基于CD4098的輻照加速器束流檢測儀的研制①

丁鑫龍， 馮德仁

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院，安徽馬鞍山43100)

束流檢測儀是加速器調(diào)試和運(yùn)行的重要診斷手段，利用束流檢測儀進(jìn)行各種束流參數(shù)的測量為機(jī)器的研究和完善提供了重要依據(jù)，人們常稱之為加速器的“眼睛”.國內(nèi)外加速器實(shí)驗(yàn)室都非常重視束流檢測及其應(yīng)用研究［1－3］.

中國科大艾克公司河南漯河工業(yè)園的工業(yè)電子輻照加速器，為了保護(hù)傳送帶等設(shè)備，要求對(duì)束流進(jìn)行檢測并且檢測系統(tǒng)與機(jī)械傳送帶構(gòu)成互鎖，這樣當(dāng)束流丟失或束流強(qiáng)度不足時(shí)可以切斷傳送帶的運(yùn)行.輻照加速器積分束流脈沖波形(束流脈沖波形已通過示波器反相):其頻率為260Hz，電壓最大值約為3.7V，脈沖寬度約為5μs.束流脈沖前沿串有來自調(diào)制器的干擾脈沖，干擾脈沖的寬度約為2μs，幅值約為1V，系統(tǒng)要求在束流電壓為1.8V時(shí)即被認(rèn)為是束流強(qiáng)度不足，傳送帶應(yīng)予以切斷.

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 隔離輸入

加速器的束流脈沖信號(hào)一般是差分信號(hào)，束流輸流檢測系統(tǒng)的輸入必須采用隔離的方式.為此我們采用變壓器隔離輸入，但變壓器的輸出阻抗較小，而束流脈沖信號(hào)是通過同軸電纜的三通插頭分別與束流檢測儀的輸入和定標(biāo)系統(tǒng)相連，變壓器的輸出阻抗較小會(huì)使輸入到束流檢測儀和定標(biāo)系統(tǒng)的波形都產(chǎn)生畸變，從而影響束流測量系統(tǒng)的定標(biāo)，因此隔離變壓器的輸出必須接輸入電阻較大的電路.

1.2 剔除干擾信號(hào)

由于脈沖串有來自調(diào)制器的同頻率的干擾脈沖，干擾會(huì)導(dǎo)致傳送帶的誤動(dòng)作，因此干擾信號(hào)必須予以剔除.常規(guī)的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，由于控制傳送帶停運(yùn)是來自繼電器開關(guān)量，而不是真實(shí)再現(xiàn)的脈沖波形.因此，簡單的方法只需設(shè)計(jì)一個(gè)門限電路，所以我們用鎖定放大器作為比較器，通過調(diào)節(jié)門限電壓將其轉(zhuǎn)換成方脈沖將干擾信號(hào)予以剔除.鎖定放大器是利用互相關(guān)的原理設(shè)計(jì)的，它是一種對(duì)檢測信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備.對(duì)于淹沒于噪聲中的微弱信號(hào)，當(dāng)采用一般放大器時(shí)，信號(hào)和噪聲被同時(shí)放大，不可能得到較高的信噪比.而采用選頻放大器時(shí)，當(dāng)中心頻率(ω0)與被測信號(hào)頻率相同時(shí)，可以利用選頻放大器的窄帶和諧振特性.但是選頻放大器的通頻帶要做得很窄，則品質(zhì)因數(shù)Q(Q=ω0/B，B為帶寬)相應(yīng)很大.實(shí)際上，Q要達(dá)到很高是做不到的，而且中心頻率容易發(fā)生漂移.因此，我們?cè)谑鳈z測儀中采用鎖定放大技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測［4］，從而可以剔除干擾信號(hào).

1.3 束流檢測

束流檢測一個(gè)常用的簡單方法就是基于積分器的電荷積累從而抬高電位，然而由于束流脈沖過窄，占空比過小，由于漏電的存在使電平無法升高到觸發(fā)電位，因此這種方法在是不可行的.應(yīng)設(shè)法使脈沖寬展，從而形成連續(xù)的高電平啟動(dòng)繼電器.為此我們采用了脈沖重復(fù)觸發(fā)電路，電路的核心由可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，這樣通過調(diào)節(jié)外接的R或C，達(dá)到脈沖寬展的效果.

