一种温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统和方法

摘要

本发明公开了一种温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统，其特点是：包括回旋加速器主磁铁温度数据采集单元、算法处理及控制单元、回旋加速器主磁铁受控电源单元；还包括以下方法：温度传感器实时采样加速器主磁铁周围不同点的温度信息上传给智能温度采集模块；智能温度采集模块利用嵌入式串口服务器将其传输到上位机算法处理单元；上位机算法处理单元接收温度数据，转化为主磁铁电源电流变化量指令，并将该指令发送给PLC控制单元，PLC控制单元接收指令并产生相应的控制脉冲发送给回旋加速器主磁铁受控电源单元，回旋加速器主磁铁受控电源单元实时接收脉冲信号，从而自动调节主磁铁的磁场强度，达到稳定束流的目的。

说明书

技术领域

本发明属于加速器技术领域，尤其涉及一种温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统和方法。

背景技术

回旋加速器是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，是高能物理中的重要仪器。其中超导回旋加速器也是目前医用质子治疗加速器的核心设备。磁场是回旋加速器最重要的组成部分，磁场为束流运动提供约束力和强的聚焦力，其场型的分布直接决定了一台回旋加速器的性能。利用回旋加速器产生的质子束流进行物理实验、生物实验或者进行质子治疗时，对束流的稳定性和引出效率要求很高。但是在回旋加速器运行过程中，高频系统的热损耗、外界环境温度的变化以及供电电源的不稳定都可能会对磁场强度产生影响，使主磁场发生改变从而导致束流稳定性和束流引出效率变差。

中国原子能科学研究院的100MeV回旋加速器在运行期间，发现在早晚昼夜温差较大的时段内，主磁场变化较大，从而导致引出束流的稳定度非常差。因此对温度补偿从而自动调节回旋加速器主磁场的研究，对于等时性回旋加速器的束流稳定至关重要。

发明内容

本发明针对实际工作中发现的问题及现有技术中存在的缺陷，提出一种温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统和方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统，其特点是：包括回旋加速器主磁铁温度数据采集单元、算法处理及控制单元、回旋加速器主磁铁受控电源单元；所述算法处理及控制单元接收所述温度数据采集单元采集的信息并对该信息进行算法处理，再将处理结果转变为PLC控制脉冲信号发送给回旋加速器主磁铁受控电源单元。

所述回旋加速器主磁铁温度数据采集单元，包括多个温度传感器、多个智能温度采集模块、以及嵌入式串口服务器；所述多个温度传感器用于测量主磁铁周围环境温度并将其转变为可测量信号后输出给智能温度采集模块；所述智能温度采集模块将温度传感器的输出信号进行采集并处理，再通过嵌入式串口服务器将所有智能温度采集模块处理后的温度数据传输到上位机。

所述算法处理及控制单元，包括上位机算法处理单元、PLC控制单元；上位机算法处理单元将温度变化量转化为主磁铁电源电流变化量指令，并将主磁铁电源电流变化量指令发送给PLC控制单元，PLC控制单元将接收的主磁铁电源电流变化量指令转化为控制脉冲后将其发送给回旋加速器主磁铁受控电源单元，从而实现回旋加速器主磁铁受控电源电流自动调节；所述回旋加速器主磁铁受控电源单元的电流稳定度达到20ppm以内。

所述温度传感器选用具有抗腐蚀性、在核辐射环境中能够保持其稳定的电气特性、具有高精度和准确度的铂电阻PT100;将多个铂电阻PT100贴装在回旋加速器主磁铁表面。

所述智能温度采集模块采用BOOST(普斯特)公司的八路巡检仪，它可编程完成8路温度数据的自动获取可通过按键编程设置每一路温度测量的报警阈值，并带有2路继电器输出，分别作用于信号和跳闸，并可通过RS485通讯接口(MODBUS协议)将温度数据及报警信息上传；

所述嵌入式串口服务器采用MOXA公司的DA662,它可以进行现场数据的采集以及实现双网冗余的通讯架构，所述现场数据采集包括接收智能温度采集模块的输出数据。

所述铂电阻PT100采用三线制的接线方法，把导线2与导线3分别接至电桥的两个桥臂上，当电线的电阻发生变化时，可以抵消连接导线电阻的变化值，以减小附加误差，从而减小智能温度采集模块的影响。

一种温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、温度传感器实时采样加速器主磁铁周围不同点的温度信息并将温度信息转变为可测量信号后上传给智能温度采集模块；

