阅读说明：本技术 回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置和控制方法 (Cyclotron low level system reboot moves automatic exercise device and control method ) 是由 魏俊逸 殷治国 纪彬 付晓亮 李鹏展 张天爵 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置,包括腔体采样信号单元、检波器单元、ADC采样单元、FFT变换及数据归零和数据处理单元、比较单元、控制输出信号单元、腔体打火检测单元、腔体采样信号处理单元、马达控制单元；该自动锻炼装置从加速器腔体获得采样信号并进行处理,再将输出信号给发射机以及马达控制器；还包括一种智能控制方法：<Image he="31" wi="21" file="DEST_PATH_IMAGE001.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>设定不同模式下的阈值参数；<Image he="31" wi="21" file="32498DEST_PATH_IMAGE002.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>进入低功率的自动连续锻炼模式；<Image he="31" wi="21" file="DEST_PATH_IMAGE003.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>进入中等功率的自动脉冲锻炼模式；<Image he="31" wi="21" file="250770DEST_PATH_IMAGE004.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>进入中等功率的自动连续锻炼模式；本发明实现了回旋加速器重启动锻炼阶段的全部自动化,有效简化了回旋加速器运行过程中需要人工判断的一些复杂过程,提高了低电平运行过程中的运行效率。(The invention discloses a kind of cyclotron low level system reboots to move automatic exercise device, including cavity sampled signal unit, pick-up unit, ADC sampling unit, FFT transform and zeroing data and data processing unit, comparing unit, control output signal unit, cavity Arc detection unit, cavity sampled signal processing unit, motor control unit；The automatic exercise device obtains sampled signal from accelerator cavity and is handled, then will output signal to transmitter and motor controller；Further include a kind of intelligent control method: Set the threshold parameter under different mode； Into the automatic continuous exercise mode of low-power； Into the autompulse exercise mode of mid power； Into the automatic continuous exercise mode of mid power；The present invention realizes whole automations that cyclotron restarts exercise period, is effectively simplified some complex processes that cyclotron-on needs artificial judgment in the process, improves the operational efficiency in low level operational process.)

回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置和控制方法

技术领域

本发明涉及回旋加速器技术领域，尤其涉及一种回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置和控制方法。

背景技术

回旋加速器广泛应用于原子核、核工程、化学、放射生物学、放射医学、固体物理等的基础研究以及疾病的诊断和治疗、高纯物质的活化分析、某些工业产品的辐射处理、农产品及其他食品的辐射处理、模拟宇宙辐射和模拟核***等领域。

当我们需要制作一台商用回旋加速器交付客户使用时，在前期的加工过程中、运输过程中、其它长时间和大气接触过程中、或者是回旋加速器停机时间较长以后，回旋加速器腔体(该腔体为建立电压的装置)的内表面会有污染，该污染造成低电平系统运行时其高电平信号通过发射机馈入到腔体时会产生反射，当反射到设备上时会造成设备损坏。所以在回旋加速器运行前需要对回旋加速腔体进行锻炼，所述的锻炼就是通过不断向发射机发射信号、发射机不断将信号放大并不断在腔体内建立高压电场、该高压电场不断将被污染的腔体内表面清除，最终将全部污染清除干净即完成了锻炼过程。这个锻炼过程会很长，锻炼时长达1个月、2个月、3个月、4个月的情况都有，甚至长达半年。

现有技术加速器使用过程中分为两个阶段：锻炼阶段和锻炼完成后的运行阶段。该运行阶段由低电平系统自动控制，但是锻炼阶段完全采用人工锻炼的方法：人工锻炼方法即人工一边旋转发射信号旋钮，一边看示波器锻炼结果。由于加速器锻炼要求24小时不间断锻炼，因此，采用人工锻炼方法就需要开三班、一般每班需要2个人，全天6个人，如果锻炼时间为半年，则将耗费大量的人力，而这仅仅是对于1台回旋加速器缴费使用时耗费的人力，如果是几十台、几百台回旋加速器交付使用，则需要付出巨大的人力成本，由于人力成本过高，已经严重影响回旋加速器的推广使用。