2 電路構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖1所示:

圖1 整個(gè)系統(tǒng)的框圖

這樣，整個(gè)系統(tǒng)將根據(jù)束流的有無，在末端繼電器中可以獲得兩種不同邏輯的開關(guān)量，從而產(chǎn)生告警或控制傳送帶的動(dòng)作.為了減少繼電器負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的干擾，蜂鳴器和脈沖指示燈我們采用了隔離電源.整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)的實(shí)物圖

2.2 提高隔離變壓器負(fù)載的輸入電阻

如前所述，隔離變壓器的輸出阻抗較小會(huì)使波形產(chǎn)生畸變，從而影響束流測量系統(tǒng)的定標(biāo)，因此，提高隔離變壓器負(fù)載的輸入電阻是我們?cè)O(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一.為了提高輸入阻抗又有較大的帶寬，我們?cè)O(shè)計(jì)了射極跟隨器作為變壓器的負(fù)載.同時(shí)為了盡可能的增加射極跟隨器的輸入電阻，射極跟隨器電路還作了特別的處理［5］.射極跟隨器電路選擇合適的參數(shù)，可以將輸入電阻提高到500kΩ左右，從而保證束流測量系統(tǒng)的輸入波形不失真.圖3和圖4分別是束流信號(hào)模擬波形通過隔離變壓器后在作了特別的處理的射極跟隨器電路和普通的射極跟隨器電路所測量出的輸出波形:

圖3 增加輸入電阻的輸出波形

圖4 普通的射極跟隨器輸出波形

2.3 重復(fù)觸發(fā)電路

依據(jù)脈沖的有無來控制繼電器的狀態(tài)，雖然基于積分器的電荷積累保持電位，從而保持繼電器的狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)這種功能，但由于脈沖過窄，頻率偏小，由于漏電的存在無法做到，因此我們考慮使用可重復(fù)觸發(fā)的電路.該集成電路可以很方便地連接成脈沖寬展電路或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器.我們即是將其連接成脈沖寬展電路，再通過調(diào)整外接的R，C參數(shù)，從而構(gòu)成可重復(fù)觸發(fā)的束流檢測器.值得注意的是，由于CD4098所需的觸發(fā)脈沖輸入電平閾值較高，為了提高系統(tǒng)觸發(fā)的可靠性，在CD4098的輸入前級(jí)我們?cè)鲈O(shè)了兩級(jí)反相電路，將電平抬高到電源電位.

3 結(jié)論

本檢測儀對(duì)加速器運(yùn)行過程中束流穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果表明，此裝置更簡單直觀，更及時(shí)準(zhǔn)確的提供了加速器的運(yùn)行情況，可達(dá)到控制及時(shí)和準(zhǔn)確.但是也有不足之處在于利用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098構(gòu)成的束流檢測器，雖然可以實(shí)現(xiàn)脈沖檢測功能，但由于單穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間靠外接的R，C參數(shù)調(diào)整，而模擬量R，C無法進(jìn)行較為精確的控制，控制時(shí)間離散性約為3s，這一點(diǎn)不及以單片機(jī)或其它可編程器件精確［6－8］.因此，對(duì)于傳送帶這一類的機(jī)械系統(tǒng)，以3s以內(nèi)的控制誤差換取系統(tǒng)的簡潔、便利還是值得的.因此，這一束流檢測系統(tǒng)成功地應(yīng)用于河南漯河工業(yè)電子輻照加速器中.

［1］Schmicker H.The LHC:Beam Measurements and Instrumentation［C］.Proceedings of the Joint US－CERN －Japan－Russia school on Particle Accelerators，Monteux，Switzerland，May 1998，510 －529.

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［6］胡助理，等.基于單片機(jī)技術(shù)的光電檢測研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004年第13期.

［7］李志華.基于PC/104的高精度、便攜放射性檢測儀［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2004.

［8］凌振寶，等.建材放射性脈沖檢測及其能量刻度設(shè)計(jì)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2011.