和连锁保护以及高压输出使能和禁能控制。

进一步地，所述PWM信号产生模块包括：

光事例接收电路，用于在外触发模式下，接收光事例触发信号并发送至FPGA模块；

TCP/IP通信电路，用于接收所述上位机下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令并发送至所述FPGA模块；

所述FPGA模块用于基于所述上位机下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，在内触发模式下产生相应时间参数的PWM脉冲信号；在外触发模式下对接收的光事例触发信号进行解析，并与预存的事例信号进行对比，若一致，则按照微脉冲或宏脉冲工作方式产生相应时间参数的PWM脉冲信号；否则，所述直流高压斩波器工作于DC高压输出模式，输出目标正高压脉冲信号，等待下一个光事例触发周期；

AD采样电路，用于采样所述直流高压斩波器的目标高压脉冲，并通过所述TCP/IP通信电路发送至所述上位机，以显示束流斩波系统的高压脉冲波形；

开关量输入电路，用于采样开关量信号，并通过所述TCP/IP通信电路发送至所述上位机；

PWM信号驱动电路，用于产生PWM脉冲信号。

进一步地，所述正高压PWM给定信号处理模块和负高压PWM给定信号处理模块均包括：

施密特触发器，用于对所述PWM信号产生模块产生的PWM脉冲信号进行脉冲整型；

逻辑门电路，用于根据给定的PWM脉冲信号，产生2路周期和占空比与PWM脉冲信号一致的脉冲信号，其中一路脉冲信号的极性与PWM脉冲信号相同，另一路脉冲信号的极性与PWM脉冲信号相反；

双上升沿正D型触发器具有预置和清零，与RC充放电电路配合使用，用于将所述逻辑门电路产生的两路周期和占空比与PWM脉冲信号一致的脉冲信号转换为两路窄脉冲，作为所述脉冲正高压前级驱动模块和脉冲负高压前级驱动模块的驱动信号。

进一步地，所述脉冲正高压前级驱动模块和脉冲负高压前级驱动模块均包括两个功率MOSFET驱动模块和四个功率MOS驱动管，其中，四个功率MOS驱动管分别为第一P MOS管、第一N MOS管、第二P MOS管和第二N MOS管；

所述正高压PWM给定信号处理模块或负高压PWM给定信号处理模块的输出端分别连接两所述功率MOSFET驱动模块的输入端，一所述功率MOSFET驱动模块的输出端分别连接所述第一P MOS管和第一N MOS管的栅极，另一所述功率MOSFET驱动模块的输出端分别连接所述第二P MOS管和第二N MOS管的栅极，所述功率MOSFET驱动模块用于将脉冲高压前级驱动信号进行放大，作为后面四个功率MOS驱动管的驱动信号，所述第一P MOS管的漏极和所述第一N MOS管的漏极连接且还连接至对应所述正高压变压器模块或负高压变压器模块，所述第二P MOS管的漏极连接所述第二N MOS管的漏极且还连接至对应所述正高压变压器模块或负高压变压器模块，所述第一P MOS管和第二P MOS管的源极均连接电源的输出端，所述第一N MOS管和第二N MOS管的源极均接地。

进一步地，所述脉冲正高压末级驱动模块和脉冲负高压末级驱动模块均包括第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三P MOS管和第三N MOS管；

所述正高压变压器模块或负高压变压器模块副边侧的一端并联连接所述第一肖特基二极管的正极和所述第二肖特基二极管的负极，所述第一肖特基二极管的负极连接位于电路上方的所述第三P MOS管的源极，所述第二肖特基二极管的正极连接位于电路下方的所述第三N MOS管源极，所述正高压变压器模块或负高压变压器模块副边侧的另一端分别连接所述第三P MOS管和第三N MOS管栅极，所述第三P MOS管的漏极连接所述第三N MOS管的漏极并连接至对应所述正高压输出模块或负高压输出模块，输出脉冲高压末级驱动信号。

进一步地，所述正高压输出模块和负高压输出模块均是由四个第四N MOS管串联连接而成；

所述正高压输出模块中，四个所述第四N MOS管的栅极分别连接所述脉冲正高压末级驱动模块，位于电路上方的所述第四N MOS管的漏极连接外部直流高压电源的正极或高压电源地或高压电源正极，位于电路上方的所述第四N MOS管的源极连接与其串联的下一级所述第四N MOS管的漏极，以此类推，位于电路下方的所述第四N MOS管的源极作为输出端输出目标正高压脉冲信号；

所述负高压输出模块中，四个所述第四N MOS管的栅极分别连接所述脉冲负高压末级驱动模块，位于电路下方的所述第四N MOS管的源极连接外部直流高压电源的负极或高压电源地或高压电源负极，位于电路下方的所述第四N MOS管的漏极连接与其串联的下一级所述第四N MOS管的源极，以此类推，位于电路上方的所述第四N MOS管的漏极作为输出端输出目标负高压脉冲信号。

进一步地，所述上位机内设置有：

参数下发模块，用于下发所述直流高压斩波器产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及所述直流高压斩波器的工作模式控制命令，其中，工作模式控制命令包括内触发模式控制命令、外触发模式下的微脉冲或宏脉冲控制命令；

