专利名称：在电子辐照加速器中使用的扫描磁铁装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子辐照加速器领域、更具体而言，涉及在电子辐照加速器中使用的扫描磁铁装置。
背景技术：
电子辐照加速器是在高真空场中利用磁场力控制电子、利用电场力加速电子，从而使电子达到非常高能量的装置。电子辐照加速器在高能物理研究、工农业、生物医学、材料科学、国防科学等多种领域应用广泛。
扫描磁铁装置是电子辐照加速器的一个重要部件。辐射型脉冲加速器产生的每一个电子束脉冲在辐照物上形成点状束斑，经扫描磁铁装置扫描后序列点状束斑被扫开成带状，带状的电子束经引出窗引出在外界中以形成辐照场，从而对物品进行辐照加工。引出窗能够隔离电子辐照加速器的内部真空与外界大气，同时又能让高能电子束穿透引出，所以通常使用高强度的薄膜制成该引出窗，如钛金属箔。因为高能电子束具有非常高的功率密度，如果在引出窗上形成为点状，则该点会在极短的时间内急剧升温而导致引出窗烧毁，弓丨出窗的损坏通常会给整个电子辐照加速器系统造成毁灭性的损害。扫描磁铁装置的作用就是将电子束经过扫描之后使其在引出窗上由点状变为带状，实现在一定宽度内对运动的被辐照物体的均匀辐照，同时使电子束功率密度分散，保证引出窗上的功率分布均衡，保证电子束引出窗不被损坏。扫描磁铁装置在扫描电源产生的扫描电流的驱动下进行工作，扫描电源产生福值周期性变化的扫描磁场。电子束偏转的效果取决于扫描磁场的大小，而在铁芯未饱和的情况下，扫描磁场的大小正比于扫描电流的大小，因此驱动扫描磁铁装置工作的扫描电流决定了电子束的扫描偏转效果，以及它在引出窗上的形成形状。扫描电流通常为三角波，使扫描磁铁装置产生正负交替、大小均匀变化的磁场。通常，扫描电流小，电子束偏转小，在引出窗上被扫开成为较短的带状；扫描电流大，电子束偏转大，在引出窗上被扫开成为较长的带状；如果扫描电流为一个固定值，则电子束在引出窗上形成为点状。在正常工作的电子辐照加速器系统中，电子束的被扫开的长度都有确定的范围，如果带状被扫开得太短，功率密度过于集中，则容易损坏引出窗；如果带状被扫开得太长，则电子束投射到引出窗以外的部件上，这会损坏所述部件，因此电子辐照加速器系统工作时需要对扫描磁铁装置的工作状态进行实时监控，既要防止扫描电流的失效，其包括电流波形变形、电流突然中断或者为固定值，也要防止扫描电流过大或者过小，当发现扫描电流出现异常时，必须立即使加速器系统停止工作以免造成其损坏。现有的扫描磁铁装置中，大部分是仅仅通过在扫描电源的内部对其输出电压进行下限检测，也有的是在负载端对扫描电流进行下限检测，来对扫描磁铁装置的工作状态进行监控。而这种监控不能对扫描电流的失效，电流波形变形、电流突然中断或者为固定值，以及扫描电流过大或者过小进行全面监控，对于故障的判断时间长达一个扫描周期，约100ms，反应慢，即便是正确判断出了故障，也可能出现由于长时间的延时，电子辐照加速器没有及时停止工作而造成严重损坏的问题。因此，存在一种具有多重保护功能快速反应的用在电子辐射加速器的扫描装置的需要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种在电子辐射加速器中使用的扫描磁铁装置，其包括
用于产生扫描电流或扫描电压的扫描电源；
扫描磁铁；
扫描磁铁线包；·
设置在扫描电源端的源端采样装置，其用于采样所述扫描电流或扫描电压信号；与源端采样装置相连接的源端信号监控保护电路，其特征在于所述源端信号监控保护电路包括信号失效快速分析器，用于对所述扫描电流或扫描电压信号是否符合预定波形进行实时监控。在另一个优选实施例中，所述源端信号监控保护电路还包括比较器，其用于将所述扫描电流或扫描电压信号与下限阈值和上限阈值进行比较，当该扫描电流或扫描电压信号高于或等于下限阈值且低于或等于上限阈值时，该比较器输出正常指示信号，否则输出故障指示信号。本发明还提供了一种在电子辐射加速器中使用的扫描磁铁装置，其包括
