CN207923286U - 一种高功率微波腔体的光辐射监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及核电子学技术领域的微波腔体的光辐射技术领域，尤其是涉及一种高功率微波腔体的光辐射监测系统。其特点是包括不锈钢屏蔽盒，所述的不锈钢屏蔽盒内设置有电路板，电路板上设置有SMA接头，光电转换传感器探头安装在不锈钢屏蔽盒侧面下方，不锈钢屏蔽盒上还设置有与电路板相连的电源接口；电路板上的两路光传感探头和自检信号经过信号选择器并选择信号输出光感应传感器信号，光感应传感器信号接三重冗余电路中的单路信号处理电路，单路信号处理电路经单路判断输出信号接三输入投票电路，三输入投票电路输出为报警信号。其系统可靠性高，响应速度快；设计成本低，电路简单，安装方便；信号判断逻辑阈值可调，系统灵敏度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及核电子学技术领域的微波腔体的光辐射技术领域，尤其是涉及一种高功率微波腔体的光辐射监测系统。
背景技术
在强流粒子加速器中高功率微波(HPM)腔体具有广泛的应用，其通过采用一种工作频率范围在1G-300GHz之间且瞬时功率过100MW的电磁脉冲而实现将电磁能量转化为粒子的动能以实现粒子加速。在HPM腔体中，由于功率传输设备制造工艺上的不完美等因素使得实际工作环境中的HPM在真空传输时会产生二次电子倍增效应甚至电弧放电效应的。这两种效应的发生使得处于工作状态的腔体和真空管造成局部短路或局部温度升高，甚至破坏昂贵的超导腔及其配套设备。因此如何实时监测这两种效应成为HPM腔体保护系统设计的一个关键。其主要目的是能及时的监测这两种效应并能迅速关闭微波功率源，以避免造成HPM腔体的设备损坏。由高功率微波传输导致的电弧放电效应的过程中通常伴随着高能量的释放，其通常会以一种辐射的方式对外释放能量。实验表明，在强流粒子加速器中HPM腔体当发生电弧放电效应的时候，其对外辐射的可见光线的通常是为波长460nm到580nm左右的的可见光。因此有文献[1]提出利用光探测技术来实现二次电子倍增和电弧放电效应的监测，从而快速的实现机器保护。
光辐射监测技术是一种低成本的监测方法，其通过一套电路监测并触发警报，其设计原理简单，且响应速度较快。然而在目前已有的解决方案中，监测电路通常是一种由多个模拟器件组成的放大和触发电路，其存在一定可靠性问题。首先，这一类的半导体集成电路使用一段时间后，某些电性能参数将逐渐发生参数漂移而失效，并可能产生随机错误。其次，在强流粒子加速器的高能辐射环境下，由于环境中存在的电子、质子、中子、α粒子等以及伽玛射线等辐射使得电路元器件参数变化，甚至导致电路完全损坏而失去功能。因此如何针对已有的解决方案提高系统可靠性，减少部件更换频率，减少人力和硬件成本，并增加机器保护失效的风险成为了一个待解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足提供一种高功率微波腔体的光辐射监测系统。从而有效解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：所述的一种高功率微波腔体的光辐射监测系统，其特点是包括不锈钢屏蔽盒，所述的不锈钢屏蔽盒内设置有电路板，电路板上设置有第二SMA接头，第二SMA接头通过三根同轴电缆传输线分别接第一SMA接头中的LVDS信号OUT+端口、LVDS信号OUT-端口和复位信号端口，光电转换传感器探头安装在不锈钢屏蔽盒侧面下方，不锈钢屏蔽盒上还设置有与电路板相连的电源接口；所述的电路板上的电路模块中的两路光传感探头和自检信号经过信号选择器并选择信号输出光感应传感器信号，光感应传感器信号接三重冗余电路中的单路信号处理电路，单路信号处理电路经单路判断输出信号接三输入投票电路，三输入投票电路输出为报警信号。