数据获取模块，用于获取所述直流高压斩波器的目标高压脉冲；

数据分析模块，用于对目标高压脉冲信号的输出取样波形与所述PWM信号产生模块产生的PWM脉冲信号进行对比以及确定目标高压脉冲信号的输出正常与否；

直流高压斩波器控制模块，用于控制所述直流高压斩波器的使能、禁能和复位；

显示模块，用于显示目标高压脉冲信号的输出取样波形的分析结果和所述直流高压斩波器的工作状态。

另一方面，提供一种基于用于粒子加速器的束流斩波系统的使用方法，包括：

上位机下发产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令至直流高压斩波器；

直流高压斩波器基于上位机下发时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，产生相应工作模式下的PWM脉冲信号，将外接直流电压输入转换为与给定PWM脉冲信号时间结构一致、幅度与直流高压电源输出一致的目标高压脉冲信号；

偏心电极板施加直流高压斩波器输出的目标高压脉冲信号，将进入的直流束或脉冲束转换为符合物理供束要求的脉冲束；

上位机获取直流高压斩波器的目标高压脉冲信号并进行分析。

进一步地，所述直流高压斩波器基于上位机下发时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，产生相应工作模式下的PWM脉冲信号，将外接直流电压输入转换为与给定PWM脉冲信号时间结构一致、幅度与直流高压电源输出一致的高压脉冲输出，包括：

PWM信号产生模块基于上位机下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，在内触发模式或外触发模式下，产生周期、脉宽和延时可调的PWM脉冲信号；

正高压PWM给定信号处理模块和负高压PWM给定信号处理模块根据产生的PWM脉冲信号，生成对应脉冲正高压前级驱动模块和脉冲负高压前级驱动模块所需的驱动信号；

脉冲正高压前级驱动模块和脉冲负高压前级驱动模块根据相应的驱动信号，产生对应正高压变压器模块原边侧的脉冲正高压驱动信号和负高压变压器模块原边侧的脉冲负高压驱动信号；

正高压变压器模块和负高压变压器模块进行电气隔离，同时，将对应脉冲正高压驱动信号和脉冲负高压驱动信号转换为对应四组一致的控制信号，用于驱动对应脉冲正高压末级驱动模块和脉冲负高压末级驱动模块；

脉冲正高压末级驱动模块和脉冲负高压末级驱动模块根据相应的控制信号，产生控制对应正高压输出模块的脉冲正高压末级驱动信号和负高压输出模块的脉冲负高压末级驱动信号；

正高压输出模块和负高压输出模块在对应末级驱动信号的推动和外接直流高压电源供电下，产生对应目标正高压脉冲信号和目标负高压脉冲信号；

电压、电流取样电路对目标正高压脉冲信号和目标负高压脉冲信号进行衰减，得到电压取样信号和电流取样信号，电压取样信号作为目标高压脉冲信号；当电流取样信号的值大于预先设定的阈值时，关闭PWM脉冲信号，禁止高压输出；

控制模块基于上位机的控制，实现直流高压斩波器的过流和连锁保护以及高压输出使能和禁能控制。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明将通过真空管道的直流束或脉冲束转换成符合物理调束要求的脉冲束，以满足实验终端和以回旋加速器或直线加速器作为注入器的同步环加速器装置束流注入、累计的脉冲束要求。

2、本发明的直流高压斩波器能够实现单极性(正对地(0-4000V)、负对地(-4000V-0))、双极性(电压差≤4000V)、重复频率、脉冲宽度、脉冲幅值均可调的目标高压脉冲输出及100％占空比的连续高压输出，且高压脉冲上升、下降沿时间小于30ns，内触发模式与外触发(光事例触发)模式可自由切换。

3、本发明中的直流高压斩波器还可应用于驱动偏转板，飞行时间质谱仪，生物细胞的高压脉冲发生器以及等离子化学等领域。

4、本发明只需要一个常规直流高压电源(其额定输出电压和额定功率满足要求即可)，不需要定制，结构简单，操作方便。

5、本发明有良好的故障保护机制，当束流斩波器偏心电极板发生打火故障时，直流高压斩波器会因过流而迅速切断高压输出，保护直流高压斩波器和直流高压电源，同时直流高压斩波器会输出连锁信号，插上斩波器系统前的法拉第筒，切断束流，起到设备、人身安全连锁保护。

综上所述，本发明可以广泛应用于粒子加速器领域中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的束流斩波系统整体结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的直流高压斩波器的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的直流高压斩波器中PWM信号产生模块的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的直流高压斩波器中正高压PWM给定信号处理模块的结构示意图，注：负高压PWM给定信号处理模块与正高压PWM给定信号处理模块的电路结构类似；

图5是本发明一实施例提供的直流高压斩波器中脉冲正高压前级驱动模块的结构示意图，注：脉冲负高压前级驱动模块与脉冲正高压前级驱动模块的电路结构类似；

图6是本发明一实施例提供的直流高压斩波器中脉冲正高压末级驱动模块的结构示意图，注：脉冲负高压末级驱动模块与脉冲正高压末级驱动模块的电路结构类似；

图7是本发明一实施例提供的直流高压斩波器中正高压输出模块的结构示意图；

图8是本发明一实施例提供的直流高压斩波器中负高压输出模块的结构示意图；

图9是本发明一实施例提供的偏心电极板的结构示意图；

图10是本发明一实施例提供的内触发模式与外触发模式下宏脉冲、微脉冲工作方式示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

