一种基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高能核物理装置粒子加速器测量技术领域，具体涉及一种基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统及方法。
【背景技术】
[0002]粒子加速器的发展为国内外科研人员在高能物理领域的研究提供了新的机遇。随着粒子加速器技术应用的深度发展，科研人员对束流的运行参数，如束流强度、束流位置、束流发射度、束流亮度等参数越来越重视。粒子加速器束流测量系统是加速器调试和稳定运行中不可或缺的组成部分，束测系统作为加速器的“眼睛”，可以对束流的各种参数进行监测，为加速器的研制、运行乃至升级改造其性能提供了重要的依据。束流在加速器真空管道中横向位置和纵向位置是研究束流不稳定性的重要信息基础，因此作为加速器束流的重要诊断手段之一，束流位置测量系统的研究受到国内外各大实验室的重视。传统的利用探针监测束流位置的方式是在平面坐标内四个象限布局探针，四个探针两两垂直分布，这种监测束流单一截面四个方位的方法容易由于探针敏感端的灵敏度或电子受到干扰而产生误判。专利“条带束流位置监测器”(CN201220297254.0)，通过安装在真空管道内条带电极来测量束流的电磁场，利用电磁场将被调制的信息探测束流的位置数据;专利“一种测量粒子加速器束流位置的方法”(CN201410080631.9)，通过综合多个电极探头的电极信号组成矩阵，利用主成分分析法对这些电极信号同时进行处理，从而探测束流信号的位置信息;专利“中子束流位置探测仪”(CN201310495700.8)，将中子影像转化成可见光影像的闪烁屏，闪烁屏后侧设有用于将可见光折射到相机的反射镜，反射镜折射的光线经过镜头汇聚到CCD相机来探测中子束流位置；专利“一种基于全数字化技术的束流位置和相位测”(CN201410440504.5)，将数字处理模块集中在单片FPGA中，简化了系统结构，同时合适的采样率，使经过ADC采样后直接得到输入信号的正交序列，进一步得到加速器束流位置和相位;专利“一种具有铝镁合金密封圈的超低温束流位置”(CN201420862430.X)，通过装配有超真空铝镁合金密封圈及配套法兰后，能在超低温下监测束流的位置;专利“载波抑制射频前端和方法、束流位置测量系统和方法”(CN201410854329.4)，通过将束流位置探头对角线上的第一通道和第二通道输出的信号相位和幅度调节为一致，从而能在光源正常供光运行时有效抑制载波信号，以检测到目标信号。
[0003]上述6项专利，均不具备本专利所述的一种基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统及方法的特征。本发明通过八卦限探针结构获取束流信息，并通过智能诊断策略进行束位决策，提高了束流位置诊断系统的鲁棒性。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题在于:针对粒子加速器这类高能物理装置，在强电磁与射线辐射环境下，加速器的束流位置测量系统容易受到干扰而产生误判。本发明提供了一种基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统及方法，通过智能化与可视化的诊断策略有效地改善加速器束流位置测量系统的精确性、实时性与可用性。
[0005]本发明解决其技术问题的技术方案是:一种基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统，其特征在于包括三维八卦限拦截式探针分布机构、多量程无源滤波信号调理模块，束流信号放大模块，束流信号光电隔离模块，束流信号采集模块，束流位置自主诊断模块，联锁保护模块和智能位形决策支持系统，其中:
[0006]所述的三维八卦限拦截式探针分布机构采用四对探针在垂直面上互成45度夹角的布局，所建立得空间坐标系使yz平面顺时针旋转22.5度，八个探针以真空管道的截面为参考采用上、下、左、右、左上、左下、右上、右下八个方位分布在空间坐标系的八个卦限内。
[0007]其中，所述的八卦限探针分布机构在粒子加速器系统工作时，分布在真空管道壁上的八卦限探针同时收集束流在两个截面上入射到其敏感端的电荷，通过八个低感性毫欧级的电子学回路耦合出束流在八个卦限的信号；电子学回路采用同轴电阻，并且与外部系统有良好的的接地，进一步减少干扰。
[0008]其中，所述的多量程无源滤波信号调理模块位于束流位置诊断系统的前端，集成八个信号传输通道，RC滤波电路前端集成瞬态抑制器TVS，可以防止在系统在高压打火情况下由于浪涌而损坏后端的电子学部分;采用无源调理可以减少外部放大源噪声对探针信号的干扰从而提高了信噪比；滤波电容的匹配值可根据加速器运行的环境噪声频率调整；调理模块的量程可以根据加速器调束的实际情况进行放大或缩小，拓宽了模块的电子学动态范围；调理模块将八卦限束流信号调理成低纹波的电压信号；