用于产生扫描电流或扫描电压的扫描电源；
扫描磁铁；
扫描磁铁线包；
设置在扫描磁铁的磁场回路中的感应线包，该感应线包用于产生感应电压，和与该感应线包相连接的负载端信号监控保护电路，其特征在于所述负载端信号监控保护电路包括信号失效快速分析器，用于对所述感应电压信号是否符合预定波形进行实时监控。在另一个优选实施例中，所述负载端信号监控保护电路还包括比较器，其用于将所述感应电压信号与下限阈值和上限阈值进行比较，当该感应电压信号高于或等于下限阈值且低于或等于上限阈值时，该比较器输出正常指示信号，否则输出故障指示信号。本发明还提供了包括有根据本发明的扫描磁铁装置的电子辐照加速器。通过在扫描磁铁装置的源端和负载端分别设置信号监控保护电路，可以同时对采样电流和电压进行实时监控，从而也可以实时监控扫描电源、扫描电源的连接线、扫描磁铁装置的线包的状态；还可以对扫描电流的大小范围进行实时监控，从而可以监控扫描磁场的大小变化范围。对扫描电流异常或失效的判断可以在几个毫秒的时间内完成，例如小于5ms，提高了反应速度，对电子辐照加速器系统实现了有效保护，有利于减少故障，提高电子辐照加速器系统的寿命。
图1A-1C示出了根据本发明的具有多种信号监控保护电路的在电子辐照加速器中使用的扫描磁铁装置；
图2示出了信号失效快速分析器的电路结构 图3示出了根据本发明的一个实施例的信号监控保护电路的框 图4示出了实现比较采样信号与下限阈值的具体电路结构；
图5示出了实现比较采样信号与上限阈值的具体电路结构；
图6示出了图I的右半部分的布置的另一种形式的示意图。
具体实施例方式图1A-1C示出了在电子辐照加速器中使用的具有信号监控保护电路的扫描磁铁装置的实例。如图IA所示的实例，所述扫描磁铁装置包括扫描电源1，扫描磁铁2，扫描磁铁线包3，连接扫描电源I与扫描磁铁线包3的连接线4，设置在扫描电源端的源端采样装置5，其在扫描电源I和扫描磁铁线包3之间，与源端采样装置相连接的源端信号监控保护电路6，其中该源端信号监控保护电路6包括信号失效快速分析器13。或者，在另外一个可选实施例中，如图IB所示，根据本发明的所述扫描磁铁装置包括扫描电源I，扫描磁铁2，扫描磁铁线包3，连接扫描电源I与扫描磁铁线包3的连接线4，设置在扫描磁铁2的磁场回路中的感应线包7，以及与感应线包7相连的负载端信号监控保护电路8，其中该负载端信号监控保护电路8包括信号失效快速分析器13。另外，在再一个可选实施例中，如图IC所示，根据本发明的所述扫描磁铁装置还可以包括扫描电源1，扫描磁铁2，扫描磁铁线包3，连接扫描电源I与扫描磁铁线包3的连接线4，设置在扫描电源端的源端采样装置5，其在扫描电源I和扫描磁铁线包3之间，与源端采样装置相连接的源端信号监控保护电路6，设置在扫描磁铁2的磁场回路上的感应线包7，以及与感应线包7相连的负载端信号监控保护电路8，其中该源端信号监控保护电路6或者负载端信号监控保护电路8或者此二者包括信号失效快速分析器13 (未在图IC中不出)。在工作中，扫描电源3产生扫描电流,该扫描电流通常为三角波，扫描电流经电源连接线4传送到扫描磁铁线包3，这样在扫描磁铁线包3中的扫描电流使扫描磁铁2产生扫描磁场,而磁场的大小变化由大小变化的三角波扫描电流来确定。与扫描电源I连接的源端采样装置5可以采样由扫描电源I产生并经电源连线4输送的电流信号或者电压信号A，源端信号监控保护电路对电流信号或者电压信号A进行分析，并给出正常/故障指示信号Cl。扫描磁铁2中的磁场变化时，使感应线包7产生感应电压信号B，负载端信号监控保护电路对该感应电压信号B进行分析，并给出正常/故障指示信号C2。