本发明实施例提供的用于粒子加速器的束流斩波系统，可应用于用粒子加速器束流斩波单元，将直线加速器离子源引出的直流束或脉冲束切换成符合实验终端要求的脉冲束，为以回旋加速器或直线加速器作为注入器的同步环加速器装置束流注入、累计提供满足要求的脉冲束，其中，本发明中涉及的直流高压斩波器还可应用于驱动偏转板，飞行时间质谱仪，生物细胞的高压脉冲发生器以及等离子化学等领域。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种用于粒子加速器的束流斩波系统，包括直流高压斩波器1、上位机2和偏心电极板3。

直流高压斩波器1连接外部直流高压电源，用于基于上位机2下发时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，产生相应工作模式下的PWM(脉冲宽度调制)脉冲信号(+5V)，将外接直流电压输入转换为与给定PWM脉冲信号时间结构一致、幅度与直流高压电源输出一致的目标高压脉冲信号。

上位机2用于下发直流高压斩波器1产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及直流高压斩波器1的工作模式控制命令，控制直流高压斩波器1的工作，以及获取目标高压脉冲信号并进行分析。

偏心电极板3用于施加直流高压斩波器1输出的目标高压脉冲信号，将进入的直流束或脉冲束转换为符合物理供束要求的脉冲束。

本发明基于直流高压斩波器1输出的高压脉冲信号，将通过真空管道的直流束或脉冲束转换为符合物理调束要求的脉冲束，以满足实验终端和以回旋加速器或直线加速器作为注入器的同步环加速器装置束流注入、累计的脉冲束要求。

在一个优选的实施例中，直流高压斩波器1通过耐高压屏蔽线连接直流高压电源，偏心电极板3通过耐高压屏蔽线连接直流高压斩波器1的输出端，上位机2采用TCP/IP通信方式连接直流高压斩波器1。

在一个优选的实施例中，如图2所示，直流高压斩波器1内设置有PWM信号产生模块100、正高压PWM给定信号处理模块101、负高压PWM给定信号处理模块102、脉冲正高压前级驱动模块103、脉冲负高压前级驱动模块104、正高压变压器模块105、负高压变压器模块106、脉冲正高压末级驱动模块107、脉冲负高压末级驱动模块108、正高压输出模块109、负高压输出模块110、控制模块111和电压、电流取样电路112。

PWM信号产生模块100用于基于上位机2下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，在内触发模式或外触发模式下，产生周期、脉宽和延时可调的PWM脉冲信号。

正高压PWM给定信号处理模块101用于根据产生的PWM脉冲信号，生成脉冲正高压前级驱动模块103所需的驱动信号，在PWM高电平期间输出正高压。

负高压PWM给定信号处理模块102用于根据产生的PWM脉冲信号，生成脉冲负高压前级驱动模块104所需的驱动信号，在PWM低电平期间输出负高压。

脉冲正高压前级驱动模块103用于根据相应的驱动信号，产生正高压变压器模块105原边侧的脉冲正高压驱动信号。

脉冲负高压前级驱动模块104用于根据相应的驱动信号，产生负高压变压器模块106原边侧的脉冲负高压驱动信号。

正高压变压器模块105用于对正高压PWM给定信号处理模块101、控制模块、脉冲正高压前级驱动模块103和脉冲正高压末级驱动模块107进行电气隔离，同时，将原边侧的脉冲正高压前级驱动模块103输出的脉冲正高压驱动信号转换为对应的四组一致的控制信号，用于驱动脉冲正高压末级驱动模块107。

负高压变压器模块106用于对负高压PWM给定信号处理模块102、控制模块、脉冲负高压前级驱动模块104和脉冲负高压末级驱动模块108进行电气隔离，同时，将原边侧的脉冲负高压前级驱动模块104输出的脉冲负高压驱动信号转换为对应的四组一致的控制信号，用于驱动脉冲负高压末级驱动模块108。

脉冲正高压末级驱动模块107用于根据相应的控制信号，产生控制正高压输出模块109中SIC MOS管工作与否(饱和或截止状态)的脉冲正高压末级驱动信号。

脉冲负高压末级驱动模块108用于根据相应的控制信号，产生控制负高压输出模块110中SIC MOS管工作与否(饱和或截止状态)的脉冲负高压末级驱动信号。

正高压输出模块109用于在脉冲正高压末级驱动信号推动和外接直流高压电源供电下，产生目标正高压脉冲信号。

负高压输出模块110用于在脉冲负高压末级驱动信号推动和外接直流高压电源供电下，产生目标负高压脉冲信号。

电压、电流取样电路112用于对目标正高压脉冲信号和目标负高压脉冲信号进行衰减，得到电压取样信号和电流取样信号，电压取样信号作为目标高压脉冲信号；当电流取样信号的值大于预先设定的阈值时，关闭PWM脉冲信号，禁止高压输出。