所述的三重冗余电路中的单路信号处理电路为三路，分别输出单路判断输出A路信号、单路判断输出B路信号和单路判断输出C路信号，每一路信号通过采用阻抗放大法将输入光感应传感器信号转换为电压信号然后进行放大接三输入投票电路；每一路独立的单路信号处理电路中，光感应传感器信号的输出电流信号送入第二电阻的非接地端和第一电阻，第二电阻的另一端接地，第一电阻与第一运算放大器反相端口相连，第一运算放大器正相端口经10kΩ电阻接地，第一运算放大器输出端接补偿电容，第一可调电阻和第二可调电阻串联后与补偿电容并联；第一运算放大器输出端经由第三电阻与一端接地1pF电容组成低通滤波器后将信号输出到第二运算放大器的正相端口相连；第二运算放大器的反相输入端口与第三可调电阻相连，第三可调电阻的另一端接地，第二运算放大器反相连接第四电阻一端，第四电阻另一端接+5.0V VCC电信号，+5.0V VCC电信号与第二运算放大器的输出端之间连接有第五电阻；第二运算放大器的输出端连接到触发器的时钟信号端口，触发器的D端口接+5.0V VCC电信号，触发器的CLR端口接复位信号，触发器的SET端口接地，当触发器捕捉到前端电路所发出的信号脉冲时，Q端口输出高电平，第二运算放大器的输出信号与触发器的Q端口输出通过一个两输入逻辑或门输出为单路判断输出信号。
所述的光电转换传感器探头采用的是Photodiode S1223Series探头，所述的自检信号采用稳定的3.3V电压；信号选择器为一个选择开关元件；所述的第一电阻和第五电阻为10kΩ；所述的第二电阻为1MΩ，第三电阻为160kΩ，第四电阻为5kΩ；所述的第一可调电阻和第三可调电阻为0～10kΩ，第二可调电阻为160kΩ；所述的补偿电容为1pF，所述的第一运算放大器型号为LT1057，第二运算放大器型号为LM339；所述的触发器型号为CD4013。
所述的三重冗余电路中的三路信号单路判断输出A路信号、单路判断输出B路信号、单路判断输出C路信号一起送入三输入投票电路，单路判断输出A路信号与单路判断输出B路信号送入第一个双输入与门，单路判断输出A路信号与单路判断输出C路信号送入第二个双输入与门，单路判断输出B路信号与单路判断输出C路信号送入第三个双输入与门，三个双输入与门的输出一起送入三输入或门产生警报信号，警报信号输入到LVDS信号芯片产生一对LVDS差分报警信号。
所述的LVDS信号芯片的型号为SN65LVDS104。
本实用新型的有益效果是：所述的一种高功率微波腔体的光辐射监测系统，其通过在高功率微波传输设备管腔安装本设备，利用设备的检光工作特性，从而实现实时检测光辐射效应并保护高功率微波腔体设备。其系统可靠性高，响应速度快；设计成本低，电路简单，安装方便；可同时检测信号跳变与信号幅度，系统动态范围可调；信号判断逻辑阈值可调，系统灵敏度高。
附图说明：
图1为本实用新型原理结构示意图；
图2为本实用新型的电路模块示意图；
图3为本实用新型的三重冗余电路中的单路信号处理电路原理图；
图4为本实用新型的三输入投票电路原理图。
图中所示：1、光电转换传感器探头；2、第一SMA接头；2a、LVDS信号OUT+端口；2b、LVDS信号OUT-端口；2c、复位信号端口；3、电源接口；4、电路板；5、第二SMA接头；6、同轴电缆传输线；7、不锈钢屏蔽盒；8、光传感探头；9、自检信号；10、信号选择器；11、选择信号；12、三重冗余电路；13、单路信号处理电路；14、三输入投票电路；15、警报信号；16、光感应传感器信号；17、第一电阻；18、第二电阻；19、第一可调电阻；20、第二可调电阻；21、电容；22、第一运算放大器；23、第三电阻；24、第三可调电阻；25、接地；26、第四电阻；27、+5.0V VCC电信号；28、第五电阻；29、第二运算放大器；30、触发器；31、复位信号；32、两输入逻辑或门；33、单路判断输出信号；33a、单路判断输出A路信号；33b、单路判断输出B路信号；33c、单路判断输出C路信号；34、双输入与门；35、三输入或门；36、LVDS信号芯片。
具体实施方式
以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述：
如图1至4所示，所述的一种高功率微波腔体的光辐射监测系统，其特点是包括不锈钢屏蔽盒7，所述的不锈钢屏蔽盒7内设置有电路板4，电路板4上设置有第二SMA接头5，第二SMA接头5通过三根同轴电缆传输线6分别接第一SMA接头2中的LVDS信号OUT+端口2a、LVDS信号OUT-端口2b和复位信号端口2c，光电转换传感器探头1安装在不锈钢屏蔽盒7侧面下方，不锈钢屏蔽盒7上还设置有与电路板4相连的电源接口3；所述的电路板4上的电路模块中的两路光传感探头8和自检信号9经过信号选择器10并选择信号11输出光感应传感器信号16，光感应传感器信号16接三重冗余电路12中的单路信号处理电路13，单路信号处理电路13经单路判断输出信号33接三输入投票电路14，三输入投票电路14输出为报警信号15。
