一种用于白光中子源带电粒子探测谱仪的控制系统的制作方法

本申请涉及中子检测设备领域，特别是涉及一种用于白光中子源带电粒子探测谱仪的控制系统。
背景技术：
：白光中子源是一个极其有用的核数据测量研究工具，可以为新型核能设施设计、核天体物理研究、基础物理科学以及国防科技等领域提供关键核数据。核数据测量研究在国际上已开展近八十年，经历了单能点中子源、共振区白光中子源、快白光中子源核数据测量几个阶段。1960年代以前主要利用低能加速器通过d-d、d-t、p-t和p-7li等反应产生具有一定强度的单能中子进行中子反应截面的测量工作。1960年代开始基于强流电子直线加速器的白光中子源相继在美国、前苏联、欧洲和日本等国建成。白光中子源能在1ev-1mev的共振中子能区提供很强的连续谱中子，其中，代表性的装置有美国ornl国家实验室的orela和欧洲位于比利时geel的jrc/irmm实验室的gelina。1980年代之后基于强流高能量质子加速器的白光中子源由于其脉冲中子强度高、中子能谱范围广等优势逐步取代了基于电子直线加速器的白光中子源，成为核数据测量的最有力工具。这方面的代表装置是美国lanl的基于800mev质子加速器(缩写lansce)建立的核数据测量装置，以及欧洲cern的基于20gev的质子同步加速器(缩写ps)建立的核数据测量装置(缩写n-tof)。lanl设有共振中子靶站(lujancenter，target-1)和快中子靶站(wnr，target-4)。在lujancenter和wnr上已分别建设多条白光中子束线，并建立了包括测量中子辐射俘获截面的大型g探测器设备dance和中子探测器阵列figaro等在内很多台谱仪，它们在共振中子、快中子以及中高能中子能区测量了大量至关重要的核数据。日本则在位于tokai的j-parc大型质子加速器上利用3gev散裂中子源靶站上慢化的中子建设了一个核数据测量束线annri。国内目前用于核数据测量的中子源主要有中国原子能科学研究院的中国先进研究堆(缩写carr堆)和13mv串列加速器(缩写5sdh-2)、北京大学的4.5mv静电加速器、兰州大学的300kv中子发生器等。这些中子源的能量范围在0.01～42mev之间，它们对中国的核数据研究包括中国自己的cendl核数据评价库做出了重要贡献，但是它们的能量并不连续，各个加速器可分别提供部分能量片段的中子束，且束流强度较低。随着我国先进核能技术、基础核物理、核天体物理以及国防建设等发展的需要，迫切需要一台能区宽、强度高的白光中子源装置以满足全方面核数据测量的要求。带电粒子探测谱仪(缩写lpda)位于白光中子源的终端处，是中国散裂中子源首批投入运行的4台谱仪之一，用于测试中子引起的出射带电粒子的数据，主要包括p、d、t、3he和4he等轻带电粒子。这类数据对新一代核能，例如第四代反应堆、ads等，的研发尤为重要，涉及到中子探测、辐射防护与检测、反应堆控制与运行等多个方面；同时，也对强子治疗提供重要的支持。相比国际上同类型谱仪，lpda具有探测器数量多、带电粒子测量能区和中子测量能区宽等特点，如表1所示。表1lpda与同类型谱仪的特征比较lanscemedleycrockercyclonelpda探测器数量483616带电粒子测量能区4～50mev8～100mev<80mev1.5～80mev0.5～100mev中子测量能区0.2～50mev70mev10～60mev25～65mev1ev～200mev时间分辨3ns2～4ns-------0.8ns<5nslpda包括真空靶室和带电粒子探测器。其中真空靶室是机、电、真空和气一体化设备，给带电粒子探测器提供实验环境。真空靶室集成度非常高，是一个多功能的真空腔体。因此，如何对这样一个复杂的真空靶室和带电粒子探测器进行有效控制是带电粒子探测谱仪正常运行的关键。技术实现要素：本申请的目的是提供一种结构改进的适用于白光中子源带电粒子探测谱仪的控制系统。本申请采用了以下技术方案：本申请公开了一种用于白光中子源带电粒子探测谱仪的控制系统，包括本地控制系统和远程控制系统；本地控制系统包括运动控制模块、真空监测模块、气路稳压模块、粒子束窗和真空气路元器件保护模块；运动控制模块用于控制样品换样器和探测器角度旋转机构运动；真空监测模块用于监测探测器和真空腔体内的真空度或气压；气路稳压模块用于协调控制真空气路系统的真空组件和工作气体组件，使真空腔体维持在稳定的真空度，使探测器内的工作气压维持稳定；粒子束窗和真空气路元器件保护模块用于协调控制设置于真空气路系统和探测器之间、真空气路系统和真空腔体之间的各阀门的开启或关闭，以保障粒子束窗不破裂，或者在粒子束窗破裂时避免真空气路元件损坏；远程控制系统与本地控制系统信号连接，用于远程控制本地控制系统的各模块的运行。其中，运动控制模块用于控制样品换样器和探测器角度旋转机构运动，可以理解，控制样品换样器和探测器角度旋转机构都有相应的驱动设备驱动其运行，运动控制模块的作用在协调控制控制样品换样器和探测器角度旋转机构的驱动设备，使其在需要的时候自动样品切换或探测器角度调整。真空监测模块用于监测探测器和真空腔体内的真空度或气压，可以理解，真空度或气压的具体检测可以通过真空计或气压计等检测设备实现，真空监测模块的作用在于统计并管理这些数据。气路稳压模块用于协调控制真空气路系统的真空组件和工作气体组件，可以理解，真空组件的作用就是抽真空，工作气体组件的作用就是为探测器提供工作气体，因此，气路稳压模块的作用就是根据真空监测模块的数据，协调控制真空组件和工作气体组件，使真空腔体维持在稳定的真空水平，同时使探测器内的气压保持稳定。需要说明的是，本申请的本地控制系统中，各模块实际上都是控制器层的各功能模块，至于具体的现场控制层的现场设备和子系统，例如工作气体组件及其控制系统、真空组件及其控制系统、阀组、泵组、各传感器、变送器、仪表、样品换样器、探测器角度旋转机构等设备，可以根据具体使用需求或者具体设计方案而定，在此不做限定。优选的，本地控制系统还包括上位机监控层设备，用于监控和管理本地控制系统的运动控制模块、真空监测模块、气路稳压模块、粒子束窗和真空气路元器件保护模块。优选的，上位机监控层设备包括触控屏，通过触摸屏对本地控制系统的各模块进行控制和管理，并通过触摸屏显示和监控各模块的运行状态。优选的，本地控制系统使用横河plc的顺控cpu实现各模块。优选的，触摸屏通过以太网与plc主控系统通讯。优选的，远程控制系统为基于epics软件架构搭建的系统，epics采用分布式控制系统的标准模型。本申请的再一面还公开了本申请的控制系统在白光中子源带电粒子探测谱仪中的应用。本申请的有益效果在于：本申请用于白光中子源带电粒子探测谱仪的控制系统，能实时监测带电粒子探测谱仪真空靶室的状态，并可实现对样品换样器、探测器角度旋转机构和真空气路系统的远程控制，为带电粒子探测谱仪真空靶室安全、稳定、可靠地运行打下了坚实的基础。在本申请的一种实现方式中，本申请控制系统中的远程控制系统发布的epicspv能直接进入csns加速器中央控制室的声音报警系统和历史数据库系统，为工作人员及时发现和处理问题、进行事后分析和设备研究等提供了便捷途径和可靠保障。