控制模块111用于基于上位机2的控制，实现直流高压斩波器1的过流和连锁保护以及高压输出使能和禁能控制。

具体地，如图3所示，PWM信号产生模块100包括光事例接收电路100-1、TCP/IP通信电路100-2、FPGA模块100-3、AD采样电路100-4、开关量输入电路100-5和PWM信号驱动电路100-6。

光事例接收电路100-1用于在外触发模式下，接收光事例触发信号并发送至FPGA模块100-3。

TCP/IP通信电路100-2用于接收上位机2下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令并发送至FPGA模块100-3。

FPGA模块100-3用于基于上位机2下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，在内触发模式下产生相应时间参数的PWM脉冲信号；在外触发模式下对接收的光事例触发信号进行解析，并与预存的事例信号进行对比，若一致，则按照微脉冲或宏脉冲工作方式产生相应时间参数的PWM脉冲信号；若不一致，则保持最初PWM输出极性不变(高电平)，直流高压斩波器1工作于DC高压输出模式，输出目标正高压脉冲信号，等待下一个光事例触发周期。

AD采样电路100-4用于采样直流高压斩波器1的目标高压脉冲信号的输出取样波形，并通过TCP/IP通信电路100-2发送至上位机2，以显示束流斩波系统的高压脉冲波形。

开关量输入电路100-5用于采样过流、连锁、使能和电源等开关量信号，并通过TCP/IP通信电路100-2发送至上位机2，以对直流高压斩波器1的工作状态进行远程监测，方便操作人员做出准确、快速的判断。

PWM信号驱动电路100-6用于产生+5V的PWM脉冲信号。

具体地，如图4所示，正高压PWM给定信号处理模块101和负高压PWM给定信号处理模块102均包括施密特触发器101-1、逻辑门电路101-2、双上升沿正D型触发器101-3和RC充放电电路101-4。

施密特触发器101-1用于对PWM信号产生模块100产生的PWM脉冲信号进行脉冲整型，提高电路抗干扰能力。

逻辑门电路101-2用于根据给定的PWM脉冲信号，产生2路周期和占空比与PWM脉冲信号一致的脉冲信号，其中一路脉冲信号的极性与PWM脉冲信号相同，另一路脉冲信号的极性与PWM脉冲信号相反。

双上升沿正D型触发器101-3具有预置和清零，与RC充放电电路101-4配合使用，用于将逻辑门电路101-2产生的两路周期和占空比与PWM脉冲信号一致的脉冲信号转换为两路窄脉冲，作为脉冲正高压前级驱动模块103和脉冲负高压前级驱动模块104的驱动信号，提高输出目标高压脉冲的上升、下降沿性能。

更具体地，逻辑门电路101-2包括反相器、异或门和与门，反相器、异或门和与门配合使用，实现上述逻辑门电路101-2的功能，该部分为现有技术公开的内容，在此不多做赘述。

具体地，如图5所示，脉冲正高压前级驱动模块103和脉冲负高压前级驱动模块104均采用推挽式设计，均包括两个高速功率MOSFET驱动模块103-1和四个高速功率MOS驱动管，其中，四个高速功率MOS驱动管分别为第一P MOS管103-2、第一N MOS管103-3、第二PMOS管103-4和第二N MOS管103-5。

正高压PWM给定信号处理模块101或负高压PWM给定信号处理模块102的输出端分别连接两高速功率MOSFET驱动模块103-1的输入端，一高速功率MOSFET驱动模块103-1的输出端分别连接第一P MOS管103-2和第一N MOS管103-3的栅极，另一高速功率MOSFET驱动模块103-1的输出端分别连接第二P MOS管103-4和第二N MOS管103-5的栅极，高速功率MOSFET驱动模块103-1用于将脉冲高压前级驱动信号进行放大，作为后面四个高速功率MOS驱动管的驱动信号，第一P MOS管103-2的漏极和第一N MOS管103-3的漏极连接且还连接至对应正高压变压器模块105或负高压变压器模块106，第二P MOS管103-4的漏极连接第二NMOS管103-5的漏极且还连接至对应正高压变压器模块105或负高压变压器模块106，第一PMOS管103-2和第二P MOS管103-4的源极均连接直流高压斩波器1板卡上经电路变换输入的80V电源的输出端，第一N MOS管103-3和第二N MOS管103-5的源极均接地。4个高速功率MOS驱动管由于工作于推挽模式，两只对称的开关管每次只有一个导通损耗小、效率高、可以提高电路的负载能力，同时提高开关速度，提升提高输出目标高压脉冲的上升、下降沿性能。

具体地，如图6所示，脉冲正高压末级驱动模块107和脉冲负高压末级驱动模块108均包括第一肖特基二极管107-1、第二肖特基二极管107-2、第三P MOS管107-3和第三N MOS管107-4。