指示信号C1，C2连接到电子辐照加速器的控制系统(未示出)，该控制系统可以根据指示信号Cl，C2对电子辐照加速器的工作状态进行控制，从而对该电子辐照加速器系统实现有效的保护。基于上述，根据本发明的扫描磁铁装置只要包括有源端信号监控保护电路和负载端信号监控保护电路中的任一个，就可以实现保护电子辐照加速器的作用。在使用源端信号监控保护电路或负载端信号监控保护电路对采样信号进行分析时，其中的信号失效快速分析器13可以对采样信号是否符合预定的波形进行实时监控。一旦发现采样信号出现异常，该信号失效快速分析电路13可以在几个毫秒的时间内立刻输出故障指示信号。根据需要，信号失效快速分析电路可以被设计成分析三角波、正弦波、方波、固定信号的采样信号。后面将会对其工作原理进行详细说明。源端采样装置5可以通过使用直接并联在扫描电源I的输出端的两根电导线以进行电压采样，也可以通过使用串联在扫描电源I的输出端与电源导线4中的电阻器来进行电流采样。虽然依据电压采样信号可以对扫描电源I的工作情况做出判断，但是不能判断电源连接线4的断路情况或者扫描磁铁线包3的断路情况，所以在本发明中，优选利用源端采样装置进行电流采样。使用感应线包7进行电压采样，感应线包7中的电流很小，通常为微安级，因此感应线包7通常采用细小的漆包线绕制而成，线径通常为O. 2mm 1mm，绕制匝数通常为20匝 200匝，绕制匝数是通过考虑扫描磁铁中的磁通强度和负载端信号监控保护电路8对采样信号的强度大小的要求来进行确定的。感应线包7安装在扫描磁铁2的磁场回路中，例如可以安装在扫描磁铁线包3的外部，如图I所示，或者在磁轭外部等其它位置，如图6所示，该图6示出了图I所示结构的右半部分布置的变形例子的示意图。扫描磁铁装置通 常使用三角波电流驱动信号，因此感应线包7中产生的采样电压信号B通常为对应的方波 电压信号。图2示出了信号失效快速分析器13的具体电路结构的一个例子。从感应线包7获得的电压米样信号B为方波电压信号。第一电阻器R21,第二电阻器R22,电容器C21构成滤波电路，用于过滤掉采样信号B中由于干扰产生的尖峰和毛刺。第一运算放大器N21，第三电阻器R23，可变电阻器RP21构成放大电路，通过可变电阻器RP21可以对放大倍数进行调整，将采样信号B放大到合适的值。第二运算放大器N22，第一二极管D21，第二二极管D22,第二电容器C22,第五电阻器R25,第六电阻器R26,第七电阻器R27,第八电阻器R28,第九电阻器R29及第十电阻器R30构成方波失效快速分析电路。当方波失效，即输入电压为O时，第五电阻器R25，第六电阻器R26，第七电阻器R27，第八电阻器R28，第九电阻器R29，第一二极管D21，第二二极管D22，第二电容器C22构成从电源的正端到电源的负端的分压网络，第二电容器C22的两端电压为第一二极管D21与第二二极管D22的导通压降之和，即第二电容器C22的两端上的电压约为1.4V，也就是第二运算放大器N22的正输入(+)端的电压约为O. 7V，而负输入(一)端的电压约为一 O. 7V，第二运算放大器N22输出高电平，使得连接在第二运算放大器N22的输出端与电源电压V+之间的继电器K21线包不能吸合，控制信号VIO与输出信号C之间断开，即输出信号C为故障指不信号。当方波电压信号处于正半周期时，第二二极管D22导通，第一二极管D21关断，第二运算放大器N22的负输入(一)端处的电压被抬高至高电平，比正输入(+)端的电压高，该第二运算放大器N22输出低电平；当方波电压信号处于负半周期时，第一二极管D21导通，第二二极管D22关断，第二运算放大器N22的正输入(+)端的电压被拉低至低电平，比负输入(一)端的电压低，第二运算放大器N22输出低电平。