附图说明图1是本申请实施例中白光中子源带电粒子探测谱仪真空靶室的结构框图；图2是本申请实施例中白光中子源带电粒子探测谱仪真空靶室的机械系统及相关组件的结构框图；图3是本申请实施例中带电粒子探测谱仪真空靶室的实物立体结构示意图；图4是本申请实施例中带电粒子探测谱仪真空靶室的内部结构剖视图；图5是本申请实施例中带电粒子探测谱仪真空靶室的侧面结构示意图；图6是本申请实施例中带电粒子探测谱仪真空靶室真空腔体的结构示意图；图7是本申请实施例中带电粒子探测谱仪真空靶室的支撑架的结构示意图；图8是本申请实施例中带电粒子探测谱仪真空靶室样品换样器结构示意图；图9是本申请实施例中样品换样器的样品架的结构示意图；图10是本申请实施例中带电粒子探测谱仪真空靶室控制系统的结构框图；图11是本申请实施例中粒子束窗薄膜漏率测试装置的结构示意图；图12是本申请实施例中进行漏率测试的安装粒子束窗薄膜的法兰的内部剖视结构示意图；图13是本申请实施例中4.5μm的pet对空气的漏率测试结果；图14是本申请实施例中4.5μm的pet对氦气的漏率测试结果；图15是本申请实施例中4.5μm的pet对混合气体的漏率测试结果；图16是本申请实施例中4.5μm的pet对不同气体的漏率对比结果；图17是本申请实施例中0.5μm的pe对氩气的漏率测试结果；图18是本申请实施例中4.5μm的pet和0.5μm的pe的漏率对比结果；图19是本申请实施例中真空和气路系统的详细设计图；图20是本申请实施例中δe-e探测器的反时限差压平衡算法控制框图；图21是本申请实施例中电离室探测器的反时限差压平衡算法控制框图；图22是本申请实施例中本地控制系统的软件流程图；图23是本申请实施例中带电粒子探测谱仪的控制系统的运行结果图。具体实施方式下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。实施例本例用于白光中子源带电粒子探测谱仪的控制系统，主要是用于带电粒子探测谱仪真空靶室及其真空气路系统的控制，因此，本例对真空靶室和相应的真空气路系统进行了详细说明，具体如下：本例的白光中子源带电粒子探测谱仪真空靶室，如图1至图5所示，包括机械系统、真空气路系统和控制系统。其中，机械系统如图2至图5所示，包括真空腔体1、样品换样器2和探测器角度旋转机构3。真空腔体1用于容纳探测器0、样品换样器2和探测器角度旋转机构3，并为检测提供试验环境；真空腔体1与探测器0管道连通，并在连通管道上设置开关阀01。本例的真空腔体1为圆筒形腔体，真空腔体1的外表面阳极化处理，内表面导电，如图6所示；圆筒形腔体的上下两端各设置有上法兰11和下法兰12，圆筒形腔体的侧壁上设置有一对供束线穿过圆筒形腔体的束线接口法兰13和14，以及若干个穿墙件法兰15。束线接口法兰13和14上固定有中子束窗，以便于中子束流穿过，中子束窗为厚度100微米的钽薄膜，有效直径为100mm。上法兰11和下法兰12采用耐辐射的氟橡胶密封圈，本例具体采用1010mm×横截面直径8mm的氟橡胶密封圈。并且，真空腔体1的侧壁外表面设置有四个准直定位靶标16，用于对真空腔体1进行空间定位。真空腔体上设有若干个吊装螺栓，以方便真空腔体吊装。本例的真空腔体工作真空度：腔体空载时极限真空度为5×10-3pa，且压强稳定和分布尽可能均匀，真空泵抽口尽量对称布局。本例的真空腔体1整体安装于支撑架7的上表面，支撑架7如图7所示，支撑架7用于将真空腔体1支撑起来，以方便探测器角度旋转机构3等结构的设计；支撑架7的底部设置有若干个万向轮71，以方便移动真空腔体1；支撑架7总体承重2吨。真空腔体1与支撑架7之间设置有高度调节机构8，用于微调真空腔体1的高度，如图4所示，具体的，高度调节结构8通过调节螺钉实现；高度调节机构8高度方向能够调节±10mm，水平两个方向能够调节±10mm，调节精度0.1mm。支撑架7的侧边上设置有水平调节板9，用于手动调节水平位置，如4和图5所示，水平调节板9与螺钉91配合实现水平位置的微调。样品换样器2用于放置多个样品，样品换样器2采用波纹管密封，能够在真空下直线运动，实现样品切换。本例的样品换样器2，如图8所示，包括丝杆电机21和样品架22，样品架22采用波纹管23密封；上法兰最大变形量不超过0.05mm，上法兰11上开设有样品换样器接口111，丝杆电机21固定安装在上法兰11的样品换样器接口111上，位于真空腔体1外面，样品架22通过样品换样器接口111伸入真空腔体1内；丝杆电机21驱动样品架22上下移动实现检测样品更换。本例的样品架22为钽制样品架，如图9所示，钽制样品架能够放置四个样品，重复定位精度0.05mm，样品换样器与真空腔体上法兰相对位置固定，真空腔体有24个连接螺丝总共和24个销，都成15°角均匀布局。不同角度的装配，使得样品架能够与束流方向成±30°、±45°、±60°和±75°，这八个角度位置都需要有滑配销定位，样品前有钽制屏蔽壳。探测器角度旋转机构3采用磁流体密封，能够在真空下旋转运动，探测器角度旋转机构3在真空腔体1内的部分用于放置探测器0，实现探测器0的角度调整。本例的下法兰12上开设有探测器角度旋转机构接口121，探测器角度旋转机构3固定安装在下法兰12的探测器角度旋转机构接口121上，探测器角度旋转机构3的驱动端位于真空腔体1外面，探测器角度旋转机构3活动端通过探测器角度旋转机构接口121伸入真空腔体1内，用于连接探测器0。探测器角度旋转机构3安装在探测器角度旋转机构接口121上后采用磁流体密封。探测器角度旋转机构能够±10°旋转，重复定位精度0.05°，在真空中的部件需要考虑真空影响，密封采用磁流体密封，本例具体采用杭州大河的产品，零点定位、限位开关采用耐辐射的器件，角度传感器采用耐辐射的无刷旋转变压器。本例的真空气路系统包括真空组件和工作气体组件，真空组件分别与真空腔体1和探测器0管道连通，用于抽真空，保障真空腔体1和探测器0的真空度；工作气体组件与探测器0管道连通，用于为探测器0提供工作气体，并且，在真空组件和工作气体组件的协调下保障工作气体压力稳定。具体的，本例的工作气体组件包括高压气瓶4，高压气瓶4与探测器0管道连通，为其提供工作气体。高压气瓶4和探测器0之间设置有稳压平衡罐5；稳压平衡罐5上开设有复压阀51，用于保障工作气体压力，避免探测器电离室的束窗破裂；高压气瓶4和稳压平衡罐5之间设置控制阀，稳压平衡罐5与探测器0之间设置控制阀。本例的真空组件包括耐1atm冲击的复合分子泵6，复合分子泵6独立的与真空腔体1管道连通；同时，复合分子泵6独立的经由稳压平衡罐5与探测器0管道连通。复合分子泵6与真空腔体1连通的管道上设置有第一比例调节阀61，并在第一比例调节阀61与真空腔体1之间设置有第一挡板阀62；复合分子泵6与稳压平衡罐5之间的连通管道上设置有第二比例调节阀63，并在第二比例调节阀63与稳压平衡罐5之间设置有第二挡板阀64。本例的下法兰12上的分子泵接口法兰122，用于连接复合分子泵6进行抽真空；稳压平衡罐5安装在支撑架7的底部，位于真空腔体1的正下方，稳压平衡罐5与真空腔体1管道连通，用于稳定真空腔体内的气压。本例的控制系统用于协调控制探测器0、样品换样器2、探测器角度旋转机构3和真空气路系统。本例的探测器包括δe-e探测器和电离室探测器，其设计要求如下：a)δe-e探测器和电离室探测器都有粒子束窗，前者选择0.5微米聚乙烯，后者选择4.5微米pet。需要精确测量出两种探测器的漏率，包括离子束窗的漏率、气路接口的漏率等。b)工作环境真空度：依据探测器的漏率和真空系统共同确定；粒子束窗能够承受工作气体的压强。c)δe-e探测器工作气体压强为1000pa～5000pa，不同实验的具体数值不一样，波动范围±5％；电离室探测器工作气体压强为1atm，波动范围±5％。d)气路接口：快卸转换接头。本例的真空腔体等结构的具体研制过程如下：一、真空腔体的设计与研制如图2和图3所示，真空腔体既是一个散射腔，是探测器工作的空间，又是一个样品腔，是在线换样的空间。