CN106547011A - 一种同位素谱线扫描装置控制*** - Google Patents

一种同位素谱线扫描装置控制*** Download PDF

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Abstract

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种同位素谱线扫描装置控制***。包括连接有显示控制设备的PLC模块，PLC模块与设置在同位素电磁分离器的接收器上的同位素谱线扫描装置相连；同位素谱线扫描装置包括能够探测同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号的探头、能够使探头做三维移动的机械传动机构；PLC模块能够采集、记录探头的空间位置信号和电流信号；显示控制设备用于显示机械传动机构的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制机械传动机构的控制指令、通过PLC模块控制机械传动机构的运行。该控制***能实现对探头位置的精确控制，保证测量结果的确定性；实现对相宽较宽情况下的束流分布的处理与显示。

Description

一种同位素谱线扫描装置控制***
技术领域
本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种同位素谱线扫描装置控制***。
背景技术
电磁分离方法在同位素分离领域具有不可或缺的地位，电磁分离法是利用能量相同、质量不同的离子在横向磁场中旋转半径不同实现同位素分离的。同位素电磁分离器就是采用电磁分离方法分离得到同位素的设备。待分离的离子束从同位素电磁分离器的离子源中射出，经同位素电磁分离器中的磁场分离，再被接收装置接收，完成同位素的分离工作。
同位素电磁分离器分离后的同位素的离子束要全部收集起来，就需要对离子束的聚焦平面上的束流密度的横向分布进行测量，以便接收器(接收分离后的同位素的离子束的装置)能够对准最佳的聚焦面。同位素电磁分离器中的离子源通过三电极引出***引出离子束后，经过磁场偏转，不同质量的同位素会汇聚在聚焦面的不同空间位置而实现分离，该现象称为色散。色散距离越大，越有利于同位素的分离。谱线扫描装置用于测量离子束在经过分离磁铁后的分离与聚焦状况，并用于寻找最佳的聚焦面。从而实现接收器在进行接收之前，离子束的位置与接收器上相应的接收口袋位置对准，保证同位素丰度。
本发明是用于控制谱线扫描装置运动及信号获取和处理的控制***。可以实现谱线扫描装置对接收束流谱线分布的在线测量。
发明内容
为了实现聚焦平面上离子束内束流密度的横向分布的测量，采用法拉第筒测量直流束的束流密度分布。在测量过程中，需要实现法拉第筒的位置运动，测量束流空间分布，并实现测量数据的二维分布显示。从而实现接收器在打开挡门进行接收之前，离子束的位置与相应的接收口袋位置对准，保证同位素丰度。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种同位素谱线扫描装置控制***，包括连接有显示控制设备的PLC模块，其中所述PLC模块与设置在同位素电磁分离器的接收器上的同位素谱线扫描装置相连；
所述同位素谱线扫描装置包括能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号的探头、能够使所述探头做三维移动的机械传动机构；
所述PLC模块能够采集、记录所述探头的空间位置信号和所述电流信号；
所述显示控制设备用于显示所述机械传动机构的运动和位置数据、所述PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述机械传动机构的控制指令、通过所述PLC模块控制所述机械传动机构的运行。
进一步，所述同位素谱线扫描装置包括法拉第筒制成的探头，所述探头能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号，所述探头设置在探头板上，所述探头板设置在所述同位素电磁分离器中的所述接收器的框架上；
还包括设置在所述接收器上的能够使所述探头板做三维移动的机械传动机构，还包括连接所述PLC模块与所述探头的电子线路。
进一步，所述机械传动机构能够提供所述探头板的三位移动空间的范围为240mm×240mm×240mm，三维移动空间的三维坐标包括X轴、Y轴、Z轴，所述探头板能够在所述框架上做与所述X轴成43°角的直线移动。
更进一步，所述机械传动机构包括能够带动所述框架及所述探头板前后运动的滑动轴，相互连接的前后运动驱动步进电机和前后运动驱动丝杠，所述前后运动驱动步进电机和前后运动驱动丝杠用于控制所述滑动轴的前后运动；