步骤二、智能温度采集模块接收温度传感器的输出信号并将其转化为数字信号、利用嵌入式串口服务器将其传输到上位机算法处理单元；

步骤三、上位机算法处理单元接收温度数据，判断该温度变化数据是否超过温度变化量阈值，如果超过阈值，则转化为主磁铁电源电流变化量指令，并将该指令发送给PLC控制单元，所述温度变化量阈值为可设定的一个变量；

步骤四、PLC控制单元接收指令并产生相应的控制脉冲发送给回旋加速器主磁铁受控电源单元。

步骤五、回旋加速器主磁铁受控电源单元实时接收脉冲信号，从而自动调节主磁铁磁场强度，达到稳定束流的目的。

本发明的优点效果

1、本发明解决了本领域长期以来的技术难题，即回旋加速器在运行期间由于早晚昼夜温差较大造成主磁场变化较大、从而导致引出束流的稳定度非常差的难题。通过采用铂电阻PT100采样加速器主磁铁周围不同点的温度信息，并用智能温度巡检仪将其转化为数字信号，利用嵌入式串口服务器将其传输到上位机、上位机算法处理单元将其转化为主磁铁电源电流变化量指令、再通过PLC输出脉冲给主磁场受控电源进行控制，从而达到温度变化超过阈值时自动调节主磁场的目的。

2、本发明将温度传感器技术、智能温度采集技术、嵌入式串口服务器技术、数据库技术、上位机技术、算法技术、PLC技术、主磁铁电源技术进行有机组合，组合以后构成了一项温度补偿自动调节、稳定加速器质子束流的新的技术方案，解决了新的技术问题。本发明组合以后各技术特征在功能上彼此支持，并取得了新的技术效果、并且组合后的技术效果比每个技术特征效果的总和更优越。

附图说明

图1为温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统原理图；

图2为温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统展开原理图；

图3为铂电阻测温三线制接线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

发明原理

1、本发明控制对象为质子束流。回旋加速器质子束流可用于质子治疗、核物理研究等。主磁铁的磁场是回旋加速器最重要的组成部分，其为质子束流运动提供约束力和强的聚焦力，主磁铁磁场强度取决于主磁铁电源。

2、本系统设计原理。A.温度数据传给上位机的原理。一般小型系统的温度数据可以在单片机处理，但本系统将温度数据传给上位机处理。这是因为回旋加速器系统是一个庞大的系统，具有几百项控制指标，温度补偿自动调节只是其中一个指标，因此，要把温度补偿的功能融汇到这个大系统中去，而这个大系统运行在上位机中，所以，要把温度数据最终上传给上位机。B、温度数据上传给温度采集器的原理：温度数据上传给上位机需要通讯的双方通过通讯协议进行通讯，由于温度传感器不具有通讯协议的功能，所以温度传感器数据不能直接传给上位机，而要通过含有通讯协议的智能温度采集模块将温度数据上传给上位机。C、增加串口服务器的原理：由于温度传感器分布在加速器周围，距离上位机控制系统很远，需要有一个串口服务模块通过智能温度采集模块将温度传感器的数据再上传给上位机，因此，智能温度采集模块和上位机之间还设置有嵌入式串口服务器；D、PLC控制电源的原理：由于回旋加速器主磁铁受控电源与上位机不具有通讯协议，电源只能接收脉冲形式的控制方式，所以，上位机算法处理单元要把温度补偿主磁铁电源电流变化量指令通过PLC控制器转化为控制脉冲，再将控制脉冲输出给主磁铁电源。

3、温度补偿稳定质子束流的原理。在本系统中，当温度变化超过阈值时进行温度补偿。此时，温度的变化转换为用于温度补偿的主磁铁电源电流变化量指令、主磁铁电源电流变化量指令转换为用于温度补偿的PLC脉冲、PLC脉冲转换为用于温度补偿的主磁铁电源电流变化，主磁铁电源电流变化转化为用于温度补偿的主磁铁磁场强度的变化，最终达到稳定质子束流的目的。

基于以上原理，本发明设计了一种温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统。

一种温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统如图1所示，其特点是：包括回旋加速器主磁铁温度数据采集单元、算法处理及控制单元、回旋加速器主磁铁受控电源单元；所述算法处理及控制单元接收所述温度数据采集单元采集的信息并对该信息进行算法处理，再将处理结果转变为PLC控制脉冲信号发送给回旋加速器主磁铁受控电源单元。

如图2所示，所述回旋加速器主磁铁温度数据采集单元，包括多个温度传感器、多个智能温度采集模块、以及嵌入式串口服务器；所述多个温度传感器用于测量主磁铁周围环境温度并将其转变为可测量信号后输出给智能温度采集模块；所述智能温度采集模块将温度传感器的输出信号进行采集并处理，再通过嵌入式串口服务器将所有智能温度采集模块处理后的温度数据传输到上位机。