它由圆筒、上下法兰、腔体周围法兰、二维调节机构和支撑架等组成。1.真空腔体的有限元分析根据铝制压力容器jb1580-75，dn1000铝制圆柱腔体厚度约为18-20mm，本例的腔体周围有8个小法兰，因此，厚度选择24mm；根据量jisb2290-1998vacuumtechnology-flangedimensions，真空腔体上下法兰dn1000，螺纹孔直径1090mm，密封槽内径1010mm，槽宽10mm，槽深6.4mm。采用铁岭橡胶工业研究设计院内径1010mm×横截面直径8mm的氟橡胶密封圈。并采用24个m24螺栓连接。真空腔体的上法兰是样品换样器的基准，它的变形直接影响换样器的运动精度。主要的是通过有限元优化上法兰的结构。真空腔体的上法兰有限元分析结果显示，上法兰尺寸：(厚度)，凸台(厚度)，材料：al5083。上法兰与样品换样器相连，为了保证样品定位准确，在上法兰中间部位加了一个凸台，减少变形量，有限元分析未考虑重力位移约33.9微米，考虑重力位移为34.9微米。当凸台厚度40时候，位移为39微米；当凸台厚度20时候，位移为46微米；当凸台厚度0时候，位移为56微米；当法兰厚度变成70，没有凸台，位移为78微米；当法兰厚度变成90，没有凸台，位移为43微米。真空腔体的下法兰有限元分析结果显示，下法兰尺寸：(厚度)，材料：al5083，下法兰与旋转机构相连，有限元分析位移约37μm。考虑到上法兰结构自身质量重，加工耗材量大，仿生汽车上板弹簧机构，设计成几个台阶，最大厚度由140mm变成125mm。整体有限元分析显示，真空腔体整体最大变形量位于上法兰中心位置，位移为44μm，优于设计指标50μm。2.真空腔体的制造真空腔体是个铝制容器，先用30mm厚的铝合金板卷成内径1016mm的圆筒，相连处焊透，上下法兰、上下盖板和周围法兰在腔体内部焊接，所有进行无损检测保证内部没有裂缝，整体焊接好需要进行残余应力失效处理，腔体外表面进行阳极化处理，内表面抛光。圆筒制造工艺中，采用等离子下料，下料尺寸：3210×510×30；刨床采用龙门刨床加工宽度至尺寸490；龙门铣，加工长度方向至尺寸3192；钣金，根据图纸尺寸进行卷筒，中心直径焊接，根据图纸尺寸进行纵向焊接，焊接要求全焊透；车床，立车夹外圆，车内孔至尺寸撑内孔加工外圆至图纸尺寸，加工两端台阶及焊接坡口；最后清洗去除表面油污，即获得所需圆筒。上下法兰制造工艺中，下料同样采用等离子下料，下料尺寸：中心掏孔至尺寸车床，立车夹外圆车孔至尺寸见光一端面，调头撑内孔车外圆至尺寸，夹外圆车内孔及台阶到尺寸；最后清洗去除表面油污，即获得所需法兰。在获得真空腔体后需要分别进行粗加工和精加工。粗加工工艺中，焊接需要根据图纸要求进行对位，自检尺寸合格后进行焊接，要求内部密封焊，外部加强焊，焊接时进行预热；并需要对筒体焊缝进行检漏；车床，立车夹外圆校正后，车一端法兰见光，调头夹外圆车另一法兰至厚度48，调头夹外圆车另一法兰至厚度48，外圆及内孔到图纸尺寸；卧加，以法兰面为基准，工作台旋转加工所侧面孔到图纸尺寸；最后清洗去除表面油污。粗加工工艺中，焊接，根据图纸要求进行对位，自检尺寸合格后进行焊接，要求内部密封焊，外部加强焊，焊接时利用工装保证对称法兰的同轴度；然后，对筒体焊缝进行检漏；车床，立车夹外圆校正后，车一端法兰见光，调头夹外圆车另一法兰至厚度45，调头夹外圆车另一法兰至厚度45；卧加，以法兰面为基准，工作台旋转加工束流口法兰内孔及法兰平面，保证束流中心到法兰底面距离，及两法兰同轴度；最后清洗去除表面油污。表面处理，将所有安装口用盲板密封，然后将腔体放置到阳极氧化池中，进行阳极氧化，保证接触真空部分的表面不被阳极氧化；或者整体氧化，内表面抛光；清洗，根据超高真空要求对零件进行清洗，上盖板制造工艺中，下料采用等离子下料，下料尺寸粗车，夹外圆一端，车外圆至尺寸调头夹外圆接刀车外圆至尺寸端面见光，调头夹外圆以底面为基准加工上表面台阶成型总厚度尺寸132，多次翻身每次进刀量1,加工总厚度至尺寸127，车外圆及内孔留余量单边1；时效处理，对零件进行自然时效，粗加工结束放置一段时间，和人工时效；半精车，每次进刀量0.3，3次翻身两面加工；精车，进刀量0.2两面加工至尺寸，车外圆及内孔至尺寸；数控，加工所有孔及台阶面到尺寸；钳工，对螺纹孔进行栽丝处理；最后清洗去除表面油污。支撑架制造工艺中，下料，上下底板采用材料316，支架采用8#方管；焊接完成后，需要进行热处理，对支架进行去应力退火；龙门铣，加工上平面至高度尺寸，保证平面度要求；最后清洗去除表面油污。3.真空腔体的检测真空腔体的真空度、漏率和接口尺寸形位公差等测试结果如表2所示。表2真空腔体检测结果测试内容设计要求测试数据结论空载极限真空度5.0×10-3pa1.71×10-3pa合格束流法兰离地面的高度1405±1mm1405.1mm合格腔体上法兰与束流的平行度≤0.05mm0.01mm合格漏率(焊接、密封)≤1.0×10-9pa.m3/s≤4.1×10-11pa.m3/s合格束流法兰间的平行度≤0.05mm0.015mm合格前后两法兰的间距1160±1mm1160.047mm合格表2的结果显示，本例的真空腔体各项测试都符合设计要求。二、样品换样器的设计与研制本例的样品换样器如图8所示，样品换样器用于在线更换样品，它包括电机21和样品架22，样品架22采用波纹管23密封；电机21固定安装在支撑架24上，支撑架24表面设置有导轨25，电机21固定在导轨25的一端；波纹管23两端开口，两个端口分别采用上波纹管固定座231和下波纹管固定座232封闭，上波纹管固定座231活动安装于导轨25一端，并且是靠近电机21的一端，下波纹管固定座232固定安装于导轨25另一端，下波纹管固定座232上开设有供样品架22穿过的通孔，上波纹管固定座231和下波纹管固定座232安装好后将波纹管23架设于导轨25的正上方，并且与导轨25平行；电机21的丝杆211同样平行设置于导轨25的正上方，并且位于波纹管23和导轨25之间；样品架22通过下波纹管固定座232上开设的通孔穿入波纹管23内，并且与上波纹管固定座231固定连接；使用时，上波纹管固定座231在电机21的驱动下，沿导轨25和丝杆211向下移动，压缩波纹管23，同时带动样品架22伸出波纹管23，实现样品更换。1.样品换样器的设计样品换样器要求在真空中更换样品。通过电机带动丝杆，转换到真空波纹管压缩运动，最后带动样品架子上下运动，重复定位精度0.05mm。样品换样器安装好，工作时候样品重复定位精度为0.1mm。由于波纹管保护作用，使得样品始终处于真空状态。另外样品换样器还有两个限位开关，用来限制样品上下极限位置，也同时作为运动控制的零点。样品架上总共有4个样品，样品架、样品的总质量约10kg，波纹管真空压力折合质量约60kg，总质量约70kg。样品之间的距离为70mm，要求重复定位精度为0.05mm。电机选型：本例采用伺服电机富士电机smart系列的gyb751d5-rb2(-b)，电机输出轴直径为16mm，丝杆选择滚珠丝杆，丝杆螺纹为m16，导程为4mm。选择直轴无油封，编码器选择20位。丝杆匀速运动，则电机需要最小的转矩为：样品换样器的限位开关选择耐辐射的旋转欧姆龙/tz-1g。2.样品换样器的制造本例采用波纹管腔体上法兰和波纹管腔体下法兰。波纹管腔体上法兰工艺如下：a.内孔增加台阶，通过l板进行过渡连接，由螺栓固定销孔定位，方便后期装配和加工；b.法兰背面添加波纹管焊接凸台，并留有焊接应力槽；c.螺母连接孔由台阶孔改为直孔，配合滚珠丝杆螺母进行加工。