发明内容

本发明为解决现有技术的问题，提出一种回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置和控制方法，目的在于解决现有技术回旋加速器锻炼过程中由于采用人工锻炼方法造成人力成本过高、导致严重影响回旋加速器推广使用的问题。

本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

一种回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置，其特点是：包括腔体采样信号单元、检波器单元、ADC采样单元、FFT变换及数据归零和数据处理单元、比较单元、控制输出信号单元、腔体打火检测单元、腔体采样信号处理单元、马达控制单元；所述腔体采样信号单元从回旋加速器低电平运行系统的加速器腔体获得腔体采样信号，再将腔体采样信号通过检波器和ADC采样单元发送给FFT变换及数据归零和数据处理单元；FFT变换及数据归零和数据处理单元将处理结果发送给所述比较单元，所述比较单元将比较结果发送给所述控制输出信号单元；所述控制输出信号单元其输入端分别接受来自比较单元和腔体打火检测单元的信号、其输出端将信号发送给回旋加速器低电平运行系统的发射机；所述腔体采样信号处理单元其输入端从腔体采样信号单元获得腔体采样信号并进行处理，再将处理结果输出给所述马达控制单元；所述马达控制单元输出信号给回旋加速器低电平重启动自动锻炼系统的马达驱动器。

一种回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置的智能控制方法，该方法用于每次重新启动回旋加速器低电平系统时或系统关机时间较长再开机时，进行系统自启动锻炼及运行；其特点是：该方法包括以下步骤：

步骤一、进入回旋加速器低电平系统重启动的自动锻炼模式；

步骤二、进入回旋加速器低电平系统重启动的自动运行模式；

所述步骤一的具体过程如下：

⑴设定不同模式下的阈值参数；

⑵进入低功率的自动连续锻炼模式；

⑶进入中等功率的自动脉冲锻炼模式；

⑷进入中等功率的自动连续锻炼模式；

所述不同模式下的阈值参数包括低功率连续锻炼模式阈值参数、中等功脉冲锻炼模式阈值参数、中等功率连续锻炼模式阈值参数。

而且，所述过程⑵进入低功率的连续锻炼模式，具体包括以下环节：

⑴输入一个低功率的连续波信号；

⑵通过马达对腔体实时进行低功率搜索；

⑶检波、采样、排序、求最大值；

⑷判断采样最大值是否大于等于低功率锻炼阈值，如果采样最大值大于等于低率锻炼阈值，则转入下一个中等功率脉冲锻炼模式，如果采样最大值小于低功率锻炼阈值，则返回环节⑴，继续低功率的自动连续锻炼模式；

而且，所述过程⑶进入中等功率的脉冲锻炼模式，具体包括以下环节：

⑴输入一个中等功率的脉冲信号；

⑵对腔体的采样信号进行模拟信号处理；

⑶对模拟信号进行数字化；

⑷对数字化结果进行整理及归零；

⑸对处理后的结果进行傅里叶变换；

⑹根据傅里叶判断结果判断当前脉冲的展宽:当前脉冲的展宽是否小于等于中等功率脉冲锻炼模式阈值参数？如果当前脉冲的展宽小于等于中等功率脉冲锻炼模式阈值，则进入下一个中等功率连续锻炼模式，如果当前脉冲的展宽大于中等功率脉冲锻炼模式阈值，返回过程⑴，继续中等功率的自动脉冲锻炼模式。

而且，所述过程⑷进入中等功率的连续锻炼模式，具体包括以下环节：

⑴输入一个中等功率的连续波信号；

⑵实时调谐并提供打火保护；

⑶检波、采样、排序、求最小值；

⑷判断腔体采样最小值是否大于等于中等功率连续锻炼阈值，如果是则结束权利要求1步骤一的回旋加速器低电平系统的自动锻炼模式、转入权利要求1步骤二的回旋加速器低电平系统的自动运行模式，如果不是则返回⑴，继续进行中等功率的连续锻炼模式。