所述的三重冗余电路12中的单路信号处理电路为三路，分别输出单路判断输出A路信号33a、单路判断输出B路信号33b和单路判断输出C路信号33b，每一路信号通过采用阻抗放大法将输入光感应传感器信号16转换为电压信号然后进行放大接三输入投票电路14；每一路独立的单路信号处理电路13中，光感应传感器信号16的输出电流信号送入第二电阻18的非接地端和第一电阻17，第二电阻18的另一端接地25，第一电阻17与第一运算放大器22反相端口相连，第一运算放大器22正相端口经10kΩ电阻接地，第一运算放大器22输出端接补偿电容21，第一可调电阻19和第二可调电阻20串联后与补偿电容21并联；第一运算放大器22输出端经由第三电阻23与一端接地1pF电容组成低通滤波器后将信号输出到第二运算放大器29的正相端口相连；第二运算放大器29的反相输入端口与第三可调电阻24相连，第三可调电阻24的另一端接地25，第二运算放大器29反相连接第四电阻26一端，第四电阻26另一端接+5.0V VCC电信号27，+5.0V VCC电信号27与第二运算放大器29的输出端之间连接有第五电阻28；第二运算放大器29的输出端连接到触发器30的时钟信号端口，触发器30的D端口接+5.0V VCC电信号27，触发器30的CLR端口接复位信号31，触发器30的SET端口接地25，当触发器30捕捉到前端电路所发出的信号脉冲时，Q端口输出高电平，第二运算放大器29的输出信号与触发器30的Q端口输出通过一个两输入逻辑或门32输出为单路判断输出信号33。
所述的光电转换传感器探头1采用的是Photodiode S1223Series探头，所述的自检信号9采用稳定的3.3V电压；信号选择器10为一个选择开关元件；所述的第一电阻17和第五电阻28为10kΩ；所述的第二电阻18为1MΩ，第三电阻23为160kΩ，第四电阻26为5kΩ；所述的第一可调电阻19和第三可调电阻24为0～10kΩ，第二可调电阻20为160kΩ；所述的补偿电容21为1pF，所述的第一运算放大器22型号为LT1057，第二运算放大器29型号为LM339；所述的触发器30型号为CD4013。
所述的三重冗余电路12中的三路信号单路判断输出A路信号33a、单路判断输出B路信号33b、单路判断输出C路信号33c一起送入三输入投票电路14，单路判断输出A路信号33a与单路判断输出B路信号33b送入第一个双输入与门34a，单路判断输出A路信号33a与单路判断输出C路信号33c送入第二个双输入与门34b，单路判断输出B路信号33b与单路判断输出C33c路信号送入第三个双输入与门34c，三个双输入与门的输出一起送入三输入或门35产生警报信号15，警报信号15输入到LVDS信号芯片36产生一对LVDS差分报警信号。
所述的LVDS信号芯片36的型号为SN65LVDS104，
所述的一种高功率微波腔体的光辐射监测系统，其通过micro-USB供电的方式供给+5V电压，并通过芯片MC34063输出-5V，同时使用LM3940IT芯片输出+3.3V。本系统具有以下功能：以下功能：
1.电弧放电效应辐射光实时检测。由于使用了一种光感应传感器，其对电弧放电效应而产生的可见光和辐射进行实时监测，并实时产生响应的电信号以实现实时监控HPM传输设备的工作状态；
2.三重冗余电路。光感应传感器所感应的微弱光和辐射信号被送到三重冗余电路的输入端，在三重冗余电路中三路的电路设计相同。在每一路信号检测电路中主要由以下两个部分：信号放大与滤波、阈值与上升沿判断，然后输出判断信号到一个三输入的投票电路，此处的判断信号为数字逻辑信号；
3.三输入投票电路。电路的实现逻辑是根据三路输入的数字逻辑信号，选举多数的信号为输出信号，例如当输入三路信号分别为：高电平、高电平、低电平的时候，本三输入投票电路的输出则为高电平；
4.警报输出。硬件上表现为当出现警报的时候，SMA接口中的TTL端口输出低电平，而正常工作无警报的情况下，SMA接口中的TTL端口输出高电平；
5.硬件复位。在设备检测到实验装置故障后，可以通过用户干预，或者软件自动复位的方式，在故障排除后采取复位的方式使设备重新进入监控状态，保证工作的可靠性与连续性。复位的方式可以通过向SMA接口中的RESET端口输入高电平来进行复位。