工艺流程中，下料采用等离子下料，下料尺寸190×145×45；刨床加工四周至尺寸178×130×40；线切割以长度方向一端为基准，校正平面后加工外形及割内孔到图纸尺寸，长度方向保留尺寸178；车床，四爪夹持法兰，校正平面后，加工波纹管焊接凸台及内孔两端台阶到尺寸；数控，以内孔凹槽面为基准，加工法兰底面到尺寸176，保证尺寸98公差要求；镗通孔，并加工其他所有孔到尺寸；钳工主要是对螺纹孔进行攻丝处理；最后根据超高真空要求进行清洗，并利用三坐标检测工具对零件进行整体检测。波纹管腔体下法兰工艺方案如下：a.内孔增加台阶，通过l板进行过渡连接，由螺栓固定，使后期装配及加工更加方便；b.法兰背面添加波纹管焊接凸台，并留有焊接应力槽。工艺流程中，下料采用等离子下料，下料尺寸215×145×45；刨床，加工四周至尺寸200×130×40；线切割，以长度方向一端为基准，校正平面后加工外形及割内孔到图纸尺寸；车床，四爪夹持法兰，校正平面后，加工波纹管焊接凸台及内孔两端台阶到尺寸；数控，以法兰底面为基准，加工孔到尺寸，保证尺寸43公差要求；镗轴承孔，并加工其他所有孔到尺寸；钳工，对螺纹孔进行攻丝处理；最后根据超高真空要求进行清洗，并利用三坐标检测工具对零件进行整体检测。样品架：由于零件长度尺寸较大、局部厚度较薄，作为整体结构加工，加工变形较难控制，难以保证零件的最终装配要求；本例的样品架工艺方案如下：如图9所示，样品架由不锈钢板221与钽板进行钎焊后加工，并且在钽板尾部较薄处2mm厚钽板直接加工出容纳样品的圆孔222，这部分钽板及样品固定板223，不锈钢板221用于固定连接上波纹管固定座231。不锈钢板工艺流程中，下料采用等离子下料，尺寸为520×100×12；刨床加工四周到尺寸510×90，加工6mm台阶到图纸尺寸；厚度方向两面抛光处理；最后进行去除表面油污。钽板采用采购的110×95×12的钽板；然后进行刨床加工四周到尺寸105×90，加工6mm台阶到图纸尺寸，最后清洗去除表面油污即可。不锈钢板与钽板采用真空钎焊；焊接完成后，数铣，厚度方向多次翻身加工，每次进刀量分别为1、0.5、0.5mm加工到尺寸8，加工四周到尺寸555×80，加工台阶及所有孔到尺寸，销孔装配后配打；最后清洗去除表面油污即可。样品固定板采用采购的370×90×2的钽材料；然后进行线切割，加工四周到尺寸362×80，并加工4个的通孔；通过数控加工台阶孔到尺寸，加工沉头孔；最后根据超高真空要求进行清洗即可。对本例的样品换样器的束流法兰端面与导轨承载面平行度、导轨支撑面与钽板的平行度、重复定位精度、焊接波纹管的漏率、样品架的平面度和丝杆的回程误差等进行检测，结果如表3所示。表3样品换样器的检测结果测试内容设计要求测试数据结论束流法兰端面与导轨承载面平行度≤0.05mm0.042mm合格导轨支撑面与钽板的平行度≤0.1mm0.075mm合格重复定位精度≤0.05mm0.03mm合格焊接波纹管的漏率≤1.0×10-9pa.m3/s≤4.1×10-11pa.m3/s合格样品架的平面度≤0.1mm0.065mm合格丝杆的回程误差≤0.05mm0.02mm合格表3的结果显示，样品换样器的各项指标都符合设计要求。三、角度旋转机构的设计与研制本例的角度旋转机构包括旋转盘、旋转器和电机，旋转盘是为了让探测器能够旋转一定角度，旋转盘与旋转器相连，再与电机相连。其中旋转器是一个磁流体密封件，旋转盘包含载荷的质量和转动惯量分别为100kg、12.5kg.m2。旋转盘力矩不超过4n.m。旋转盘设计为±10°旋转，重复定位精度为0.05°。1.角度旋转机构的设计角度旋转机构要求旋转部件在真空下运动，本例采用磁流体密封方式把旋转运动从空气中输运到真空中。旋转盘是一个转动惯量比较大的盘子，考虑惯量匹配问题。真空腔体内有较大的中子辐射，需要考虑使用耐辐射的电子器件。本例的磁流体密封件由杭州大和制造，漏率少于10-7pa.l/s，转速少于10rpm，正常转速2rpm，轴向负载150kg，安装方向为垂直向下。电机选择伺服电机富士电机smart系列gyg751c5-rb2(-b)，电机输出轴直径19mm。选择无油封，直轴，编码器选择20位。经过计算旋转盘的转动惯量接近3kg.m2，而电机转动惯量为8.88×10-4kg.m2。显然惯量不匹配，要在电机和旋转盘中间加减速器。减速器：本例采用日精afcz22h-60l200s2，输出轴直径为22mm，输入轴直径为14mm，功率为200w，传动比为1/60。旋转盘折算到电机轴上的转动惯量为12.5kg.m2/(60×60)＝34.72×10-4kg.m2。使旋转盘与电机转动惯量匹配。探测器旋转机构的限位开关旋转欧姆龙/tz-1g，旋转变压器采用phytron。2.角度旋转机构的检测对本例的角度旋转机构的重复定位精度、旋转盘与真空腔体的同心度和旋转盘与真空腔体上法兰的平行度进行检测，结果如表4所示。表4角度旋转机构的检测结果测试内容设计要求测试数据结论重复定位精度≤0.05°0.02°合格旋转盘与真空腔体的同心度≤0.1mm0.07mm合格旋转盘与真空腔体上法兰的平行度≤0.1mm0.05mm合格表4的结果显示，本例制备的角度旋转机构符合设计要求。四、带电粒子探测器机械结构的设计与研制1.δe-e探测器本例的δe-e探测器由小型多丝正比室(缩写mwpc)气体探测器和碘化铯固体探测器组成。δe-e探测器粒子束窗是0.5μm厚的聚乙烯薄膜，能够耐5000pa的压力差而不破裂。2.电离室探测器本例的电离室探测器是气体探测器，工作气体是氩气，内部结构是阴极、阳极、栅极和均压环，带电粒子进入高压区域，就能被探测到。带电粒子极容易被阻挡，粒子束窗选择8μm聚酰亚胺薄膜或pet，粒子束窗能承受1atm压力。本例具体采用了两种商品膜作为粒子束窗，两种膜的试验结果如下：mylar膜，厚度8μm，有效直径为60mm时，结果显示，mylar膜承受不了一个大气压力，破裂主要位于中间部位，这说明膜已经发生塑性失效。然后测量鼓起高度有10mm，这样形变量超过30％。聚酰亚胺薄膜或者pet，厚度8μm，有效直径60mm，经破坏试验，没有发生破裂，说明聚酰亚胺薄膜或者pet可以承受一个大气压力。本例的粒子束窗主要采用聚酰亚胺薄膜或者pet。五、机械系统的准直安装机械系统整体组装步骤如下：1)将底部支架与调节板、下盖板进行装配并调节在居中位置；2)安装磁流体，通过螺栓进行固定；3)安装旋转盘，通过打表及激光跟踪仪对旋转板进行调节；4)安装旋转盘限位开关，并通过激光跟踪仪进行标定；5)安装4个气体探测器，探测器与探测器之间由真空橡胶管与卡箍连接；6)安装真空腔体，通过锥销定位，由螺栓进行固定；7)安装分子泵与旋转电机；8)对样品换样器利用三坐标进行坐标标定；9)安装上盖板与样品换样器集成，并通过激光跟踪仪进行整体标定；10)将机械系统与气路系统进行对接；11)对系统进行抽气检漏；12)对整个系统进行联调；其中，上盖板即上法兰11、下盖板即下法兰12。安装完成后，真空靶室前后法兰，即束线接口法兰13和14，的中心线与束流线同心度在0.05mm以内。对安装好的真空靶室进行空载极限真空度测试、腔体上法兰与束流的平行度测试、漏率测试等检测。结果如表5所示。表5机械系统测试结果测试内容设计要求测试数据结论空载极限真空度5.0×10-3pa1.71×10-3pa合格束流法兰离地面的高度1405±1mm1405.1mm合格腔体上法兰与束流的平行度≤0.05mm0.01mm合格漏率(焊接、密封)≤1.0×10-9pa.m3/s≤4.1×10-11pa.m3/s合格束流法兰间的平行度≤0.05mm0.015mm合格前后两法兰的间距1160±1mm1160.047mm合格表5的结果显示，本例的真空靶室安装好后，各项性能都符合预期。