换句话说，不管方波电压信号是处于正半周期还是负半周期，第二运算放大器N22均输出低电平，使得继电器K21线包吸合，控制信号VIO至输出信号C导通。根据上述操作原理，当方波正常时，输出信号C为正常指示信号。第二电容器C22起到维持电压作用，即在方波的高至低或低至高的电平转换的时间非常短(通常少于2ms)时第二电容器C22使得第二运算放大器N22的负输入(一)端的电压始终高于正输入(+)端的电压，因此，第二运算放大器N22始终输出低电平。当方波电压信号失效时，输入电平为零，第二电容器C22通过第七电阻器R27、第九电阻器R29、第六电阻器R26形成的回路进行放电，快速地使第二电容器C22的连接到第二运算放大器N22的负输入(一)端的一端的电压为一O. 7V，而连接到第二运算放大器N22的正输入(+)端的一端的电压为O. 7V，这样该第二运算放大器N22输出高电平,输出信号C为故障指不信号。快速输出故障指不信号的反应时间由第二电容器C22与第七电阻器R27，第九电阻器R29，第六电阻器R26形成的时间常数所决定。通常，通过选择适当的参数来使所述反应时间大于方波的高电平至低电平的转换时间即可，通常例如小于5ms，并且该信号失效快速分析器能够在信号波形的一个周期中实时地监测是否有波形失效发生，从而实现了对方波失效时的快速分析。上述信号失效快速分析器的电路仅仅是一个例子，本领域的技术人员可以设计出其它形式的具体电路结构，可以采用硬件形式、软件形式或者硬件和软件相结合的形式。图3示出了源端信号监控保护电路6或者负载端信号监控保护电路8的另外一个例子。除了信号失效快速分析器13之外，信号监控保护电路还可以包括具有上限比较电路11和下限比较电路12的比较器。
可以按照系统工作要求对采样信号A或B的最大值、或有效值、或平均值预先设定一个下限阈值和一个上限阈值。当使用比较器获知采样信号A或B的最大值、或有效值，或平均值高于或等于下限阈值且低于或等于上限阈值时，信号监控保护电路输出正常指示信号。当使用比较器获知采样信号的最大值、或有效值、或平均值低于下限阈值或者高于上限阈值时，该信号监控保护电路输出故障指示信号。考虑到某些采样信号可能包含有由于干扰而产生的尖峰和毛刺，或者某些采样信号本身是正负对称的交流信号，进行最大值或平均值分析不是最佳的，所以本发明优选地是对采样信号的有效值进行比较和分析。在可选择的实施例中，源端信号监控保护电路6或负载端信号监控保护电路8之一可以只包括比较器或信号失效快速分析器或该二者，而另一个包括信号失效快速分析器，这是根据需要来选择的。例如，在一个实施例中，本发明可以使用源端采取装置5对扫描电流进行采样，该采样电流信号为三角波，并且源端信号监控保护电路6只包含比较器；同时使用感应线包7对电压进行采样，采样电压信号为方波，并且负载端信号监控保护电路只包含信号失效快速分析器13。同样的，根据需要，也可以选择源端信号监控保护电路6只包含信号失效快速分析器13，同时负载端信号监控保护电路只包含比较器。或者，源端信号监控保护电路6和负载端信号监控保护电路8中的一个包括比较器和信号失效快速分析器13，另一个包括包括比较器和/或信号失效快速分析器13。在另一个实例中，源端信号监控保护电路6和负载端信号监控保护电路8中的一个包括上限比较电路11或者下限比较电路12和信号失效快速分析器13，另一个包括下限比较电路12或者上限比较电路11。现对此举例说明。所述扫描磁铁装置同时包括源端信号监控保护电路6和负载端信号监控保护电路8。此时，所述源端信号监控保护电路6包括上限比较电路11和信号失效快速分析器13，而所述负载端信号监控保护电路8包括下限比较电路12。也可以是，所述源端信号监控保护电路6包括下限比较电路12和信号失效快速分析器13，而所述负载端信号监控保护电路8包括上限比较电路11。