而且，所述过程⑹的当前脉冲的展宽为FFT变换后脉冲序列X[K]上满足K＝(2pi/Tr)/(2pi/NTp)时的点的脉冲的展宽，其中，X代表FFT变换后的脉冲序列，X[K]代表FFT变换后频域序列每一点的值，K代表FFT变换后频域序列上的各个点，Tr代表FFT变换前时域上脉冲宽度、Tp代表FFT变换前时域采样周期，N代表FFT变换前时域采样的点数。

本发明的优点效果

1、本发明通过腔体采样信号单元从加速器腔体接收采样信号、通过将采样信号进行检波、ADC采样、数据处理和数据归零、FFT变换、比较阈值、通过腔体采样信号处理单元控制马达驱动器、通过控制输出信号单元同时接收腔体打火检测装置和比较阈值单元信号并进行处理将处理结果输出给信号给发射机，实现了回旋加速器重启动锻炼阶段的全部自动化，有效简化了回旋加速器运行过程中需要人工判断的一些复杂过程，提高了低电平运行过程中的运行效率。

2、本发明解决了本领域长期以来实现回旋加速器全自动锻炼遇到的安全、快速、稳定性的三个疑难问题，通过设置低功率连续锻炼、中等功率脉冲锻炼、中等功率连续锻炼三个阶段，圆满地解决了这三个难题：低功率连续锻炼模式既满足了锻炼初期低起步的要求也满足了快起步要求；中等功率脉冲锻炼模式既满足了锻炼中期要求提速加快的要求也满足了因为快速而带来的安全性需求；中等功率连续锻炼模式既满足了锻炼后期稳定性要求也满足了在稳定性基础上的快速性的要求，三个锻炼模式有机结合实现了科学性和安全性的巧妙结合。

3、本发明在中等功率脉冲锻炼阶段巧妙地利用傅里叶变换+待测点值与设定点阈值比较的方法，解决了中等功率脉冲锻炼模式因脉冲反馈信号不稳定、难以确认锻炼效果的疑难问题，进一步地，通过傅里叶变换+待测点值与设定点阈值比较的方法，解决了中等功率脉冲锻炼模式下测量脉冲宽度的难题，从而是实现了用设定脉冲宽度和实际脉冲宽度进行比较、确定当前锻炼是否成功的目标。

附图说明

图1a为本发明回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置结构图；

图1b为回旋加速器低电平系统运行模式结构图；

图2为本发明基于回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置的智能控制方法流程图；

图3为本发明回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼模式流程图；

图4为本发明低功率的连续锻炼模式流程图；

图5为本发明中等功率的脉冲锻炼模式流程图；

图6为本发明中等功率连续锻炼模式流程图；

图7a、图7b为傅里叶变换时域和频域对应关系图；

图8a为完成锻炼的理想状态下傅里叶变换时域和频域对应关系图；

图8b为锻炼前非理想状态下傅里叶变换时域和频域对应关系图；

图8c、图8d为图8b的分解图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步解释：

本发明设计原理

1、低功率连续锻炼模式设计原理：加速器腔体锻炼初期需要跨越的是电压比较低的多点子效应区域，如果不能跨越这个电压比较低的多电子区域，再往上增加功率也一定加不上去。由于在低功率阶段给加速器腔体施加的是低功率使得因多电子效应造成的反射小、不会对设备造成损害，因此在低功率阶段可以采用连续发射波的方法。

2、中等功率脉冲锻炼模式设计原理：当跨越低功率阶段产生若干个产生多电子效应的区域后，就需要采用更高强度的中等脉冲功率来锻炼，由于中等功率信号的强度相比低功率信号的强度高，为了防止反射过大导致因为保护的原因导致设备频繁开关和损坏，就需要采用脉冲的方式而非连续发射的方式，脉冲的方式就是间隔一秒或一定时间的发射方式。