正高压变压器模块105或负高压变压器模块106副边侧的一端并联连接第一肖特基二极管107-1的正极和第二肖特基二极管107-2的负极，第一肖特基二极管107-1的负极连接位于电路上方的第三P MOS管107-3的源极，第二肖特基二极管107-2的正极连接位于电路下方的第三N MOS管107-4源极，正高压变压器模块105或负高压变压器模块106副边侧的另一端分别连接第三P MOS管107-3和第三N MOS管107-4栅极，第三P MOS管107-3的漏极连接第三N MOS管107-4的漏极并连接至对应正高压输出模块109或负高压输出模块110，输出作为高压输出模块SiC MOS管(N型)栅极的脉冲高压末级驱动信号。当副边侧的控制信号上正下负时，位于电路上方的第三P MOS管107-3通过与其串联的第一肖特基二极管107-1导通，高压输出模块中的N MOS管导通输出高压，此时位于电路下方的第三N MOS管107-4由于与其串联的第二肖特基二极管107-2的存在，处于截止状态；当副边侧的控制信号上负下正时，位于电路上方的第三P MOS管107-3截止，导致高压输出模块中的N MOS管截止，此时位于电路下方的第三N MOS管107-4导通，高压输出模块中的N MOS管将通过位于电路下方的第三N MOS管107-4和与其串联的第二肖特基二极管107-2回路快速释放电荷，保证高压输出N MOS管快速、可靠的截止。

具体地，正高压输出模块109和负高压输出模块110均是由四个第四N MOS管109-1串联连接而成。如图7所示，正高压输出模块109中，四个第四N MOS管109-1的栅极分别连接脉冲正高压末级驱动模块107，位于电路上方的第四N MOS管109-1的漏极连接外部直流高压电源的正极(单端正对地输出)或高压电源地(单端负对地输出)或高压电源正极(双极性输出)，位于电路上方的第四N MOS管109-1的源极连接与其串联的下一级第四N MOS管109-1的漏极，以此类推，位于电路下方的第四N MOS管109-1的源极作为输出端输出目标正高压脉冲信号。如图8所示，负高压输出模块110中，四个第四N MOS管109-1的栅极分别连接脉冲负高压末级驱动模块108，位于电路下方的第四N MOS管109-1的源极连接外部直流高压电源的负极(单端负对地输出)或高压电源地(单端正对地输出)或高压电源负极(双极性输出)，位于电路下方的第四N MOS管109-1的漏极连接与其串联的下一级第四N MOS管109-1的源极，以此类推，位于电路上方的第四N MOS管109-1的漏极作为输出端输出目标负高压脉冲信号。在脉冲高压末级驱动信号推动下，同时在外接直流高压电源供电情况下，产生目标高压脉冲信号(PWM脉冲信号为高电平时，输出正高压脉冲信号，PWM脉冲信号为低电平时，输出负高压脉冲信号)。

更具体地，第四N MOS管109-1可以采用导通电阻低、开关损耗低、工作频率高、高温稳定性好且V_DS等于1200V的N型SiC MOS管。

具体地，控制模块内设置有过流控制模块、连锁控制模块和使能控制模块，其中，过流控制模块的工作过程为：

电压、电流取样电路112输出的电流取样信号经与通过电位器过流保护设定的阈值共同作用于比较器的2个输入端，当电流取样信号值大于设定的阈值时，输出高电平作用于控制模块，关闭PWM脉冲信号，禁止高压输出。

连锁控制模块的工作过程为：

由于在加速器领域应用或其它领域应用时，作用的负载工作于真空状态，当负载真空处于临界真空时，负载容易发生打火，造成设备的损坏，因此需要连锁真空状态，当实际的真空条件高于设定的连锁阈值时，连锁信号(通过外部PLC控制器来的，就是一个节点信号，包括开闭2个状态，真空正常情况下，连锁信号为闭合状态即0电平状态，否则为断开状态即高电平状态)置高，禁止高压输出。

使能控制模块的工作过程为：

为方便对过流、连锁、使能/禁能以及设备供电状态的监测，将过流状态信号(为一个开关量，正常为0电平状态)、连锁状态信号(正常为0电平状态)、使能/禁能状态信号(使能为高电平+5V，禁能为低电平0V)以及设备供电状态信号(供电是否正常信号状态，正常为高电平+5V，否则为低电平0V)连接至PWM信号产生模块100的三态输出缓冲器电路，通过PWM信号产生模块100的TCP/IP通信电路100-2将过流状态开关量、连锁状态开关量、使能/禁能状态开关量以及设备供电状态开关量发送至上位机2中显示其工作状态，方便操作人员做出准确、快速的判断，其中，三态输出缓冲器电路用于暂存上述各开关量的输出，同时将上述各开关量与PWM信号产生模块100的FPGA模块100-3进行隔离，起到保护FPGA模块100-3主芯片的作用。

在一个优选的实施例中，如图9所示，偏心电极板3通过CF150法兰安装在真空室内，法兰引出的电极板连接端子通过耐高压屏蔽线连接直流高压斩波器1的输出端。

在一个优选的实施例中，上位机2内设置有参数下发模块、数据获取模块、数据分析模块、直流高压斩波器控制模块和显示模块。

参数下发模块用于下发直流高压斩波器1产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及直流高压斩波器1的工作模式控制命令，其中，时间参数包括周期、脉宽和延时，工作模式控制命令包括内触发模式控制命令、外触发模式下的微脉冲或宏脉冲控制命令，如图10所示。