反之亦然，即所述源端信号监控保护电路6包括上限比较电路11，而所述负载端信号监控保护电路8包括下限比较电路12和信号失效快速分析器13 ;或者所述源端信号监控保护电路6包括下限比较电路12，而所述负载端信号监控保护电路8包括上限比较电路11和信号失效快速分析器13。在这里，所述信号失效快速分析器13的工作过程与上面所述相同。由于比较器中的上限比较电路11和下限比较电路12被分别安装在源端信号监控保护电路6和负载端信号监控保护电路8中，其操作过程在下面将被描述。所述源端信号监控保护电路6使用上限比较电路11或者下限比较电路12将扫描电流或者扫描电压信号与上限阈值或者下限阈值进行比较。现以上限比较电路11为例进行举例说明。当所述源端信号监控保护电路6中的上限比较电路11将将扫描电流或扫描电压信号与上限阈值进行比较时，如果所述扫描信号大于上限阈值时，则所述源端信号监控保护电路输出故障指示信号；如果所述扫描信号小于或者等于上限阈值时，则所述源端信号监控保护电路输出正常指示信号。同时，所述负载端信号监控保护电路8中的下限比较电路12将感应电压与下限阈值进行比较。当感应电压小于下限阈值时，所述负载端信号监控保护电路8输出故障指示信号；当感应电压大于或者等于下限阈值时，所述负载端信号监控保护电路8输出正常指示信号。当源端信号监控保护电路6和负载端信号监控保护电路8同时输出正常指示信号时，这表示此时的扫描信号处于正常状态，扫描磁铁装置也处于正常的工作状态。当所述源端信号监控保护电路6包括下限比较电路12，而所述负载端信号监控保·护电路8包括上限比较电路11时，其工作过程与上述类似，本领域的技术人员通过上面的描述，很容易知道该实施例的工作过程。这里就不再赘述了。上述比较器还可以采用其它形式的比较器，可以为硬件、软件或者硬件和软件的组合，只要能够实现上述的比较功能即可。图4示出了实现比较采样信号有效值与下限阈值的具体电路结构的实例。使用电阻器作为源端采样装置5，其上获得对电流进行采样的电压信号A为小幅值的三角波信号。第一运算放大器NI，第一电阻器R1，第二电阻器R2，第五电阻器R5及第一二极管Dl构成反向放大电路，对信号A的负半周期进行放大，并输出为正值的信号。第二运算放大器N2，第三电阻器R3，第四电阻器R4，第六电阻器R6及第二二极管D2构成正向放大电路，对信号A的正半周期进行放大，并输出为正值的信号。第七电阻器R7,第八电阻器R8,第一电容器Cl构成积分电路，第八电阻器R8上的电压值可以代表采样信号A的有效值，它通过第九电阻器R9传送到第三运算放大器N3。可变电阻器RPl构成阈值调节器。通过调节可变电阻器RPl可以获得不同的设定电压，即下限阈值。第三运算放大器N3对采样信号的有效值与下限阈值进行比较，如果采样信号的有效值高于或等于下限阈值，第三运算放大器N3输出低电平；连接在高电平和第三运算放大器N3的输出端之间的继电器Kl线包吸合，继电器Kl将控制信号VIO接通，输出信号C为正常指示信号；如果采样信号的有效值低于下限阈值，则第三运算放大器N3输出高电平；连接在高电平和第三运算放大器N3的输出端之间的继电器线包不能吸合，继电器将控制信号VIO断开，输出信号C为故障指示信号，这表示需要处理故障。继电器为输出元件，将控制信号与电路板电源隔离，起隔离作用。图5示出了实现比较采样信号与上限阈值的具体电路结构的实例。从源端采样装置5获得的采样信号A为小幅值的三角波电压信号。第一运算放大器N11，电阻器R11，电阻器R12，电阻器R15及二极管Dll构成反向放大电路，对信号A的负半周期进行放大，并输出为正值信号。第二运算放大器N12，电阻器R13，电阻器R14，电阻器R16及二极管D12构成正向放大电路，对信号A的正半周期进行放大，并输出为正值信号。电阻器R17，电阻器R18，电容器Cl I构成积分电路，电阻器R18上获得的电压值可以代表采样信号A的有效值，它通过电阻器R19传送到第三运算放大器N13。