中等功率脉冲锻炼方法概括为通过反馈回来的信号来判断，随着不断增加脉冲的强度和宽度，从而实现在中等功率区域对于多电子效应的跨越。中等功率脉冲锻炼阶段目标是：实现脉冲锻炼阶段自动识别或自动监测待测点的脉冲宽度。前面低功率连续监测相对中等功率锻炼模式比较容易实现，因为信号为连续波，对采样数据进行检波和排序，并与阈值比较后就知道是增加功率还是在原有的功率下继续锻炼。进入中等功率脉冲锻炼后，因为脉冲反馈的信号是很不稳定很随机的，无法简单从时域上来判定是否当前锻炼成功，这就需要找出一种方法来自动判断当前是不是锻炼好了。

本发明采用快速傅里叶变换+设定点阈值的方法，这个设定点就是经过计算得到的频域函数坐标横坐标上的某个点并且称这个点为设定点。设定点阈值就是设定点对应的纵坐标的值。把这个设定点找到以后，当待测数据进行快速傅里叶变换后结果的横坐标与设定点相同的频点处的结果值，与设定点阈值进行比较，如果待测点的值大于设定点阈值就判断还没有锻炼好，需要继续进行脉冲锻炼，如果待测点的值小于设定点阈值就判断已经锻炼好了，需要转入下一个环节。

以上将待测点的值和设定点阈值的比较从而判断锻炼是否成功的原理：锻炼成功的标准是给定脉冲宽度和实际脉冲宽度一致。当腔体内存在杂质时，脉冲的后半部分信号往往被反射回来，因此当腔体内存在杂质时实际脉冲的宽度要小于给定脉冲的宽度，所以当实际脉冲宽度达不到给定脉冲宽度时，由于窄脉冲的频谱分量相对于宽脉冲要多，因此待测点窄脉冲从频谱的波峰到达零点(设定点阈值为0)的路程要比宽脉冲更长，也就是窄脉冲从频谱的波峰到达零点时在X轴上的坐标点距离原点的距离更远。因此，在同样时间范围，相对于设定点阈值，窄脉冲频谱到达设定点时的纵坐标值要大于设定点的阈值。由于窄脉冲宽度不能达到给定的宽度，由此判断当前锻炼的效果还不够好，需要继续锻炼，继续锻炼的方法就是通过低电平系统继续向发射机给定一个中等功率脉冲信号、发射机将该信号放大后馈入到加速器腔体、在加速器腔体建立高压电场、通过高压电场去除腔体内的杂质的方法，当腔体内的杂质完全去除干净时，此时待测点脉冲宽度与给定的脉冲宽度相同，表现在待测点到达设定点时，待测点的值与设定点值相同或小于设定点阈值。

3、中等功率连续锻炼模式设计原理。第三阶段采用中等功率连续波是因为当脉冲阶段过去后，还需要巩固锻炼的结果，在此阶段需要对其提供打火保护和调谐腔体的功能。采用连续的锻炼方式相比采用脉冲方式能够把更多的多电子效应的电子打下来。在第三阶段能够采用连续波锻炼是因为在第二阶段已经将加速器腔体内的杂质基本去除干净、不必担心由于腔体杂质的过多的存在而使得反射过大导致设备频繁开关和损坏。。

第三阶段和第一阶段虽然发射功率强度不同，但都是采用连续波发射信号锻炼的方法，除此以外还有其他区别：第一阶段采用马达在大范围内往复运动进行锻炼，但到达第三阶段马达不能在大范围内往复运动了，因为第三阶段的中等功率强度相对于第一阶段的低功率强度要大，因此第三阶段如果马达再进行大范围往复运动其反射功率就会很大，因此第三阶段需要马达在一定的调谐范围内进行往复运动。

4、本发明自动锻炼装置和低电平运行系统的关系。图1a的回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置是图1b的低电平系统的一个部分，但不是图1b的低电平系统的全部，图1a展示了本发明与图1b中的加速器腔体、发射机、马达驱动器的连线关系。

如图1b所示，回旋加速器低电平系统运行模式结构：包括低电平系统、发射机、加速器腔体以及该腔体内的腔体微调马达、马达驱动器；所述的低电平系统的重启动自动锻炼装置包括控制输出信号单元，该控制输出信号单元发送高频信号给发射机，发射机将低电平系统给出的信号进行放大并将输出的高功率信号馈入到加速器腔体中；所述的加速器腔体通过发射机馈入的功率会建立起高压电场对粒子进行加速；所述低电平系统同时还会接收从加速器腔体反馈的采样信号，同时低电平系统还会输出马达控制信号给马达驱动器，通过马达驱动器控制腔体微调马达，保证腔体频率的稳定；

