[發(fā)明專(zhuān)利]一種離子同步加速器中快響應(yīng)線性電源控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010499245.9
• 申請(qǐng)日: 2020-06-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111601450B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙江;周忠祖;高大慶;張華劍;李繼強(qiáng);閆懷海
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H05H13/04
• 分類(lèi)號(hào): H05H13/04
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 王胥慧

本發(fā)明涉及一種離子同步加速器中快響應(yīng)線性電源控制系統(tǒng)及方法，其特征在于，該快響應(yīng)線性電源控制系統(tǒng)包括FPGA控制器、工控機(jī)、模擬調(diào)節(jié)器和狀態(tài)板；FPGA控制器用于接收觸發(fā)事例并轉(zhuǎn)換為觸發(fā)信號(hào)發(fā)送至工控機(jī)，以及實(shí)時(shí)采集快響應(yīng)線性電源的電流波形信號(hào)；工控機(jī)用于產(chǎn)生給定波形信號(hào)以及實(shí)時(shí)采集快響應(yīng)線性電源的電流反饋信號(hào)；模擬調(diào)節(jié)器用于產(chǎn)生功率管控制信號(hào)并發(fā)送至快響應(yīng)線性電源，控制快響應(yīng)線性電源的功率器件；狀態(tài)板用于確定快響應(yīng)線性電源的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)快響應(yīng)線性電源進(jìn)行分閘保護(hù)，以及根據(jù)所述工控機(jī)發(fā)送的命令控制該快響應(yīng)線性電源控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)機(jī)或復(fù)位，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于離子同步加速器領(lǐng)域中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于一種離子同步加速器中快響應(yīng)線性電源控制系統(tǒng)及方法，屬于離子同步加速器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

離子同步加速器是一種利用在一定環(huán)形軌道上通過(guò)高頻電場(chǎng)加速離子的環(huán)形加速裝置，離子同步加速器中磁場(chǎng)的強(qiáng)度隨被加速離子能量的增加而增加，從而保持離子回旋頻率與高頻加速器電場(chǎng)同步。離子同步加速器要求產(chǎn)生的磁場(chǎng)恒定或按照要求的規(guī)律進(jìn)行變化。勵(lì)磁電源通過(guò)給磁鐵提供電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，通常分為穩(wěn)流電源和脈沖電源，穩(wěn)流電源產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，脈沖電源可產(chǎn)生按照規(guī)律變化的磁場(chǎng)。一般而言，重離子同步加速器通常由ECR(電子回旋共振)離子源、低能輸運(yùn)線、同步加速器、高能束線和終端組成，作為加速器用的磁鐵電源，其在電流穩(wěn)定度、電流紋波和電流跟蹤精度等方面均有較高要求。離子同步加速器中的注入BUMP(凸軌)電源、快四極鐵電源和開(kāi)關(guān)鐵電源是一類(lèi)同步加速器中關(guān)鍵的快響應(yīng)電源，由于其電流波形速度快，通常很難采用數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn)。注入BUMP電源通常電流波形長(zhǎng)度小于1ms，負(fù)責(zé)離子同步加速器束流的單次或多次注入，對(duì)離子同步加速器的加速效率產(chǎn)生重要影響，由于其快響應(yīng)性，通常采用線性的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；快四極鐵電源的主要作用是跟蹤并抑制離子同步加速器束流的紋波，具有較快的響應(yīng)速度，通常輸出電流波形的頻率為1K的正弦波電流，該電源主電路一般也采用線性方式實(shí)現(xiàn)；此外，對(duì)于有特殊應(yīng)用的終端，在有些情況下也需要快速切換束流，例如：重離子治癌裝置中呼吸門(mén)控開(kāi)關(guān)鐵電源，通常電源電流的階躍響應(yīng)時(shí)間小于100us，這種電源通常也采用模擬線性方案作為主電路。綜上所述，在離子同步加速器中有一類(lèi)關(guān)鍵的快響應(yīng)電源，其主電路是線性電路，是一種關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)離子同步加速器的加速效率及束流品質(zhì)具有重要影響。目前，在加速器電源領(lǐng)域，大部分離子同步加速器均已采用數(shù)字電源，電源的控制系統(tǒng)均采用數(shù)字化的控制接口。然而，對(duì)于上述快響應(yīng)線性電源，需要一種控制方法將電源的接口封裝起來(lái)，對(duì)外呈現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)字化接口，以滿足加速器電源控制系統(tǒng)的需要。

由于快響應(yīng)線性電源的電流響應(yīng)速度快，電源輸出電流的波形周期也較短，通常這些電源直流輸出的時(shí)間不能太長(zhǎng)，否則會(huì)對(duì)功率管造成破壞，因此需要對(duì)快波形進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)保護(hù)。由于實(shí)際應(yīng)用中電流波形變化較大，如果采用模擬的保護(hù)方式進(jìn)行保護(hù)不太靈活，同時(shí)電子元器件由于溫漂和老化等問(wèn)題會(huì)影響電流波形保護(hù)電路的精度，所以采用數(shù)字化的保護(hù)方式，其具有較高保護(hù)精度的同時(shí)，還具有較高可靠性，因此，這類(lèi)電源的控制系統(tǒng)中需要一種保護(hù)機(jī)制來(lái)監(jiān)測(cè)電流波形以提高電源運(yùn)行的可靠性。

快響應(yīng)線性電源控制的一個(gè)主要問(wèn)題是如何將數(shù)字化的電源控制接口及協(xié)議轉(zhuǎn)成模擬控制接口。離子同步加速器的脈沖電源大多數(shù)是數(shù)字電源，采用基于TCP/IP的自定義傳輸控制協(xié)議，若要利用這種協(xié)議控制快響應(yīng)線性電源需要一套接口和轉(zhuǎn)換機(jī)制，將數(shù)字控制量轉(zhuǎn)為模擬控制量，這其中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是如何將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為高精度的模擬控制信號(hào)，這就要通過(guò)高速、高精度的DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)來(lái)完成。設(shè)計(jì)可靠運(yùn)行的將特殊的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為高速高精度DA板具有一定的難度，要進(jìn)行接口處理、PCB電路板、接口配置程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序和硬件驅(qū)動(dòng)等一系類(lèi)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。

此外，由于快響應(yīng)線性電源工作在線性區(qū)，且響應(yīng)速度很快，任何錯(cuò)誤的波形均可能導(dǎo)致電源功率器件的損壞，離子同步加速器在調(diào)試或更換能量的過(guò)程中，脈沖波形數(shù)據(jù)下發(fā)的頻率很高，錯(cuò)誤在所難免。因此，需要對(duì)傳輸至控制器的波形進(jìn)行預(yù)判，進(jìn)而當(dāng)提前發(fā)現(xiàn)波形錯(cuò)誤時(shí)，可以禁止輸出模擬控制信號(hào)，達(dá)到保護(hù)功率器件的目的。然而，現(xiàn)有的控制方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述功能。

發(fā)明內(nèi)容