六、真空气路系统的设计与研制带电粒子探测谱仪真空靶室的真空和气路系统是一个非常复杂的系统，它把真空和气路混合在一起。带电粒子探测器薄膜粒子束窗会漏气，气路中工作气体会漏到真空腔体，一方面漏气会影响探测器气体压力稳定，另一方面会影响腔体真空度，因此需要一套补气系统即工作气体组件，和一套足够抽速的真空泵组即真空组件；探测器粒子束窗是薄膜束窗，如果两端压差超出一定范围，束窗就会破裂，因此需要有控制压差的措施，以及万一破裂之后对分子泵和真空规等的保护措施。本例的真空气路系统详细如下：1.探测器粒子束窗漏率的测试在做设计之前，先需要测量出粒子束窗的漏率。本例在试验之初分别采用4.5μm的pet和0.5μm的pe进行试验，测试粒子束窗的漏率。为了明确粒子束窗薄膜在试验状态下的对混合气体的漏率以及帮助质量流量计选型，确定如下测试方案：对两种束窗薄膜漏率测试的方案基本相同，采用了静态压升和静态压降相结合的方式，验证数据的一致性。漏率测试装置的结构如图11所示，包括两个腔体，即腔体一131和腔体二132，两个腔体采用两条独立的管道连通，两条管道上分别设置挡板阀一133和挡板阀二134，腔体一131独立的设置一个复压阀135，腔体二132独立的设置一个挡板阀三136，挡板阀三136控制与泵组137的连通或关闭；将安装粒子束窗薄膜的法兰138置于两个腔体之间的挡板阀一133所在的连通管道上；腔体一131上设置电容薄膜规一139，腔体二132上设置电容薄膜规二1310。测试时，挡板阀一133关闭，挡板阀二134开启，通过泵组137将两个腔体同时抽成真空状态，关闭挡板阀二134，通过流量计1311对腔体一充入1个大气压的测试气体，其中测试气体一般为工作气体，如氩气，关闭挡板阀三136，开启挡板阀一133，记录此时电容薄膜规一139、电容薄膜规二1310的数值p1、p2，经过t时间后，记录电容薄膜规一139、电容薄膜规二1310的数值为p1’和p2’，薄膜的漏率为：q＝(p1-p1’)v2/t或q＝(p2’-p2)v1/t其中p1、p2为监测开始时电容薄膜规一、电容薄膜规二的数值，单位为pa；p1’、p2为监测结束时电容薄膜规一、电容薄膜规二的数值，单位为pa；v1、v2为腔体一和腔体二的容积，单位为l；本例具体的v1≈190l、v2≈210l；t为监测时长，单位为h。安装粒子束窗薄膜的法兰，如图12所示，粒子束窗薄膜141先贴附在加固钢丝网142上，避免粒子束窗薄膜破裂，然后采用法兰固定，并用密封圈143封闭，将薄膜面向充入待测气体一面安装于两个腔体之间。由于挡板阀一与薄膜之间还有一段压缩波纹管，所以挡板阀一打开后，第一个监测时间段腔体一压降有异常，整个测试时间段内漏率稳定。本例分别测试了4.5μmpet和0.5μmpe在不同气体下的漏率，详细如下：1)粒子束窗4.5μm的pet在空气下的测试测试条件：测试气体为空气，腔体一和腔体二的体积分别为205l、181l，加固钢丝网规格为30目。分别对两容器气压变化进行拟合，结果如图13所示。图13的结果显示，左容器的气压下降率为3.01007pa/s，右真空容器压升率为3.63407pa/s。进一步计算得到两容器对应薄膜的漏率分别为617.06435pa*l/s和657.76667pa*l/s。二者相对误差为6.1879572％，该误差较小，所以该漏气率取二者的平均值，即637.41551pa*l/s。2)粒子束窗4.5μm的pet在氦气下的测试测试条件：测试气体为he、腔体一和腔体二的体积分别为205l、181l，加固钢丝网规格为30目。分别对两容器气压变化进行拟合，结果如图14所示。图14的结果显示，左容器的气压下降率为9.0101pa/s，右真空容器压升率为10.63707pa/s。进一步计算得到两容器对应薄膜漏率分别为1847.0705pa*l/s和1925.30967pa*l/s。二者相对误差为4.0637187％，该误差较小，所以该漏气率取二者的平均值，即1886.190085pa*l/s。3)粒子束窗4.5μm的pet在混合气体下的测试测试条件：测试气体为90％的ar和10％空气组成的混合气体(以下缩写90ar/10air)，腔体一和腔体二的体积分别为205l、181l，加固钢丝网规格为30目。分别对两容器气压变化进行拟合，结果如图15所示。图15的结果显示，左容器的气压下降率为1.37576pa/s，右真空容器压升率为1.62015pa/s。进一步计算得到两容器对应薄膜漏率分别为282.0308pa*l/s和293.24715pa*l/s。二者相对误差为3.8248795％，该误差较小，所以该漏气率取二者的平均值，即287.638975pa*l/s。对以上三种测试气体的漏率进行比较，结果如图16所示，结果显示，he的漏气率是最高的，为1886.190085pa*l/s，而90ar/10air的漏气率最低，为287.638975pa*l/s，在同样为1atm压差的条件下，约为前者的15％，原因主要在于不同气体的分子/原子直径不同，导致渗透率不同。4)粒子束窗0.5μm的pe在氩气下的测试测试条件：测试气体为ar、腔体一和腔体二的体积分别为205l、181l，加固钢丝网规格为30目。分别对两容器气压变化进行拟合，结果如图17所示。图17的结果显示，左容器的气压下降率为0.410pa/min，右真空容器压升率为0.486pa/min。进一步计算得到两容器对应薄膜的漏率分别为1.401pa*l/s和1.465pa*l/s。二者相对误差为4.388％，该误差较小，所以该漏气率取二者的平均值，即1.433pa*l/s。在相同的5000pa压差及相同气体条件下，对4.5μm的pet和0.5μm的pe这两种束窗薄膜在5000pa压差下的漏气率进行对比，结果如图18所示，结果显示，4.5μm的pet的薄膜漏气率要高于0.5μm的pe的漏率，pe的漏率约为前者的35％，原因主要是两种薄膜的材料和结构不同，0.5μm的pe薄膜的分子排布更为紧凑，较4.5μm的pet薄膜更不利于气体分子/原子的渗透。2.真空和气路系统的设计本例的真空和气路系统详细设计如图19所示，通过本例的设计实现了抽真空-洗气-试验中对两种探测器补气-复压等功能，并且确保在整个过程中，-500pa≤p气体探测器-p真空靶室≤5000pa，0≤p电离室探测器-p真空靶室≤1bar。其中，p气体探测器是指气体探测器内的气压，也就是δe-e探测器中的气压；p电离室探测器是指电离室探测器内的气压；p真空靶室是指真空腔体内的气压。为了保证0.5μm厚聚乙烯粒子束窗在抽真空和洗气过程中不破裂，采取以下措施：一是探测器与真空腔体联通，抽真空时候，真空泵直接抽真空腔体，然后真空腔体抽探测器，保证探测器的压强高于腔体压强，且压强差不会超过5000pa，一旦发现超过，相应的挡板阀关闭，真空泵抽不了真空；二是比例调节阀前面有一个挡板阀，当需要调节流速时候，先关闭挡板阀，等比例调节阀到位后再开启挡板阀；三是采用了耐冲击的复合分子泵。另外在稳压罐旁边加一个复压阀，探测器与真空腔体联通，这样复压可以很好保证离子束窗不破裂。1)真空和气路系统工作流程真空和气路系统工作流程包括抽真空、气体置换和复压。详细内容如下：抽真空：如图19所示，机械泵二、挡板阀一、挡板阀七、挡板阀九、挡板阀五，比例调节阀一开启，机械泵二对靶室腔体进行抽真空，通过挡板阀七、挡板阀九对气体探测器进行抽真空，对电容薄膜规二、电容薄膜规三的数值进行监测。