12MeV駐波電子直線加速器自動(dòng)頻率控制技術(shù)設(shè)計(jì)

劉建輝，江 海，周 媛

LIU Jian-hui, JIANG Hai, ZHOU Yuan

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

12MeV駐波電子直線加速器的工作頻帶很窄，幾十kHz的頻率變化就會(huì)導(dǎo)致磁控管微波功率嚴(yán)重反射，從而使加速器輸出劑量率急劇下降。在加速器運(yùn)行過程中，加速管和磁控管腔體的物理尺寸會(huì)隨溫度的變化而改變，進(jìn)而引起頻率變化。為了補(bǔ)償這種頻率的變化對(duì)加速器正常工作的影響，需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁控管的頻率，使之與加速管的諧振頻率保持一致。這就是自動(dòng)頻率控制（AFC）系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目的。

1 自動(dòng)頻率控制

自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)廣泛采用鎖相調(diào)頻技術(shù)方案，其原理是：由定向耦合器輸出的入射波信號(hào)，經(jīng)過延遲線、可變衰減器和移相器后，送到了三分貝橋的端口1；由另一定向耦合器輸出的反射波信號(hào)，經(jīng)過可變衰減器后也被送入電橋中(經(jīng)橋的端口3)。兩信號(hào)在橋內(nèi)混合后從橋的另外兩個(gè)端口(2和4)輸出。輸出信號(hào)經(jīng)檢波器后送入AFC電路4AP板的的第一級(jí)放大器。可變衰減器用來調(diào)節(jié)信號(hào)的幅值，延遲線和移相器用來調(diào)節(jié)入射波信號(hào)的相位。通過對(duì)它們的調(diào)節(jié)，可使三分貝橋的兩個(gè)輸出信號(hào)在加速管諧振腔的諧振頻率與磁控管的頻率相等的時(shí)候，經(jīng)檢波器檢波后所得脈沖的幅值相等，這時(shí)AFC電路差動(dòng)放大器輸出的信號(hào)為零。當(dāng)入射波的頻率(即磁控管的頻率)與加速管的諧振頻率不相等時(shí)，則入射波和反射波的相位差發(fā)生變化，引起檢波后所得兩脈沖幅值發(fā)生變化，一個(gè)變大，另一個(gè)變小，于是差動(dòng)放大器的輸出相應(yīng)的正負(fù)信號(hào)，經(jīng)AFC電路的末級(jí)功率放大之后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)磁控管的調(diào)諧機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)磁控管的頻率大于加速管的諧振頻率時(shí)，調(diào)諧機(jī)構(gòu)向使磁控管的頻率變小的方向轉(zhuǎn)，反之朝變大的方向轉(zhuǎn)，以維持兩個(gè)頻率始終趨于相等。AFC采樣電路如圖1所示。

圖1 AFC采樣電路圖

AFC系統(tǒng)除采樣電路外還包括三部分： 前置放大部分、 伺服放大部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2 前置放大

AFC采樣電路送來的兩路信號(hào)（151線、152線）經(jīng)A1、A2放大后送入A3求差； 差值信號(hào)送入高速采樣保持電路N1， N1將輸入的脈沖信號(hào)變成直流信號(hào)輸出，再經(jīng)A4放大后送入由A5、A6組成的調(diào)零電路，A5的輸出經(jīng)電子模擬開關(guān)E1A、E1B送到圖3進(jìn)行功率放大。圖2為前置放大電路部分。

圖2 前置放大和同步電路圖

圖3 伺服放大電路圖

11AP給出的同步信號(hào)經(jīng)T1送 入 D1A。D1A、D2A是兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路，同步信號(hào)前沿觸發(fā)D1A，D1A輸出脈沖的后沿觸發(fā)D2A，D2A輸出一個(gè)約1us 的脈沖S送到N1，作為N1的選通信號(hào)。調(diào)節(jié)PR6改變D1A的輸出脈沖寬度，也就決定了N1采樣的時(shí)間。

從AFC系統(tǒng)采樣電路來的兩路信號(hào)在經(jīng)A1、A2和A3放大求差，在劑量率最大時(shí)此差值應(yīng)為零；但在運(yùn)行過程中此差值在劑量率最大時(shí)不可能始終為零，還需要調(diào)零電路來補(bǔ)償這種偏差，使AFC系統(tǒng)始終跟隨在最大劑量率附近。

AFC執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)帶動(dòng)磁控管調(diào)諧機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也帶動(dòng)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，用電位器動(dòng)抽頭電壓來表示磁控管調(diào)諧機(jī)構(gòu)的位置。動(dòng)抽頭電壓送入控制臺(tái)監(jiān)測。

此外，還設(shè)有電子選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)諧和AFC自動(dòng)調(diào)諧切換。

3 伺服放大

伺服放大電路由A1、V3、V4等組成，如圖3所示。

該部分電路對(duì)前置放大電路送來的調(diào)諧信號(hào)放大，使其足以推動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)調(diào)諧機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變磁控管調(diào)諧機(jī)構(gòu)的位置，使磁控管工作頻率穩(wěn)定。

圖4 電限位電路圖

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路圖

4 電限位電路

A2、A3等組成了的電限位電路。 RP4的輸出電壓與A2、A3的給定電壓進(jìn)行比較，當(dāng)RP4的輸出電壓超過A2或A3的給定電壓時(shí)A2或A3翻轉(zhuǎn)，使得繼電器K1或K2動(dòng)作，切斷伺服電機(jī)這一方向的供電，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，只能向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4所示。

5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖5所示，由伺服電機(jī)、電位器、機(jī)械限位等組成。伺服電機(jī)由直流電機(jī)和減速器組成，額定電壓為12V，通過法蘭盤連接在磁控管調(diào)諧旋鈕上，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向就可改變磁控管的頻率增減。為了確保伺服電機(jī)過轉(zhuǎn)而不損壞磁控管，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中設(shè)置機(jī)械限位S3和S4。電位器RP4，用于指示當(dāng)前磁控管調(diào)諧旋鈕當(dāng)前的位置。一旦磁控管位置過于偏離，則通過圖4上的電限位電路切斷電機(jī)供電，保護(hù)磁控管。

6 結(jié)論

由上述電路構(gòu)成的12MeV駐波電子直線加速器的自動(dòng)頻率控制（AFC）系統(tǒng)，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明其效果比較好，能夠根據(jù)溫度等變化實(shí)現(xiàn)磁控管頻率的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。