数据获取模块用于获取直流高压斩波器1的目标高压脉冲信号的输出取样波形。

数据分析模块用于对目标高压脉冲信号的输出取样波形进行分析，对目标高压脉冲信号的输出取样波形与PWM信号产生模块100产生的PWM脉冲信号进行对比(包括PWM信号的周期、占空比-正常情况下应该一致)以及确定目标高压脉冲信号的输出正常与否(若一致，则正常，否则为不正常状态)。

直流高压斩波器控制模块用于控制直流高压斩波器1的使能、禁能和复位。

显示模块用于显示目标高压脉冲信号的输出取样波形的分析结果和直流高压斩波器1的工作状态(供电、连锁、过流、使能/禁能)。

实施例2

本实施例提供一种用于粒子加速器的束流斩波系统的使用方法，包括以下步骤：

1)上位机2下发产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令至直流高压斩波器1。

2)直流高压斩波器1基于上位机2下发时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，产生相应工作模式下的PWM脉冲信号(+5V)，将外接直流电压输入转换为与给定PWM脉冲信号时间结构一致、幅度与直流高压电源输出一致的目标高压脉冲信号，具体为：

2.1)PWM信号产生模块100基于上位机2下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，在内触发模式或外触发模式下，产生周期、脉宽和延时可调的PWM脉冲信号。

2.2)正高压PWM给定信号处理模块101和负高压PWM给定信号处理模块102根据产生的PWM脉冲信号，生成对应脉冲正高压前级驱动模块103和脉冲负高压前级驱动模块104所需的驱动信号。

2.3)脉冲正高压前级驱动模块103和脉冲负高压前级驱动模块104根据相应的驱动信号，产生对应正高压变压器模块105原边侧的脉冲正高压驱动信号和负高压变压器模块106原边侧的脉冲负高压驱动信号。

2.4)正高压变压器模块105和负高压变压器模块106进行电气隔离，同时，将对应脉冲正高压驱动信号和脉冲负高压驱动信号转换为对应四组一致的控制信号，用于驱动对应脉冲正高压末级驱动模块107和脉冲负高压末级驱动模块108。

2.5)脉冲正高压末级驱动模块107和脉冲负高压末级驱动模块108根据相应的控制信号，产生控制对应正高压输出模块109的脉冲正高压末级驱动信号和负高压输出模块110的脉冲负高压末级驱动信号。

2.6)正高压输出模块109和负高压输出模块110在对应末级驱动信号的推动和外接直流高压电源供电下，产生对应目标正高压脉冲信号和目标负高压脉冲信号。

2.7)电压、电流取样电路112对目标正高压脉冲信号和目标负高压脉冲信号进行衰减，得到电压取样信号和电流取样信号，电压取样信号作为目标高压脉冲信号；当电流取样信号的值大于预先设定的阈值时，关闭PWM脉冲信号，禁止高压输出。

2.8)控制模块基于上位机2的控制，实现直流高压斩波器1的过流和连锁保护以及高压输出使能和禁能控制。

3)偏心电极板3施加直流高压斩波器1输出的高压脉冲信号，将进入的直流束或脉冲束转换为符合物理供束要求的脉冲束。

4)上位机2获取直流高压斩波器1的目标高压脉冲信号的输出取样波形并进行分析，具体为：

4.1)数据获取模块获取直流高压斩波器1的目标高压脉冲信号的输出取样波形。

4.2)数据分析模块对目标高压脉冲信号的输出取样波形与PWM信号产生模块100产生的PWM脉冲信号进行对比，以及确定目标高压脉冲信号的输出正常与否。

4.3)显示模块显示目标高压脉冲信号的输出取样波形的分析结果和直流高压斩波器1的工作状态(供电、连锁、过流、使能/禁能)。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于粒子加速器的束流斩波系统，其特征在于，包括直流高压斩波器、上位机和偏心电极板；

所述直流高压斩波器连接外部直流高压电源，用于基于所述上位机下发时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，产生相应工作模式下的PWM脉冲信号，将外接直流电压输入转换为与给定PWM脉冲信号时间结构一致、幅度与直流高压电源输出一致的目标高压脉冲信号；

所述上位机用于下发所述直流高压斩波器产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及所述直流高压斩波器的工作模式控制命令，控制所述直流高压斩波器的工作，以及获取所述直流高压斩波器的目标高压脉冲信号并进行分析；

所述偏心电极板用于施加所述直流高压斩波器输出的目标高压脉冲信号，将进入的直流束或脉冲束转换为符合物理供束要求的脉冲束。

2.如权利要求1所述的一种用于粒子加速器的束流斩波系统，其特征在于，所述直流高压斩波器内设置有：

PWM信号产生模块，用于基于所述上位机下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，在内触发模式或外触发模式下，产生周期、脉宽和延时可调的PWM脉冲信号；