6.屏蔽辐射不锈钢外盒。本实用新型根据电路板专门设计了一个防辐射用的屏蔽不锈钢盒其表面镀铌，尽可能的减少环境的各种高能辐射给电路带来的影响。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高功率微波腔体的光辐射监测系统，其特点是包括不锈钢屏蔽盒，所述的不锈钢屏蔽盒内设置有电路板，电路板上设置有第二SMA接头，第二SMA接头通过三根同轴电缆传输线分别接第一SMA接头中的LVDS信号OUT+端口、LVDS信号OUT-端口和复位信号端口，光电转换传感器探头安装在不锈钢屏蔽盒侧面下方，不锈钢屏蔽盒上还设置有与电路板相连的电源接口；所述的电路板上的电路模块中的两路光传感探头和自检信号经过信号选择器并选择信号输出光感应传感器信号，光感应传感器信号接三重冗余电路中的单路信号处理电路，单路信号处理电路经单路判断输出信号接三输入投票电路，三输入投票电路输出为报警信号。
2.如权利要求1所述的一种高功率微波腔体的光辐射监测系统，其特征在于：所述的三重冗余电路中的单路信号处理电路为三路，分别输出单路判断输出A路信号、单路判断输出B路信号和单路判断输出C路信号，每一路信号通过采用阻抗放大法将输入光感应传感器信号转换为电压信号然后进行放大接三输入投票电路；每一路独立的单路信号处理电路中，光感应传感器信号的输出电流信号送入第二电阻的非接地端和第一电阻，第二电阻的另一端接地，第一电阻与第一运算放大器反相端口相连，第一运算放大器正相端口经10kΩ电阻接地，第一运算放大器输出端接补偿电容，第一可调电阻和第二可调电阻串联后与补偿电容并联；第一运算放大器输出端经由第三电阻与一端接地1pF电容组成低通滤波器后将信号输出到第二运算放大器的正相端口相连；第二运算放大器的反相输入端口与第三可调电阻相连，第三可调电阻的另一端接地，第二运算放大器反相连接第四电阻一端，第四电阻另一端接+5.0V VCC电信号，+5.0V VCC电信号与第二运算放大器的输出端之间连接有第五电阻；第二运算放大器的输出端连接到触发器的时钟信号端口，触发器的D端口接+5.0V VCC电信号，触发器的CLR端口接复位信号，触发器的SET端口接地，当触发器捕捉到前端电路所发出的信号脉冲时，Q端口输出高电平，第二运算放大器的输出信号与触发器的Q端口输出通过一个两输入逻辑或门输出为单路判断输出信号。
3.如权利要求2所述的一种高功率微波腔体的光辐射监测系统，其特征在于：所述的光电转换传感器探头采用的是Photodiode S1223 Series探头，所述的自检信号采用稳定的3.3V电压；信号选择器为一个选择开关元件；所述的第一电阻和第五电阻为10kΩ；所述的第二电阻为1MΩ，第三电阻为160kΩ，第四电阻为5kΩ；所述的第一可调电阻和第三可调电阻为0~10kΩ，第二可调电阻为160kΩ；所述的补偿电容为1pF，所述的第一运算放大器型号为LT1057，第二运算放大器型号为LM339；所述的触发器型号为CD4013。
4.如权利要求1或2所述的一种高功率微波腔体的光辐射监测系统，其特征在于：所述的三重冗余电路中的三路信号单路判断输出A路信号、单路判断输出B路信号、单路判断输出C路信号一起送入三输入投票电路，单路判断输出A路信号与单路判断输出B路信号送入第一个双输入与门，单路判断输出A路信号与单路判断输出C路信号送入第二个双输入与门，单路判断输出B路信号与单路判断输出C路信号送入第三个双输入与门，三个双输入与门的输出一起送入三输入或门产生警报信号，警报信号输入到LVDS信号芯片产生一对LVDS差分报警信号。
5.如权利要求4所述的一种高功率微波腔体的光辐射监测系统，其特征在于：所述的LVDS信号芯片的型号为SN65LVDS104。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20180928 Effective date of abandoning: 20240202 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
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