可变电阻器RPll构成阈值调节器，通过调节可变电阻器RPll可以获得不同的设定电压，即上限阈值，第三运算放大器N13对采样信号的有效值与上限阈值进行比较，如果采样信号的有效值低于或等于上限阈值，第三运算放大器N13输出低电平；连接在高电平和第三运算放大器N13的输出端之间的继电器Kll线包吸合，继电器将控制信号VIO接通，输出信号C为正常指示信号；如果采样信号的有效值高于上限阈值，第三运算放大器N13输出高电平；连接在高电平和第三运算放大器N13的输出端之间的继电器线包不能吸合，继电器将控制信号VIO断开，输出信号C为故障指示信号，这表示需要处理故障。继电器为输出元件，将控制信号与电路板电源隔离，起隔离作用。这里尽管采用了分离的电路结构来说明下限阈值比较电路和上限阈值比较电路，但是本领域的技术人员都知道这两个比较电路可以集成在一起制作，包括硬件形式、软件形式或者硬件和软件的组合形式。本发明仅仅是举例说明比较器的一种电路结构，但是实现本发明的原理的比较器并不限于上述的具体实例，本领域的技术人员可以采用任何形式的比较器结构，只要能够实现上述的比较功能即可。 根据本发明的上述源端信号监控电路和负载端信号监控电路可以分别单独制作，也可以集成在一起制作，或者也可以任选其一制作，只要能够满足监控的需求即可。本发明以具体实例说明了本发明的原理，但是并不意图将本发明的范围限制于上述具体实例，而且通过所附属的权利要求书来限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种在电子辐射加速器中使用的扫描磁铁装置，其包括 用于产生扫描电流或扫描电压的扫描电源； 扫描磁铁； 扫描磁铁线包； 设置在扫描磁铁的磁场回路中的感应线包，该感应线包用于产生感应电压，和与该感应线包相连接的负载端信号监控保护电路，其特征在于所述负载端信号监控保护电路包括信号失效快速分析器，用于对所述感应电压信号是否符合预定波形进行实时监控。
2.根据权利要求I的扫描磁铁装置，其中所述负载端信号监控保护电路还包括比较器，用于将所述感应电压信号与下限阈值和上限阈值进行比较，当该感应电压信号高于或等于下限阈值且低于或等于上限阈值时，该比较器输出正常指示信号，否则输出故障指示信号。
3.根据权利要求I或2的扫描磁铁装置，还包括 设置在扫描电源端的源端采样装置，其用于采样所述扫描电流或扫描电压信号；与源端采样装置相连接的源端信号监控保护电路，其包括比较器，用于将所述扫描电流或扫描电压信号与下限阈值和上限阈值进行比较，当该扫描电流或扫描电压信号高于或等于下限阈值且低于或等于上限阈值时，该比较器输出正常指示信号，否则输出故障指示信号。
4.一种电子福射加速器,其包括根据权利要求1-3之一的扫描磁铁装置。
全文摘要
本发明涉及了一种在电子辐照加速器中使用的扫描磁铁装置，其包括用于产生扫描电流或扫描电压的扫描电源；扫描磁铁；扫描磁铁线包；设置在扫描电源端的源端采样装置，其用于采样所述扫描电流或扫描电压信号；与源端采样装置相连接的源端信号监控保护电路，其包括信号失效快速分析器，用于对所述扫描电流或扫描电压信号是否符合预定波形进行实时监控。该扫描磁铁装置还包括设置在扫描磁铁的磁场回路中的感应线包，该感应线包用于产生感应电压，和与该感应线包相连接的负载端信号监控保护电路，其包括信号失效快速分析器，用于对所述感应电压信号是否符合预定波形进行实时监控。
文档编号H05H7/04GK102905457SQ201210351058
公开日2013年1月30日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者唐华平, 刘耀红, 刘晋升 申请人:同方威视技术股份有限公司