正高压PWM给定信号处理模块，用于根据产生的PWM脉冲信号，生成驱动信号，在PWM高电平期间输出正高压；

负高压PWM给定信号处理模块，用于根据产生的PWM脉冲信号，生成驱动信号，在PWM低电平期间输出负高压；

脉冲正高压前级驱动模块，用于根据相应的驱动信号，产生脉冲正高压驱动信号；

脉冲负高压前级驱动模块，用于根据相应的驱动信号，产生脉冲负高压驱动信号；

正高压变压器模块，用于进行电气隔离，同时，将脉冲正高压驱动信号转换为对应的四组一致的控制信号；

负高压变压器模块，用于进行电气隔离，同时，将脉冲负高压驱动信号转换为对应的四组一致的控制信号；

脉冲正高压末级驱动模块，用于根据相应的控制信号，产生脉冲正高压末级驱动信号；

脉冲负高压末级驱动模块，用于根据相应的控制信号，产生脉冲负高压末级驱动信号；

正高压输出模块，用于在脉冲正高压末级驱动信号推动和外接直流高压电源供电下，产生目标正高压脉冲信号；

负高压输出模块，用于在脉冲负高压末级驱动信号推动和外接直流高压电源供电下，产生目标负高压脉冲信号；

电流、电压取样电路，用于对目标正高压脉冲信号和目标负高压脉冲信号进行衰减，得到电压取样信号和电流取样信号，电压取样信号作为目标高压脉冲信号；当电流取样信号的值大于预先设定的阈值时，关闭PWM脉冲信号，禁止高压输出；

控制模块，用于基于所述上位机的控制，实现所述直流高压斩波器的过流和连锁保护以及高压输出使能和禁能控制。

3.如权利要求2所述的一种用于粒子加速器的束流斩波系统，其特征在于，所述PWM信号产生模块包括：

光事例接收电路，用于在外触发模式下，接收光事例触发信号并发送至FPGA模块；

TCP/IP通信电路，用于接收所述上位机下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令并发送至所述FPGA模块；

所述FPGA模块用于基于所述上位机下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，在内触发模式下产生相应时间参数的PWM脉冲信号；在外触发模式下对接收的光事例触发信号进行解析，并与预存的事例信号进行对比，若一致，则按照微脉冲或宏脉冲工作方式产生相应时间参数的PWM脉冲信号；否则，所述直流高压斩波器工作于DC高压输出模式，输出目标正高压脉冲信号，等待下一个光事例触发周期；

AD采样电路，用于采样所述直流高压斩波器的目标高压脉冲，并通过所述TCP/IP通信电路发送至所述上位机，以显示束流斩波系统的高压脉冲波形；

开关量输入电路，用于采样开关量信号，并通过所述TCP/IP通信电路发送至所述上位机；

PWM信号驱动电路，用于产生PWM脉冲信号。

4.如权利要求2所述的一种用于粒子加速器的束流斩波系统，其特征在于，所述正高压PWM给定信号处理模块和负高压PWM给定信号处理模块均包括：

施密特触发器，用于对所述PWM信号产生模块产生的PWM脉冲信号进行脉冲整型；

逻辑门电路，用于根据给定的PWM脉冲信号，产生2路周期和占空比与PWM脉冲信号一致的脉冲信号，其中一路脉冲信号的极性与PWM脉冲信号相同，另一路脉冲信号的极性与PWM脉冲信号相反；

双上升沿正D型触发器具有预置和清零，与RC充放电电路配合使用，用于将所述逻辑门电路产生的两路周期和占空比与PWM脉冲信号一致的脉冲信号转换为两路窄脉冲，作为所述脉冲正高压前级驱动模块和脉冲负高压前级驱动模块的驱动信号。

5.如权利要求2所述的一种用于粒子加速器的束流斩波系统，其特征在于，所述脉冲正高压前级驱动模块和脉冲负高压前级驱动模块均包括两个功率MOSFET驱动模块和四个功率MOS驱动管，其中，四个功率MOS驱动管分别为第一P MOS管、第一N MOS管、第二P MOS管和第二N MOS管；

所述正高压PWM给定信号处理模块或负高压PWM给定信号处理模块的输出端分别连接两所述功率MOSFET驱动模块的输入端，一所述功率MOSFET驱动模块的输出端分别连接所述第一P MOS管和第一N MOS管的栅极，另一所述功率MOSFET驱动模块的输出端分别连接所述第二P MOS管和第二N MOS管的栅极，所述功率MOSFET驱动模块用于将脉冲高压前级驱动信号进行放大，作为后面四个功率MOS驱动管的驱动信号，所述第一P MOS管的漏极和所述第一N MOS管的漏极连接且还连接至对应所述正高压变压器模块或负高压变压器模块，所述第二P MOS管的漏极连接所述第二N MOS管的漏极且还连接至对应所述正高压变压器模块或负高压变压器模块，所述第一P MOS管和第二P MOS管的源极均连接电源的输出端，所述第一N MOS管和第二N MOS管的源极均接地。

6.如权利要求2所述的一种用于粒子加速器的束流斩波系统，其特征在于，所述脉冲正高压末级驱动模块和脉冲负高压末级驱动模块均包括第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三P MOS管和第三N MOS管；