保护机制：若压差<-100pa或>4950pa，则关闭挡板阀五，使气体探测器和靶室气压自平衡，当-100pa<压差<4950pa打开挡板阀五继续抽真空，直到抽真空完成，p气体探测器<300pa，且p电离室探测器<300pa，p全量程规<15pa。探测器置换气体：当抽真空完成或p气体探测器<300pa，且p电离室探测器<300pa，p全量程规<15pa，开始洗气，重复3次后充入气体直到p气体探测器＝4950pa，置换气体完成。电离室置换气体：当抽真空完成或p气体探测器<300pa，且p电离室探测器<300pa，p全量程规<15pa，或者气体室置换气体完成，开始电离室置换气体，重复3次后，充入气体直到p电离室探测器＝100000pa，置换气体完成。复压：实验结束后，靶室腔体为低于10pa的真空状态，气体探测器为4500-5000pa，电离室探测器为100000pa，先打开挡板阀七、挡板阀九使真空腔体和气体探测器连通，手动开启复压阀，对系统进行复压。保护机制：若压差<-100pa或>4950pa，则关闭挡板阀一，使真空腔体和气体探测器平衡后再充气。实验过程中的保护机制，实时监测气体室和电离室的压力值并与前一秒的值比较，如果差值大于5000pa，则探测器薄膜破裂。关闭分子泵，关闭挡板阀。2)真空和气路系统设备选型根据上述测量得到4.5μm的pet薄膜作为屏栅电离室粒子束窗薄膜漏气率约为288pa*l/s，500nm的pe薄膜作为δe-e探测器粒子束窗薄膜漏气率约为1.44pa*l/s，对于真空系统，如果要求真空腔体在工作时候真空度低于1pa，则真空泵组的极限真空度至少低于0.5pa，先选择1200l/s的分子泵和25l/s的机械泵，计算出的极限真空度为0.25pa；对于气路系统，δe-e探测器在未来会有16个，则需要补气量为：1.44pa*l/s*60s/min/5000pa*16＝0.288l/min，即选择质量流量控制器量程为0.5l/min。屏栅电离室有2个，则需要补气量为：288pa*l/s*60s/min/100000pa*2＝0.345l/min，选择质量流量控制器量程2l/min。真空和气路系统部分设备选型如表6所示。表6真空和气路系统部分设备选型名称型号品牌主要参数分子泵mdp-1200北京北仪创新1200l/s，极限1-5pa，耐1bar大气冲击机械泵trp-90北京北仪创新25l/s，极限5-2pa电容薄膜规cdg025dinfincon0.1-1000torr相应时间30毫秒全量程规mpg500infincon10-9至1000mbar质量流量控制器mfc2122axetrisag响应时间＜4毫秒，整定时间＜150毫秒挡板阀gdc-b/kf40上海西马特阀门开启时间：8毫秒关闭时间：120毫秒比例调阀gid-40上海工洲阀门漏率≤1.3x10-6pa.l/s针阀微调阀gw系列上海西马特漏率<1.0×10-7pa·l·s-1通径0.8mm3.真空和气路系统的测试本例对真空和气路系统的抽真空时探测器离子束窗薄膜两端的压差、探测器洗气的稳定性和探测器工作气体压力稳定性进行了测试，结果如表7所示。表7真空和气路系统测试结果表7的结果显示，本例设计的真空和气路系统各项性能都能够达到预期的设计要求，能够稳定的为探测器提供洗气和工作气体。七、控制系统的设计与研制本例的白光中子源带电粒子探测器真空靶室，其控制系统从物理角度分为硬件部分和软件部分，从远近角度分为现场控制系统(即本地控制系统)和远程控制系统。本例的本地控制系统使用横河plc的顺控cpu实现包括运动控制模块、真空监测模块、气路稳压模块、粒子束窗和真空气路元器件保护模块等的功能。远程控制系统使用嵌入式cpu模块f3rp61运行epicsioc，使白光中子源带电粒子探测器真空靶室控制系统的数据直接纳入基于epics的加速器控制系统中，从而方便实现远程opi操作、历史数据存储、声音报警等功能，控制系统设计图如图10所示。1.控制系统的硬件设计本例的本地控制系统采用基于现场总线的分层分布、开放式可配置结构，整个绕制生产线在物理上分为三层：上位机监控控制层，控制器层和现场设备层。软件适合开放系统环境下运行，并具有成熟的运行经验。本例的上位机监控控制层设备为一台weinview的触摸屏，具有操作简便，用户界面友好，全汉化，提示清楚，功能详尽，可靠性高。主机/操作员工作站能自动完成白光中子源带电粒子探测器真空靶控制系统实时状态的采集与处理，实时运行参数的采集与处理、监控，对被控对象运行参数进行调节，报警及事故记录，历史数据、状态的查询，报表处理与打印，计算统计，实时显示设备运行状态和参数等功能。控制器层采用横河plc系统，包括控制器、电源模块、i/o模块、位置控制模块、通信模块灯。开发安全可靠，功能完备的下位机程序，完成各个子系统和各设备的控制，监控，保护等功能。具体的，控制器层包括运动控制模块、真空监测模块、气路稳压模块、粒子束窗和真空气路元器件保护模块；运动控制模块用于控制样品换样器和探测器角度旋转机构运动；真空监测模块用于监测探测器和真空腔体内的真空度或气压；气路稳压模块用于协调控制真空气路系统的真空组件和工作气体组件，使真空腔体维持在稳定的真空度，同时，使探测器内的工作气压维持稳定；粒子束窗和真空气路元器件保护模块用于协调控制设置于真空气路系统和探测器之间、以及真空气路系统和真空腔体之间的各阀门的开启或关闭，以保障粒子束窗不破裂，或者在粒子束窗破裂时避免真空气路元件损坏。现场控制层包括多种现场设备及子系统，包括气体系统，真空系统，阀组，泵组，各传感器，变送器，仪表，样品取样器，探测器角度旋转机构等。本例控制系统具体的i/o口统计如表8所示，plc模块选型如表9所示。表8控制系统i/o口统计表9plc模块选型本例控制系统的主要设备选型如下：(1)样品换样器电机，选择富士伺服电机smart系列的gyb751d5-rb2(-b)，电机输出轴直径16mm，直轴无油封，编码器选择20位，带刹车。(2)旋转盘电机，旋转盘是为了让探测器能旋转一定的角度，旋转盘与旋转器相连，然后再与电机相连。其中旋转器就是一个磁流体密封件，旋转盘包含载荷的质量和转动惯量分别为100kg、12.5kg.m2，旋转盘力矩不会超过4n.m。旋转盘需要±10°旋转，重复定位精度为0.05°，触摸屏中给出控制界面，输入旋转角度绝对值，旋转盘就能够自动旋转到位。因此，旋转盘电机选择富士伺服电机smart系列的gyg751c5-rb2，电机输出轴直径为19mm。选择无油封，直轴，编码器选择20位，无刹车。(3)旋转盘减速机，经过计算旋转盘的转动惯量接近3kg.m2，而选择的电机转动惯量为8.88×10-4kg.m2。显然惯量不匹配，需要在电机和旋转盘中间加一个减速器。减速器的选择：本例选择日精afcz22h-60l200s2。输出轴直径为22mm，输入轴直径为14mm，功率为200w，传动比为1/60。旋转盘折算到电机轴上的转动惯量为12.5kg.m2/(60*60)＝34.72×10-4kg.m2。(4)零点检测、限位开关及旋转变压器，样品换样器和旋转盘均各设置三个耐辐射机械开关，其中一个为零点检测开关，用于系统找零，消除累积误差。另外两个为正反向的限位保护，保护系统安全。旋转变压器选择phytron品牌普通旋变。(5)其他现场设备，本例的其他现场设备包括用于真空气路系统的质量流量控制器、泵组、阀组等。2.控制系统的软件设计控制系统软件分为本地控制系统和远程控制系统。本地控制系统使用横河plc的顺控cpu实现了包括运动控制、真空监测、气路稳压、离子束窗和真空元器件保护等功能。