所述的低电平系统还包括工作模式判断单元，该单元会判断系统当前是锻炼模式还是运行模式，该工作模式判断单元属于低电平系统但位于所述低电平系统的重启动自动锻炼装置之外，是低电平系统的另一个部分。

基于以上发明原理，本发明设计了一种回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置。

一种回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置如图1所示，包括腔体采样信号单元、检波器单元、ADC采样单元、FFT变换及数据归零和数据处理单元、比较单元、控制输出信号单元、腔体打火检测单元、腔体采样信号处理单元、马达控制单元；所述腔体采样信号单元从回旋加速器低电平运行系统的加速器腔体获得腔体采样信号，再将腔体采样信号通过检波器和ADC采样单元发送给FFT变换及数据归零和数据处理单元；FFT变换及数据归零和数据处理单元将处理结果发送给所述比较单元，所述比较单元将比较结果发送给所述控制输出信号单元；所述控制输出信号单元其输入端分别接受来自比较单元和腔体打火检测单元的信号、其输出端将信号发送给回旋加速器低电平运行系统的发射机；所述腔体采样信号处理单元其输入端从腔体采样信号单元获得腔体采样信号并进行处理，再将处理结果输出给所述马达控制单元；所述马达控制单元输出信号给回旋加速器低电平重启动自动锻炼系统的马达驱动器。

补充说明：

1、腔体采样信号处理单元：主要处理腔体由于功率较高时发热导致的频率变化，需要马达进行微调补偿，该单元主要采用分析信号与参考信号的相对相位关系，并且根据结果来调整马达位置，形成一个闭环，保证腔体的调谐状态。

2、腔体微调马达的位置和作用：图1b的腔体微调马达与加速器腔体从功能划分属于一个整体，但腔体微调马达并非安装在加速器腔体内部而是安装在加速器腔体外部紧挨着加速器腔体安装，加速器腔体是密封的。

腔体微调马达实际上是带着腔体的微调电容进行扫频，或者腔体微调马达带着腔体的微调结构进行扫频。腔体本身有它固有的频率，当它的机械结构发生变化时它的固有频率也会发生变化，所在在设计腔体时就会设置一个给它微调频率的装置，只要这个装置运动则它的频率就会发生变化，以此进行微调。腔体微调马达用于功率高时调谐腔体的频率：因为给腔体增加功率时腔体温度会升高，在温度升高时腔体固有的频率会有变化，所以用马达进行功率的微调进行保证，将腔体的频率调整为希望的频率。

本发明还设计了一种基于回旋加速器低电平系统重启动自动锻炼装置的智能控制方法，该方法用于每次重新启动回旋加速器低电平系统时或系统关机时间较长再开机时，进行系统自启动锻炼及运行；

如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤一、进入回旋加速器低电平系统重启动的自动锻炼模式；

步骤二、进入回旋加速器低电平系统重启动的自动运行模式；

如图3所示，所述步骤一的具体过程如下：

⑴设定不同模式下的阈值参数；

⑵进入低功率的自动连续锻炼模式；

⑶进入中等功率的自动脉冲锻炼模式；

⑷进入中等功率的自动连续锻炼模式；

所述不同模式下的阈值参数包括低功率连续锻炼模式阈值参数、中等功率脉冲锻炼模式阈值参数、中等功率连续锻炼模式阈值参数。

如图4所示，所述过程⑵进入低功率的连续锻炼模式，具体包括以下环节：

⑴输入一个低功率的连续波信号；

⑵通过马达对腔体实时进行低功率搜索；

⑶检波、采样、排序、求最大值；

⑷判断采样最大值是否大于等于低功率锻炼阈值，如果采样最大值大于等于低率锻炼阈值，则转入下一个中等功率脉冲锻炼模式，如果采样最大值小于低功率锻炼阈值，则返回环节⑴，继续低功率的自动连续锻炼模式；

