CN207924156U - 一种用于离子加速器的束损探测器装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及核电子学技术领域的离子加速器的束流损失监测技术领域，尤其是涉及一种用于离子加速器的束损探测器装置。其特点是包括间隔设置在真空管上的分别处于上游和下游束流位置探头，两个束流位置探头分别通过前端电路与时钟触发器相连，时钟触发器通过模数转换电路与高速采样数字电路板相连，上游和下游束流位置探头对粒子束团进行同步信号获取并通过高速采样数字电路板产生待处理的数字信号，当该信号与其历史数据的差超过一定阈值或者上下游信号之间的差超过一定阈值的时候则产生警报信号输出。其利用束流位置监测探头的差分束流强度损失检测系统响应时间短，无需下降补偿电路，通过合理的设计，测量精度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及核电子学技术领域的离子加速器的束流损失监测技术领域，尤其是涉及一种用于离子加速器的束损探测器装置。
背景技术
高效的束流损失监测对于强流直线加速器的稳定运行起着至关重要的作用，作为机器保护的重要组成部分，常用的离子加速器中监测束流损失的方法主要有以下三种：基于气体电离室或者闪烁体光电倍增管的方法，差分束流强度检测方法，和非拦截式束损检测环。
气体电离室型束损设备是利用密封在仪器内部的气体和入射的各种粒子(γ射线/质子/重粒子等)的电离作用产生电信号而检测束流损失。当高能离子束流经过超导加速腔时，如果束流损失发生会产生辐射粒子而被气体电离室捕捉到产生电信号，当信号超过一定阈值则会被检测到并报警。闪烁体光电倍增管的工作原理是由闪烁体将束流损失而引起的放射线的能量转化为光辐射，然后由光电倍增管将该光信号检测、放大并转换为电信号进行处理。这些方法要求前端电子学能够有效地甄别出放射粒子信号，并能够有效地排除射线信号、光电倍增管热噪声、电子学噪声等的干扰，才能实现满意的探测效率。
差分束流强度检测方法是近年发展起来的一种新的束损探测方法，目前已被美国散列中子源(SNS)和美国的稀有同位素束流装置(FRIB)采用作为中高能段的机器保护系统，其主要是通过利用两个不同的束流强度探测器(BCM)监测束流强度的变化，如果束流强度发生相对变化，即其差分束流强度值大于一个阈值时发起警报并输出机器保护信号。这种方法主要是利用的交流电流变压探针(ACCT)获取束流强度信号，这种探头有以下几个缺点：首先，由于ACCT的电路特点而造成获得的测量值随着时间下降的特性(Drooping)，因此需要提供额外的下降补偿电路。其次，由于ACCT的探针的重要部件之一是一种高灵敏度的磁性感应器，由于其安装在离子加速器的真空管壁上往往比较容易受到损坏，而通常一个ACCT的更换与升级往往需要很长时间甚至以年为单位。
非拦截式束损检测环方法的主要工作原理是通过一个设计在真空管外部的金属环来拦截由于束损而引起的次级粒子所激发的电流，类似于传统的法拉第桶(FaradayCup)的工作原理，当束损粒子和次级粒子被束损检测环捕捉到以后产生电流，通过电子学电路捕捉放大以达到束损监测的目的。该方法在束流功率密度过大时容易损伤检测环，而且其通常需要对其做优化设计并散热处理，使得热量密度尽可能均匀封闭。在超导离子加速器段通常为了到防止产生污染的问题，其内壁材料需要采用镀特别的金属材料例如铌金属。
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用于离子加速器的束损探测器装置。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：所述的一种用于离子加速器的束损探测器装置，其特点是包括间隔设置在真空管上的分别处于上游和下游束流位置探头，两个束流位置探头分别通过前端电路与时钟触发器相连，时钟触发器通过模数转换电路与高速采样数字电路板相连，上游和下游束流位置探头对粒子束团进行同步信号获取并通过高速采样数字电路板产生待处理的数字信号，当该信号与其历史数据的差超过一定阈值或者上下游信号之间的差超过一定阈值的时候则产生警报信号输出。
所述的上游和下游束流位置探头在真空管上的间隔距离为2-50m。
所述的前端电路包括A1线性放大器,A1线性放大器与功率耦合器相连,功率耦合器通过带通滤波器与A2线性放大器相连,A2线性放大器的信号输出通过功率分配器接触发器,然后信号通过一个定向耦合器、A3放大器和低通滤波器，低通滤波器的输出信号通过模数转换电路接到高速采样数字电路板通过一系列数字信号处理获得机器保护的警报信号。
所述的高速采样数字电路板上设计有两套模数转换电路，两套模数转换电路分别接收来自上游和下游束流位置探头各自的所连接的前端处理电路输出的C1路信号和C2路信号。
所述的高速采样数字电路板上实现对信号的实时处理，当数字采样率为125MHz时，每8纳秒对束流强度做一次监测，所述的功率分配器的B端口接触发器的信号输入端，功率分配器的A端口输出原始信号，当系统产生警报信号的时候，高速采样数字电路板将当前的数据帧记录在板载的固态缓存中，并通过软件发布数据。
本实用新型的有益效果是：所述的一种用于离子加速器的束损探测器装置，其无须使用额外的束损探针，通过利用已有的束流位置监测探头的束损探测装置，并通过设计信号处理FPGA硬件电路及其信号处理算法，实现基于束流位置信号的束损监测。由于束流位置监测探头的带宽通常远高于ACCT，利用束流位置监测探头的差分束流强度损失检测系统响应时间短，无需下降补偿电路，通过合理的设计，利用束流位置监测探头所实现的束损检测还可以提供较大好的测量精度。
附图说明：
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型的电路流程图；