远程控制系统使用嵌入式cpu模块f3rp61运行epicsioc，使带电粒子探测器真空靶室控制系统的数据直接纳入基于epics的加速器控制系统中，从而方便实现远程opi操作、历史数据存储、声音报警等功能。本地模式可以通过触摸屏实时显示真空气路系统，各设备等的监控数据，对样品换样器及探测器角度旋转机构控制并监控各位置数据，并对系统所有节点提供保护。详述如下：1)根据不同的工艺流程，划分不同的系统状态，采用模块化编程手段，保证程序的健壮；2)实时监控真空气路系统参数；3)控制电机运行至指定的位置并显示实时位置、速度等参数；4)接受远程的控制命令并返回状态参数；5)提供完善的系统保护功能，如过压保护、差压保护和极限保护等，保证系统的安全运行；比例具体的，过压保护，p气体室<5000pa；差压保护，-100pa<p气体室-p腔体<5000pa；6)分子泵启动及停止保护，启动时必须前级机械泵启动且压力值小于10pa时才能启动分子泵，关闭时必须分子泵完全关闭才能关前级机械泵；7)如果薄膜破裂，保护分子泵和真空器件的措施：当真空规检测到真空腔体压强异常，就会启动保护程序，先关闭分子泵，然后关闭2个质量流量控制器及相应的阀门；8)提供可靠的控制算法及工艺流程，保证气体探测器在洗气过程中束窗不破裂等；9)在洗气完成后自动开启补气程序，当气体探测器室压力小于4500pa时开始补气，当压力大于4950pa时关闭；当电离室压力小于99500pa时开始补气，当压力大于99950pa时关闭。(1)本地控制本地状态下，可以通过触摸屏实时显示真空气路系统，各设备等的监控数据，对样品换样器及探测器角度旋转机构控制并监控各位置数据，并对系统所有节点提供保护。系统状态分为抽真空，洗气，工作，工作结束，复压共五个工作状态，各个状态相关功能均可以实现程序自动控制，状态间的转换通过工程师操作hmi按钮实现，保证各个过程可控。详细的软件流程图如图22所示。上位机软件具备监控和管理两大功能，由运行监测、运行统计、资料管理等模块组成，监控软件应能使每一个节点与网络其它所有节点互相监控。触摸屏通过以太网与plc主控系统的通讯，实时显示当前运行过程的有关参数；故障内容显示报警；程序运行指示。提供设备运行状态图、实时数据图、模拟量实时曲线，各模拟量、开关量、报警等的数据库查询表。自动记录故障内容和故障时间，形成日报表和故障表等。针对“白光中子源-带电粒子探测器真空靶”的运行要求，开发和谐友好的界面，并最大限度简化操作人员的操作，提高操作人员的工作效率，且提供了完善的人机接口和监控显示，方便操作人员操作和实时监控，以及作进一步的处理。运行工程，首先进入的是“登录”画面，根据不同的权限，需输入登录密码，登录成功后，可以进入主画面及各子画面。画面选择始终显示与屏幕左侧，可以方便的进行其他画面的切换，进入各设备实时运行情况的动态显示画面。界面功能分为以下几部分：打开各设备实时监控画面的按钮、选择各种控制方式的下拉菜单及切换控制方式的按钮、选择各个报表的下拉菜单，打开监控系统其他信息画面的按钮及登录配置与退出按钮。通过这些按钮或下拉菜单打开的画面都在显示器屏幕右侧显示，直观友好。本例的人机交互界面(hmi)包括欢迎界面、参数设置界面、运行界面、报警界面和操作说明界面。其中，运行界面包括阀门控制、旋转机构控制、换样器控制、真空气路控制等。参数设置界面：对电机的运行速度、运行距离进行设置；阀门控制：手动控制挡板阀，比例调节阀及质量流量计等；旋转机构：旋转机构的各种功能，如原点回归，点动运行，定位运行等；换样器：换样器机构的各种功能，如原点回归，点动运行，定位运行等；真空气路：真空气路的抽真空，洗气，复压，以及压力记录等报警界面：各种报警的记录及显示。(2)远程控制1)带电粒子探测器真空靶室控制系统的结构带电粒子探测器真空靶室控制系统基于epics软件架构搭建。epics采用分布式控制系统具有的标准模型，具有可移植性、可互操作性、可裁减性以及可重用性等特点；而且经过大量实例证明，epics还具有运行稳定、系统结构灵活、开放性好、可扩展性好、国际交流协作方便等诸多优点；同时对于开发出的版本中大量工具都是免费的且提供技术支持，因此现已逐渐成为国际高能加速器控制系统的一个主流的软件开发工具。基于epics的带电粒子探测器真空靶室控制系统的结构如图8所示，其中横河plc及以下部分为本地控制系统，横河plc以上部分为远程控制系统。本地控制系统使用横河plc的顺控cpu实现了包括运动控制、真空监测、气路稳压、离子束窗和真空元器件保护等功能。远程控制系统使用嵌入式cpu模块f3rp61运行epicsioc，使带电粒子探测器真空靶室控制系统的数据直接纳入基于epics的加速器控制系统中，从而方便实现远程opi操作、历史数据存储、声音报警等功能。2)嵌入式epicsioc程序开发带电粒子探测器真空靶室远程控制系统使用嵌入式cpu模块f3rp61运行epicsioc，f3rp61是横河公司推出的嵌入式控制器模块。该模块可通过plc-bus总线访问横河fa-m3plc上的i/o模块及普通顺控cpu模块。该特性使安装了f3rp61模块的fa-m3plc本身成为一种新型的epicsioc，且使该ioc继承了横河fa-m3plc具有的可靠性高、易扩展、i/o模块功能丰富等特点。目前，基于f3rp61的嵌入式epicsioc已应用于kekb、j-parc和ribf等的epics控制系统中。为了实现带电粒子探测器真空靶室远程控制系统的功能，首先需要在f3rp61模块上搭建嵌入式linux操作系统及相应的嵌入式epicsioc，然后完成epicsioc实时动态数据库记录的开发。带电粒子探测器真空靶室远程控制系统共包含约604个epicsioc实时动态数据库记录，可以获取旋转盘运动速度的实时动态数据库记录。3)opi设计与开发带电粒子探测器真空靶室远程控制系统的opi使用controlsystemstudioboy开发，共包含各类控件约748个。带电粒子探测器真空靶室控制主界面上汇总了旋转盘位置控制、换样器位置控制和真空气路控制的主要状态和操作控件，方便值班人员在控制室实现远程监视和控制。点击主界面上的“打开气路示意图”按钮，可打开带电粒子探测器真空靶室气路示意图界面，通过此界面可以更直观地了解整个真空气路的实时状态。点击主界面上的“ioc状态”按钮，可打开带电粒子探测器真空靶室控制系统ioc状态界面，通过此界面可以了解epicsioc自身的状态信息。为方便工程调试人员对后台参数进行设置及维护调试，开发了专用的带电粒子探测器真空靶室控制参数设置界面和带操作功能的气路示意图界面。带电粒子探测器真空靶室远程控制系统能实时监测带电粒子探测器真空靶室的状态，并可实现对旋转盘、换样器和真空气路的远程控制，为带电粒子探测器真空靶室安全、稳定、可靠地运行打下了坚实的基础。同时，带电粒子探测器真空靶室远程控制系统发布的epicspv能直接进入csns加速器中央控制室的声音报警系统和历史数据库系统，为相关人员及时发现和处理问题、进行事后分析和设备研究等提供了便捷途径和可靠保障。目前，带电粒子探测器真空靶室远程控制系统已完成初步开发并进行了离线调试，待设备就位后将进行联合的在线调试，争取尽快正式投入使用。(3)控制系统的安全性差压平衡控制与保护：压差平衡控制方法主要是用于保障控制系统的安全性，为了保护粒子束窗薄膜在各个状态中均能保证不破裂，本例专门设计了反时限差压平衡控制算法，如图20和图21所示，图中pe表示压力，a表示比例阀开度，p表示比例作用，i表示积分作用。