如图2所示，所述算法处理及控制单元，包括上位机机算法处理单元、PLC控制单元；上位机算法处理单元将温度变化量转化为主磁铁电源电流变化量指令，并将主磁铁电源电流变化量指令发送给PLC控制单元，PLC控制单元将接收的主磁铁电源电流变化量指令转化为控制脉冲后将其发送给回旋加速器主磁铁受控电源单元，从而实现回旋加速器主磁铁受控电源电流自动调节；所述回旋加速器主磁铁受控电源单元的电源电流稳定度达到20ppm以内。

所述温度传感器选用具有抗腐蚀性、在核辐射环境中能够保持其稳定的电气特性、具有高精度和准确度的铂电阻PT100;将多个铂电阻PT100贴装在回旋加速器主磁铁表面。

所述智能温度采集模块采用BOOST(普斯特)公司的八路巡检仪，它可编程完成8路温度数据的自动获取可通过按键编程设置每一路温度测量的报警阈值，并带有2路继电器输出，分别作用于信号和跳闸，并可通过RS485通讯接口(MODBUS协议)将温度数据及报警信息上传；

所述嵌入式串口服务器采用MOXA公司的DA662,它可以进行现场数据的采集以及实现双网冗余的通讯架构，所述现场数据采集包括接收智能温度采集模块的输出数据。

如图3所示，所述铂电阻PT100采用三线制的接线方法，把导线2与导线3分别接至电桥的两个桥臂上，当电线的电阻发生变化时，可以抵消连接导线电阻的变化值，以减小附加误差，从而减小智能温度采集模块的影响。

补充：PT100温度传感器采用三线式接法的原因：PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。由于其电阻值小，灵敏度高，所以引线的阻值不能忽略不计，采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差，原理如下：PT100引出的三根导线截面积和长度均相同(即r1=r2=r3)，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻(Rpt100)作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根(r1)接到电桥的电源端，其余两根(r2、r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。

基于以上温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的系统，本发明设计了一种温度补偿自动调节回旋加速器主磁场的方法，包括以下步骤：

步骤一、温度传感器实时采样加速器主磁铁周围不同点的温度信息并将温度信息转变为可测量信号后上传给智能温度采集模块；

步骤二、智能温度采集模块接收温度传感器的输出信号并将其转化为数字信号、利用嵌入式串口服务器将其传输到上位机算法处理单元；

步骤三、上位机算法处理单元接收温度数据，判断该温度变化数据是否超过温度变化量阈值，如果超过阈值，则转化为主磁铁电源电流变化量指令，并将该指令发送给PLC控制单元，所述温度变化量阈值为可设定的一个变量；

步骤四、PLC控制单元接收指令并产生相应的控制脉冲发送给回旋加速器主磁铁受控电源单元。

步骤五、回旋加速器主磁铁受控电源单元实时接收脉冲信号，从而自动调节主磁铁的磁场强度，达到稳定束流的目的。

所述步骤三上位机算法处理单元将其转化为主磁铁电源电流变化量指令，具体为：对采集到的不同位置的温度数据求平均值，然后利用上位机数据库得到对应主磁铁电源电流变化量指令。

实施例

以某回旋加速器自动调节主磁铁的主磁场为例。本实施例中，加速器布设在加速器大厅内，加速器大厅是一个能够容纳主磁铁直径为7米的防辐射房屋，该房屋由重混凝土建成，墙体厚度为3米。在加速器大厅内的主磁铁表面不同位置布置8个温度传感器铂电阻PT100，所有温度传感器铂电阻PT100均采用三线制接法。 智能温度采集模块也称作智能温度巡检仪。智能温度巡检仪和嵌入式串口服务器DA662均布置在控制机房内。8个温度传感器每个传感器有3根引出线，一共24根引出线连接在加速器大厅内32芯电缆线的一端上，32芯电缆线的另一端接到智能温度巡检仪上；智能温度巡检仪通过RS-485总线传输到嵌入式串口服务器DA662上，嵌入式串口服务器DA662通过网线传输到上位机PC上。在上位机PC中算法处理单元将温度变化量转化为主磁铁电源电流变化量指令。上位机算法处理单元将计算出的电流变化量，通过PLC控制单元发送给主磁铁电源。当系统检测到主磁铁周围温度有变化时，给主磁铁电源发出控制脉冲，电源的电流进行自动调整，使得电源电流稳定度终保持在20ppm以内，从而自动调节主磁铁磁场强度的大小，达到稳定束流的目的。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。