低能紧凑型回旋加速器真空控制系统研发

发布时间：2020-09-08 11:35

　　作为生产医用同位素的重要装置,低能回旋加速器目前在商业领域主要依赖进口,对其进行自主开发与研究不仅能为加速器领域培养专业型人才,还能打破国外垄断。回旋加速器是一项复杂的电物理设备,其理论、工程技术基础涉及诸多学科,真空系统是其中一个重要组成部分。带电粒子束的产生、加速和传输均在真空环境中实现,真空度能否达到设计指标将直接影响束流的品质,因此开发一套安全、稳定运行的真空系统极为重要。针对紧凑型医用回旋加速器的结构特性和运行方式,本文阐释了真空系统的特点和控制需求。以同类加速器不同真空度下的束流损失情况为基础,确定了真空度需求,结合真空系统气载、流导等相关参数的分析,对真空泵的有效抽速进行了计算,从而完成对真空系统设备的选型。真空控制系统开发中,首先在对比回旋加速器中几种常用的底层控制器后选择了PLC作为主控制器,结合紧凑型回旋加速器对真空系统高稳定性和可靠性的要求,搭建了基于西门子S7-1200 PLC的硬件平台;接着针对部分真空设备设计了信号检测电路,包括扩散泵过热保护和高压空气等信号的检测,提高了系统的安全性;然后,基于有限状态机的理论对真空系统的控制逻辑进行了仿真验证,在TIA软件平台中完成了控制系统软件部分的设计,结合真空系统的功能需求编写了真空控制程序;其中,针对涉及安全的状态切换信号,采用了多路触发的方式,增强了系统安全冗余。最后采用LabVIEW软件开发了上位机监控程序,通过OPC技术实现上位机与PLC之间的数据传输,完成总控单元对PLC的数据采集和监控。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL542
【部分图文】：

医用回旋加速器,回旋加速器,真空系统,基本的

图 2-1 IBA 公司生产的医用回旋加速器旋加速器最基本的系统之一。如果达不到真空要等无法运行，更说不上生产放射性核素。在分析系统的特点后，接下来主要从以下三部分进行真系统的工作压强，即真空度要求。系统的抽气过程，确定真空泵的类型及抽速。其他设备的选择，搭建整个真空系统。加速器真空度要求及残余气体束流损失的稀薄程度，在真空系统设计中，首先要确定一加速器难以正常工作，而真空度过高，会给工程合适真空度的主要因素是限制加速过程中的束流存在着多种束流损失[30]：

束流传输,真空度,回旋加速器,真空条件

华中科技大学硕士学位论文表 2-2 不同真空条件下的束流传输效率真空度（Pa) 探头位置传输效率束流大小（uA)2.6×10-318MeV 引出处 13% 202.0×10-318MeV 引出处 28% 401.3×10-318MeV 引出处 37% 401.0×10-318MeV 引出处 53% 556.5×10-430MeV 引出处 75% 3504.0×10-430MeV 引出处 85% 3501.3×10-418MeV 引出处 92% 2006.5×10-530MeV 引出处 >98% 700-1000

扩散泵,过热保护,气压信号

图 3-2 扩散泵过热保护信号检测电路耦合，很好的起到了隔离与电流变换的作用。由于电流变送器所带负载不能超过 100Ω，副边电流经过一个 20Ω 的测量电阻 R1将电流信号转变为电压信号。此电压信号再接入电压跟随器进行调理，电压跟随器很好地隔离了负载电路对测量电阻的影响。调理后的电压信号数值较小，为减小误差，对其进行放大后再输入到电路中与设定参考电压进行比较，比较结果通过开关管 Q1的饱和与导通两种状态实现电路的切换，从而输出高低电平信号以判断扩散泵是否启动过热保护。图中 R6为放大电路 OC 门输出所接的上拉电阻，R5为 PLC 输入电路的限流电阻。2) 气压信号检测在机器长期运行过程中，各个气动阀本身和为阀门供气的空压机难免会出现故障即使 PLC 程序发出正确的开断指令，但阀门可能并未按照指令执行相应动作，这样势必会影响对真空系统运行状态的判断，因此有必要对气压信号进行检测。气压信号的检测电路如图 3-3 所示，压力传感器会将气压信号转换为线性输出的

【参考文献】