所述正高压变压器模块或负高压变压器模块副边侧的一端并联连接所述第一肖特基二极管的正极和所述第二肖特基二极管的负极，所述第一肖特基二极管的负极连接位于电路上方的所述第三P MOS管的源极，所述第二肖特基二极管的正极连接位于电路下方的所述第三N MOS管源极，所述正高压变压器模块或负高压变压器模块副边侧的另一端分别连接所述第三P MOS管和第三N MOS管栅极，所述第三P MOS管的漏极连接所述第三N MOS管的漏极并连接至对应所述正高压输出模块或负高压输出模块，输出脉冲高压末级驱动信号。

7.如权利要求2所述的一种用于粒子加速器的束流斩波系统，其特征在于，所述正高压输出模块和负高压输出模块均是由四个第四N MOS管串联连接而成；

所述正高压输出模块中，四个所述第四N MOS管的栅极分别连接所述脉冲正高压末级驱动模块，位于电路上方的所述第四N MOS管的漏极连接外部直流高压电源的正极或高压电源地或高压电源正极，位于电路上方的所述第四N MOS管的源极连接与其串联的下一级所述第四N MOS管的漏极，以此类推，位于电路下方的所述第四N MOS管的源极作为输出端输出目标正高压脉冲信号；

所述负高压输出模块中，四个所述第四N MOS管的栅极分别连接所述脉冲负高压末级驱动模块，位于电路下方的所述第四N MOS管的源极连接外部直流高压电源的负极或高压电源地或高压电源负极，位于电路下方的所述第四N MOS管的漏极连接与其串联的下一级所述第四N MOS管的源极，以此类推，位于电路上方的所述第四N MOS管的漏极作为输出端输出目标负高压脉冲信号。

8.如权利要求1所述的一种用于粒子加速器的束流斩波系统，其特征在于，所述上位机内设置有：

参数下发模块，用于下发所述直流高压斩波器产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及所述直流高压斩波器的工作模式控制命令，其中，工作模式控制命令包括内触发模式控制命令、外触发模式下的微脉冲或宏脉冲控制命令；

数据获取模块，用于获取所述直流高压斩波器的目标高压脉冲；

数据分析模块，用于对目标高压脉冲信号的输出取样波形与所述PWM信号产生模块产生的PWM脉冲信号进行对比以及确定目标高压脉冲信号的输出正常与否；

直流高压斩波器控制模块，用于控制所述直流高压斩波器的使能、禁能和复位；

显示模块，用于显示目标高压脉冲信号的输出取样波形的分析结果和所述直流高压斩波器的工作状态。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的用于粒子加速器的束流斩波系统的使用方法，其特征在于，包括：

上位机下发产生高压脉冲所需的给定PWM信号的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令至直流高压斩波器；

直流高压斩波器基于上位机下发时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，产生相应工作模式下的PWM脉冲信号，将外接直流电压输入转换为与给定PWM脉冲信号时间结构一致、幅度与直流高压电源输出一致的目标高压脉冲信号；

偏心电极板施加直流高压斩波器输出的目标高压脉冲信号，将进入的直流束或脉冲束转换为符合物理供束要求的脉冲束；

上位机获取直流高压斩波器的目标高压脉冲信号并进行分析。

10.如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，所述直流高压斩波器基于上位机下发时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，产生相应工作模式下的PWM脉冲信号，将外接直流电压输入转换为与给定PWM脉冲信号时间结构一致、幅度与直流高压电源输出一致的高压脉冲输出，包括：

PWM信号产生模块基于上位机下发的时间参数、事例文件以及工作模式控制命令，在内触发模式或外触发模式下，产生周期、脉宽和延时可调的PWM脉冲信号；

正高压PWM给定信号处理模块和负高压PWM给定信号处理模块根据产生的PWM脉冲信号，生成对应脉冲正高压前级驱动模块和脉冲负高压前级驱动模块所需的驱动信号；

脉冲正高压前级驱动模块和脉冲负高压前级驱动模块根据相应的驱动信号，产生对应正高压变压器模块原边侧的脉冲正高压驱动信号和负高压变压器模块原边侧的脉冲负高压驱动信号；

正高压变压器模块和负高压变压器模块进行电气隔离，同时，将对应脉冲正高压驱动信号和脉冲负高压驱动信号转换为对应四组一致的控制信号，用于驱动对应脉冲正高压末级驱动模块和脉冲负高压末级驱动模块；

脉冲正高压末级驱动模块和脉冲负高压末级驱动模块根据相应的控制信号，产生控制对应正高压输出模块的脉冲正高压末级驱动信号和负高压输出模块的脉冲负高压末级驱动信号；

正高压输出模块和负高压输出模块在对应末级驱动信号的推动和外接直流高压电源供电下，产生对应目标正高压脉冲信号和目标负高压脉冲信号；

电压、电流取样电路对目标正高压脉冲信号和目标负高压脉冲信号进行衰减，得到电压取样信号和电流取样信号，电压取样信号作为目标高压脉冲信号；当电流取样信号的值大于预先设定的阈值时，关闭PWM脉冲信号，禁止高压输出；

控制模块基于上位机的控制，实现直流高压斩波器的过流和连锁保护以及高压输出使能和禁能控制。