[0009]所述的束流信号放大模块利用运算放大电路将调理模块输出的电压信号转换到信号采集模块可接受的电压范围;束流信号光电隔离模块利用光-电耦合原理，将放大模块与信号采集模块进行电气隔离，防止前端设备损坏导致电路过压时损坏信号采集模块及控制器;
[0010]所述的束流信号采集模块将隔离模块输出的电压信号实时地转换为控制器进行程序逻辑运算时需要的数字量，存储在控制器的输入数据块中，控制器的根据程序处理进程不断地刷新数据缓存区。
[0011]其中，所述的束流位置自主诊断模块以软件的形式在控制器中运行，诊断模块将信号采集模块获取的八个探测点的信息通过位置诊断算法实时计算，束位偏移报警区间由调束决策区间与联锁保护区间构成；
[0012]所述的位置诊断算法将每个截面四个卦限互相对称的探针数据进行两两相减，相减后的结果自动进入束位偏移报警区间判断，诊断模块根据落在不同区间范围的差值将循环运算结果分为两组数据分别存储在不同的数据块中；调束决策组的数据通过通讯协议传送到在操作站运行的智能位形决策支持系统中，联锁保护组的数据直接作为信号源触发加速器的安全联锁系统执行相应的机器保护动作，并以虚拟报警灯的形式在智能位形决策支持系统对操作员发出报警提示。
[0013]其中，所述的智能位形决策支持系统运行在操作站工控机上，由监控界面、变量管理单元与通讯驱动层组成;监控界面采用三维可视化控件组态，形象直观地实现人机对话，包括八卦限束流大小数字与趋势显示区、报警提示区、联锁状态显示区、报警记录区、智能位形显示区、决策支持区、系统管理区；
[0014]所述的智能位形决策支持系统根据位置诊断系统传送的束位判决信息通过监控界面提示操作员束流的是否偏离真空管道中心以及下一步调束策略。
[0015]本发明还提供一种基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断方法，其特征在于实现步骤如下:
[0016]步骤S1:粒子加速器运行时，分布在真空管道壁上的八卦限探针耦合出束流在八个卦限的束流信号；
[0017]步骤S2:信号放大模块、隔离模块与采集模块将八个卦限的束流信息调理并输入到控制器数据存储区；
[0018]步骤S3:束流位置自主诊断模块将获取的八个探测点的信息通过位置诊断算法实时计算，并将结果放入束位偏移报警区间判决；如果第一截面的四个卦限判决出束流有偏移，则诊断程序立刻根据偏移值在哪个区间内，进行相应的报警提示或联锁保护动作;执行步骤S5;
[0019]步骤S4:如果第一截面的四个卦限判决出束流无偏移，则诊断程序立刻根据第二截面的四个卦限判决出束流在另外四个方位有没有偏移，诊断程序立刻根据判决结果进行相应的报警提示或联锁保护动作；
[0020]步骤S5:监控界面通过三维动画直观地提示操作员束流的是否偏离真空管道中心以及下一步调束策略；
[0021]步骤S6:结束。
[0022]本发明与现有技术相比的优点在于:分布在真空管道壁上的八卦限探针收集束流入射到其敏感端的电荷耦合出束流信号，控制器中的位置自主诊断模块根据信号采集模块获取的八卦限电压信号实时计算束流的位置信息，并将运算结果传送到操作站的智能位形决策支持系统，采用三维动画直观地提示操作员束流是否偏位以及调束策略。同时，此诊断系统会根据束位报警阈值产生联锁保护信号触发安全联锁系统执行保护人员和机器的动作。
【附图说明】
[0023]图1是本发明基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统的功能框图；
[0024]图2是本发明基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统的三维探针分布机构；
[0025]图3是本发明基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统的探针分布机构主视图；
[0026]图4是本发明基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统的操作界面示意图；
[0027]图5是本发明基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统的工作流程图。
【具体实施方式】
[0028]为了使本领域的技术人员更换的理解本发明，下面将结合本发明中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0029]实施例1:
[0030]使用基于八卦限探针分布的加速器束流位置诊断系统，完成束位正常时，位置诊断系统的处理过程。
[0031]如图1所示，本发明包括三维八卦限拦截式探针分布机构、多量程无源滤波信号调理模块，束流信号放大模块，束流信号光电隔离模块，束流信号采集模块，束流位置自主诊断模块，智能位形决策支持系统；
[0032]粒子加速器在满足安全联锁的条件下开机运行出束，分布在真空管道壁上的八卦限探针收集束流入射到其敏感端的电荷耦合出束流信号，如图