宽范围高精度电子枪控制系统研究

发布时间：2020-07-12 00:14

【摘要】：“空间环境地面模拟装置”是哈尔滨工业大学与中国航天科技集团有限公司共同承担的国家“十二五”重大科技项目,本课题围绕中国科学院上海应用物理研究所拟建的其子项目“1.2 MeV/10 mA高频高压型电子加速器及束线”,研究其采用电子枪的宽范围高精度控制系统,该电子枪采用热阴极平板三极结构,钨丝作为阴极材料,增设了控制栅极。为对该电子枪进行实验室测试,对原有基于二极结构电子枪的测试平台(主要以模拟电路和机械仪表为主)进行了升级。经过调研,设计了基于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的光纤通信和STC12C5A60S2单片机系统的红外通信的控制系统,均能满足高压隔离的要求,实现对处于-15kV高压平台上的电子枪的控制。控制软件采用LabVIEW编写用户界面,通过OPC(Object Linking and Embedding for Process Control)通信协议实现控制软件与西门子系列的设备控制器的通讯。上位机与PLC之间的通信是研究核心,通过对相关网络进行硬件参数的配置,编写相应的通信程序,实现了上位机对电子枪运行状态以及数据的读取和控制。控制软件优化了对电子枪束流调节的算法,通过在增量PID控制基础上结合模糊理论的一种改进型的模糊增量PID控制算法,实现了电子枪引出1uA~50mA四个数量级可调范围的束流输出。考虑到成本问题以及光纤通信转换等问题,还设计了高压端、上位机端的STC12C5A60S2单片机系统,并编写双向通信、数据采集及处理程序,结合改进型的模糊增量PID控制算法,同样达到了对电子枪的精确控制。为实现新设计的三极电子枪的实验室测试,研究了分别基于PLC、单片机的电子枪控制系统,两者均结合了LabVIEW、增量PID和模糊理论等相关技术,优化了对电子枪的宽范围高精度束流输出的控制。课题的意义不仅是对原电子枪实验平台控制系统的升级,满足电子枪的调试和独立运行,同时也便于将来集成到加速器控制系统,实现加速器的宽范围高精度的束流输出。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;TL50
【图文】：

温度的变化对发射电流的影响很大，温度稍微增大就引起束流的急剧上升，导致引出的束流不容易精确控制。图1.1 为电子枪灯丝束流特性曲线。图 1.1 电子枪灯丝束流特性曲线随着电子枪研究的深入和广泛应用，以及低压注入技术的解决，为栅控枪的使用打下了基础。所谓栅控枪的设计，即是在原来的二极电子枪的基础上，增加一个可控制电子的栅极。如图 1.2 所示，在阴阳两极之间增加栅极，当阴极和栅极加上一定的电压时，则可以通过调整栅极电压，来控制阴极发射的部分电子，从而实现对电子流的控制【6】。

图 1.2 栅控枪示意图室原有电子枪平台的控制系统设计比较早期，相关设备主要以模拟表为主，对处于-15kV 的高压平台上的三极电子枪的栅极控制只能过调研，基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，信系统和 STC12C5A60S2 单片机系统的红外通信系统均可以实现 高压平台上的电子枪的控制【7】。为对该电子枪进行实验室测试，对极结构电子枪的测试平台进行升级，研究了分别基于 PLC、单片机装置的控制系统，控制软件均结合了 LabVIEW、增量 PID 和模糊术，把模糊理论运用在通用的工业控制 PID 算法的基础上，保证了性能和稳定性，进一步有效优化对电子枪实验控制平台的控制，使台的控制变得友好和便捷，也便于将来集成入加速器控制系统，实范围高精度的束流输出。同时本文研制电子枪实验平台控制系统所

图 2.1 高频高压电子加速器总体结构表 2-1 高频高压电子加速器参数指标参数 设计指标额定工作电压 1.2MV空载最高电压 1.32MV额定最大电流 10mA绝缘气体 SF6SF6绝缘气体工作压力0.65MPa高压纹波 ≤1%速器主体大体上可分为气体处理系统、钢筒内部设备和高频机。其中钢

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本文编号：2751134