虽然气体探测器和真空腔体是相通的，但是粒子束窗两端的压差需要有一定时间来平衡，算法里面使用e-τs表示。挡板阀只有开关两个状态，可以用1和0来表示。由于比例调节阀调节到位需要一定的时间，有一个延迟环节e-τ’s，即比例调节跟不上真空变化的节奏，为了避免粒子束窗破裂，在比例调节之前就关闭挡板阀，让真空腔体和探测器的真空维持不变，当比例调节到位之后，挡板阀才打开，继续工作。真空腔体和探测器之间的压差△pe作为pi调节的基础，根据pi算法得到调节量△am，真空腔体和探测器的调节量分别是-△am和+△am，两者压差△pe就可以很快减少，这就是本例的反时限压差pi调节。通过此控制算法，可以有效提高差压不平衡时的响应速度，并且压差越大，调整幅度越大。此外，本例还提出了连锁/极限保护，即各系统状态在运行过程中，均有相应的连锁保护策略，保证各个阀门，泵组等现场设备的安全运行，一旦出现故障，能够及时报警并响应。plc程序保护分子泵，真空靶室真空度不低于15pa，插板阀不可打开；机械泵在对稳压罐洗气时候，分子泵不能够打开；分子泵工作时，其前级泵不能关闭，复压阀不能打开；真空腔体压强高于100pa时，气路的截止阀需要迅速关掉，通常在毫秒级别做出反应，且立即停止分子泵工作；样品换样器及旋转台均设置了极限保护耐辐射机械开关，保证机构的安全。3.控制系统的制造工艺针对“白光中子源-带电粒子探测器真空靶控制系统”采取了一系列方案措施，确保了设备制造质量有可靠保证。控制柜和柜内元器件制造方面：优先选用国内外一流的品牌厂家合作，柜体选用优质材料和先进工艺，在生产的过程中全程质量跟踪，确保了柜体的高质量。(1)控制柜控制柜适合现场使用环境，其电磁屏蔽特性保证本系统正常工作，并且不影响其它设备正常工作。控制柜全封闭，保护程度根据iec第144/529号防护等级不低于ip52，其外壳的通风口有防止灰尘进入的措施，底部留有电缆入口。控制柜由钢架和光滑钢板构成，结构牢固、有适度刚度且自支持，内部布置考虑便于维修和更换内部元器件，并且有扩展设备的余地。柜体采用环氧树脂粉末静电喷涂工艺处理，配前、后门，按钮等在地面以上0.6至1.8m之间，控制柜面上所有仪表、器具和装置采用嵌入式安装，布局清晰合理。为方便运行和维修，柜内提供照明装置和ac220v，10a的单项三极插座。柜体颜色由我方选择并经客户批准。控制柜基座能固定在地板上，且易安装。我方提供所有必需的安装夹、基座、基础螺栓以及有关金属构件等。(2)指示灯及按钮指示灯：安装在控制柜上的指示灯采用嵌入式节能型指示灯，具有合适的有色灯盖。有色灯盖是透明材料并不会因为灯热而发软。所有有色灯盖具有互换性，而且所有的灯为同一类型和额定值。按钮：1)型式：安装在控制柜上的按钮为重载型、嵌入式安装，标签的刻制由我方选择并经客户批准。2)接点额定值a)设计电压：交流500v或直流250v。b)持续工作电流：10a。c)最大感性开断电流：交流220v，12a；直流220v，1.5a。d)最大感性接通电流：交流220v，30a；直流220v，15a。(3)内部接线、电缆及屏蔽设备内部接线在工厂完成，发货前进行检查。设备的内部接线使用阻燃性或耐火型绝缘材料的标准导线。所有接线用防火型槽管保护。如果是外露的导线束在一起，用夹子固定或支持，走向水平或垂直，导线在槽管中所占空间不超过70％。所有的导线中间没有接头，导线在控制柜内的连接均须经端子板或设备接线端子，一个接线端子的连接导线不超过两条。端子板有备用端子，供甲方以后扩展使用。屏内端子为凹式，螺丝固定型，端子间有隔板。控制和动力回路的端子板位于分开的端子盒内，端子板根据要求或接线图进行标志。为了不致磨损便于识别，所有各类连接电缆的线号均用醒目的机器打印的电缆线套及塑料标志牌标志。模拟量输入采用对绞屏蔽加总屏蔽电缆，屏蔽层在计算机侧接地。对绞的组合是同一信号的两条信号线。开关量的输入宜采用多芯总屏蔽电缆，芯线截面不小于0.75.mm2。输出采用屏蔽控制电缆。同一电缆的各芯线传送电平等级相同的信号。(4)出口继电器对应每一个开关量输出都配有一只出口继电器。继电器的接点容量和数量满足工作要求并留有裕量，继电器的线圈或接点工作在厂用交直流回路时，则其工作电压与厂用交直流电源电压相适应。继电器工作线圈适合在正常工作电压下连续工作，继电器采用插入式，低耗且防尘，接点为电气上独立、不接地、现场从常开可改为常闭。继电器选用工作可靠产品。继电器接点容量：阻性：ac220v，5a；dc220v，0.5a；感性：50w(5)控制功能响应根据远程控制接口要求，提供相应的集成接口及通信协议；能够实现样品换样器的样品重复定位精度0.05mm；能够实现探测器角度旋转机构±10°旋转，重复定位精度0.05°；保证探测器工作气体压力稳定；实现离子束窗、真空规和分子泵的保护；完成真空系统的控制，监控，保护；完成气路系统的控制，监控，保护；实现系统各主要设备的监控与保护；能够实时监测各个子系统的相关数据，提供相关连锁保护功能，保证系统的长期安全运行；提供配套的软件；所有电气硬件均选用国内外知名厂商产品，能够确保长期稳定运行。4.控制系统的运行结果探测器和真空腔体同时抽真空，从1个大气压状态抽到10pa左右，探测器薄膜两端压差范围为-80pa至-30pa，而薄膜能够承受至少5000pa压力，完全满足要求，结果如图23所示和表10所示；探测器需要洗气3次，保证杂质气体含量足够少，然后充入5000pa工作气体，当压力变化200pa，就开始补气到5000pa，如此反复。工作气体能够稳定在5％以内，满足要求。表10控制系统测试结果测试内容设计要求测试数据结论抽真空时探测器离子束窗薄膜两端的压差≤5000pa80pa以内合格探测器洗气的稳定性平稳平稳合格探测器工作气体压力稳定性≤±5％充入工作气体压力4800pa，压力上下波动200pa合格本例的白光中子源带电粒子探测器真空靶室，其真空腔体的设计要求是腔体空载时极限真空为5×10-3pa，束流接口法兰中心离地面1405±1mm，所有焊接处漏率不高于10-9pa.m3/s，所有密封处漏率不高于10-8pa.m3/s；实际测量结果显示，腔体空载时极限真空为1.7×10-3pa，束流接口法兰中心离地面1405.1mm，整体漏率4.1×10-11pa.m3/s，符合设计需求。样品换样器的样品重复定位精度达到0.03mm；探测器角度旋转机构±10°旋转，重复定位精度达到0.02°。真空系统和气路系统中，气体探测器稳压系统的控压范围在5000±200pa，符合压力范围内任一数值波动都在±5％以内，电离室探测器工作气体压强为1atm，波动范围±5％的设计需求。并且，控制系统能够保证运动部件准确定位，探测器工作气体压力稳定，离子束窗、真空规和分子泵的保护，留有与远程控制系统的接口，响应技术满足要求。经测试小组现场观察与测试，真空腔体和样品换样器真空性能达到设计要求，样品换样器和探测器角度旋转机构运动控制与定位重复精度达到设计要求，气路控制能够平稳的工作，能够保证粒子束窗薄膜不破裂，探测器置换气体系统能够保证探测器工作气体纯度达到设计要求，探测器气体稳定系统能够使压强稳定度达到设计要求，各系统之间配合良好，运转平稳，各项指标均达到或优于设计要求。本例的白光中子源带电粒子探测器真空靶室能够在真空和辐射环境下高精度移动和定位，并且可以实现在线更换样品，能够随时调节探测器与束流直接的角度，以满足不同的使用需求，为白光中子源的带电粒子探测奠定了基础。以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。当前第1页12