图3为图2中在基于FPGA的高速采样数字电路板上设计的信号流程图。
图中所示：1、束流位置探头；2、束团真空管道；3、前端处理电路；4、触发信号；5、模数转换电路；6、高速采样数字电路板；7、警报信号；8、粒子束团；9、触发器；10、原始信号；11、A1线性放大器；12、功率耦合器；13、带通滤波器；14、A2线性放大器；15、功率分配器；16、定向耦合器；17、A3放大器；18、低通滤波器；19、C1路信号；20、C2路信号；301、信号均衡；302、电压到电流转换；303、信号存储单元；304、差分计算；305、积分器；306、阈值比较器；307、报警信号编码；308、C1路信号的信号存储单元的输出信号；309、C1路信号的电压到电流转换单元的输出信号；310、C2路信号的电压到电流转换单元的输出信号；311、C2路信号的信号存储单元的输出信号。
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3所示，所述的一种用于离子加速器的束损探测器装置，其特点是包括间隔设置在束团真空管道2上的分别处于上游和下游的两个束流位置探头1，两个束流位置探头1分别与各自的前端处理电路3相连并由触发信号4驱动，前端处理电路3通过模数转换电路5与高速采样数字电路板6相连，上下游两处的束流位置探头1对粒子束团8进行同步信号获取并通过高速采样数字电路板6产生待处理的数字信号，当该信号与其历史数据的差超过一定阈值，以及上下游信号之间的差超过一定阈值的时候则产生警报信号7输出。
所述的上下游束流位置探头1之间在真空管2上的间隔距离为2-50cm。
所述的前端电路3包括A1线性放大器11,A1线性放大器11与功率耦合器12相连,功率耦合器12通过带通滤波器13与A2线性放大器14相连,A2线性放大器14的信号输出通过功率分配器15接触发器9,然后信号通过一个定向耦合器16、A3放大器17和低通滤波器18，低通滤波器18的输出信号通过模数转换电路5接到高速采样数字电路板6通过一系列数字信号处理获得机器保护的警报信号。
所述的高速采样数字电路板6上设计有两套模数转换电路5，其分别接收来自上下游两处的束流位置探头1各自的所连接的前端处理电路3输出的C1路信号19和C2路信号20。
所述的高速采样数字电路板6上实现对信号的实时处理，当数字采样率为125MHz时，每8纳秒对束流强度做一次监测，所述的功率分配器15的B端口接触发器4的信号输入端，功率分配器15的A端口输出原始信号10，当系统产生警报信号7的时候，高速采样数字电路板6可以将当前的数据帧记录在板载的固态缓存中，并通过软件发布数据。
所述的高速采样数字电路板6中实现的信号处理硬件算法流程主要包括上游下游C1路信号19和C2路信号20分别通过各自的信号均衡301，再各自通过电压到电流转换302分别生成C1路信号的电压到电流转换单元的输出信号309和C2路信号的电压到电流转换单元的输出信号310；信号309送入其对应的信号存储单元303获得C1路信号的信号存储单元的输出信号308；信号310送入其对应的信号存储单元303获得C2路信号的信号存储单元的输出信号311；再分别对C1路信号的信号存储单元的输出信号308与C1路信号的电压到电流转换单元的输出信号309、C1路信号的电压到电流转换单元的输出信号309与C2路信号的电压到电流转换单元的输出信号310、以及C2路信号的电压到电流转换单元的输出信号310与C2路信号的信号存储单元的输出信号311通过各自的差分计算304单元求差分信号，然后送入各自的积分器305；积分器305的输出信号送入阈值比较器306与一个预设的阈值比较，如果大于阈值则触发产生一个警报信号并送入报警信号编码307模块，最后由报警信号编码307模块产生警报信号7。
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 (4)
1.一种用于离子加速器的束损探测器装置，其特征是包括间隔设置在真空管上的分别处于上游和下游束流位置探头，两个束流位置探头分别通过前端电路与时钟触发器相连，时钟触发器通过模数转换电路与高速采样数字电路板相连，上游和下游束流位置探头对粒子束团进行同步信号获取并通过高速采样数字电路板产生待处理的数字信号，当该信号与其历史数据的差超过一定阈值或者上下游信号之间的差超过一定阈值的时候则产生警报信号输出。
2.如权利要求1所述的一种用于离子加速器的束损探测器装置，其特征在于：所述的上游和下游束流位置探头在真空管上的间隔距离为2-50m。
3.如权利要求1所述的一种用于离子加速器的束损探测器装置，其特征在于：所述的前端电路包括A1线性放大器,A1线性放大器与功率耦合器相连,功率耦合器通过带通滤波器与A2线性放大器相连,A2线性放大器的信号输出通过功率分配器接触发器,然后信号通过一个定向耦合器、A3放大器和低通滤波器，低通滤波器的输出信号通过模数转换电路接到高速采样数字电路板通过一系列数字信号处理获得机器保护的警报信号。
4.如权利要求3所述的一种用于离子加速器的束损探测器装置，其特征在于：所述的高速采样数字电路板上设计有两套模数转换电路，两套模数转换电路分别接收来自上游和下游束流位置探头各自的所连接的前端处理电路输出的C1路信号和C2路信号；所述的高速采样数字电路板上实现对信号的实时处理，当数字采样率为125MHz时，每8纳秒对束流强度做一次监测，所述的功率分配器的B端口接触发器的信号输入端，功率分配器的A端口输出原始信号，当系统产生警报信号的时候，高速采样数字电路板将当前的数据帧记录在板载的固态缓存中，并通过软件发布数据。
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