如图5所示，所述过程⑶进入中等功率的脉冲锻炼模式，具体包括以下环节：

⑴输入一个中等功率的脉冲信号；

⑵对腔体的采样信号进行模拟信号处理；

⑶对模拟信号进行数字化；

⑷对数字化结果进行整理及归零；

补充说明：

所述对数字化结果进行整理即：将数字化后检波结果进行求平均值整理，并将所有数据减去本该输出为0时候的偏置值，称为对数字化结果进行整理。

所述对数字化结果进行归零即：将数字化后检波结果数据小于一定范围的默认为零，称之为对数字化结果进行归零。

⑸对处理后的结果进行傅里叶变换；

⑹根据傅里叶判断结果判断当前脉冲的展宽:当前脉冲的展宽是否小于等于中等功率脉冲锻炼模式阈值参数？如果当前脉冲的展宽小于等于中等功率脉冲锻炼模式阈值，则进入下一个中等功率连续锻炼模式，如果当前脉冲的展宽大于中等功率脉冲锻炼模式阈值，返回过程⑴，继续中等功率的自动脉冲锻炼模式。

补充说明：

如图7a、图7b为采用傅里叶变换方法测量脉冲宽度方法示意图。图7a为傅里叶变换前的时域图，图7b为傅里叶变换后的频域图。B点表示中等功率脉冲锻炼模式下所发出的脉冲的宽度Tr，A点为设定值，表示傅里叶变换后脉冲要达到的理想的宽度，A点值为(2pi/Tr)/(2pi/NTp)其中Tp＝采样周期，N时域采样点数。如果频域待测点曲线在A点的纵坐标值小于A点阈值，说明脉冲宽度达到了给定的宽度，如果频域待测点曲线在A点的纵坐标值大于A点阈值，说明说明脉冲宽度没有达到给定的宽度。如发明原理所述：这是因为窄脉冲的频谱分量相对于宽脉冲要多，因此待测点窄脉冲从频谱的波峰到达零点(设定点阈值为0)的路程要比宽脉冲更长，也就是窄脉冲从频谱的波峰到达零点时在X轴上的坐标点距离原点的距离更远，由此判断脉冲的宽度是否达到给定的宽度。

如图8a为傅里叶变换后实际脉冲宽度达到给定宽度示意图，右边的频域图可以看出，待测点在A点的曲线值等于A的阈值，A点的阈值为0。

如图8b为傅里叶变换后实际脉冲宽度没有达到给定宽度示意图，右边的频域图可以看出，待测点在A点的曲线值远远大于A的阈值，说明待测点的脉冲为窄脉冲，小于给定脉冲的宽度。

图8c、图8d为图8b的分量图，图8c的脉冲相比图8d为窄脉冲，所以，图8c的待测点在A的值大于A的阈值0，图8d的脉冲宽度等于给定宽度，所以，图8d待测点在A的值等于A的阈值0。

如图6所示，所述过程⑷进入中等功率的连续锻炼模式，具体包括以下环节：

⑴输入一个中等功率的连续波信号；

⑵实时调谐并提供打火保护；

⑶检波、采样、排序、求最小值；

⑷判断腔体采样最小值是否大于等于中等功率连续锻炼阈值，如果是则结束权利要求1步骤一的回旋加速器低电平系统的自动锻炼模式、转入权利要求1步骤二的回旋加速器低电平系统的自动运行模式，如果不是则返回⑴，继续进行中等功率的连续锻炼模式。

所述过程⑹的当前脉冲的展宽为FFT变换后脉冲序列X[K]上满足K＝(2pi/Tr)/(2pi/NTp)时的点的脉冲的展宽，其中，X代表FFT变换后的脉冲序列，X[K]代表FFT变换后频域序列每一点的值，K代表FFT变换后频域序列上的各个点，Tr代表FFT变换前时域上脉冲宽度、Tp代表FFT变换前时域采样周期，N代表FFT变换前时域采样的点数。

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。