还包括互相连接的皮带轮传动结构和探头扫描运动丝杠；
还包括通过传动轴与所述皮带轮传动结构相连的扫描探头驱动步进电机，所述扫描探头驱动步进电机用于驱动探头扫描运动丝杠使所述探头板能够在所述框架上做与所述X轴成43°角的直线移动。
进一步，通过所述显示控制设备输入的所述控制指令包括：
设置所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；
读取所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机当前的位置坐标、运行速度；
控制扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机运动与停止。
进一步，所述显示控制设备显示的所述机械传动机构的所述运动和位置数据、所述PLC模块获得的所述信号数据包括：
所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；
所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机当前的位置坐标、运行速度；
所述离子束的电流信号，所述电流信号为所述离子束的电流值；
对所述电流值、电压值进行处理后形成的与所述探头的所述空间位置信号一一对应的束流密度分布图像。
进一步，还包括对所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机进行屏蔽。
更进一步，所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机的屏蔽方式为磁屏蔽。
进一步，使用航空插头实现对信号的接入和测控，所述信号包括：所述离子束的电流信号、所述机械传动机构的所述运动和位置数据、所述PLC模块获得的所述信号数据、向所述机械传动机构发送的所述控制指令。
本发明的有益效果在于：
1.能够通过控制步进电机实现对探头位置的精确控制，解决了因为探头位置不精确造成的测量结果的不确定性的问题。
2.实现了对相宽较宽情况下的束流分布的处理与显示。
3.通过磁屏蔽以及对步进电机位置的控制，解决了同位素电磁分离器中的磁场对步进电机的影响而导致的测量不精确的问题。
4.能够直观的显示离子束的束流密度的二维分布。
(步进电机包括“扫描探头驱动步进电机”和“前后运动驱动步进电机”)。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述同位素谱线扫描装置控制***的结构框图；
图2是本发明具体实施方式中设置有所述同位素谱线扫描装置的接收器的示意图；
图3是本发明具体实施方式中所述同位素谱线扫描装置在接收器上的安装示意图；
图4是本发明具体实施方式中设置有所述同位素谱线扫描装置的接收器的剖视图；
图5是本发明具体实施方式中所述探头板的前视图；
图6是本发明具体实施方式中所述铷元素同位素谱线扫描方法示意图；
图7是本发明具体实施方式中所述铷元素同位素的离子束所产生的电流信号示意图(即束流密度分布示意图)；
图中：1-扫描探头驱动步进电机，2-皮带轮传动结构，3-探头扫描运动丝杠，4-滑动轴，5-前后运动驱动步进电机，6-前后运动驱动丝杠，7-连接法兰，8-框架，9-传动杆，10-探头板，11-探头，12-固定螺钉，13-真空室壁，14-传动轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
首先介绍同位素谱线扫描装置的工作原理，以铷(Rb)元素为例。由于铷元素有两个同位素(85Rb、87Rb)，在分离过程中会产生两条离子束。首先选取z＝0的中间平面，在接收器附近有85Rb，87Rb两条离子束，如图6所示，P为测量的探头，初始位置A点的坐标为(XA，YA)，它将沿与x轴成43°角的方向移动到B(XB，YB)，并随时输出探头的空间位置信号(包括位置坐标)，在移动过程中探头依次扫过85Rb，87Rb离子束，并有电流的信号输出(电流信号示意见图7所示)。探头的空间位置信号与接收的电流信号可以绘成电流密度分布图，并记录储存。完成了一次扫面后，将探头的位置调到A1、A2、.....An，完成一系列的扫面测量，在完成了Z＝0中间平面的测量后，再按同样的方法完成Z＝-100mm～+100mm不同平面的上述测量。这样就完成了85Rb和87Rb离子束的空间分布的测量，根据束的空间分布可以获得像宽、高、形状、两像之间距离等数据。数据处理采用通常的方法，取峰高的1/2处为束的宽度(见图6，图中J1、J2分别为85Rb和87Rb离子束的束流密度分布峰高)，b1为85Rb像宽，b2为87Rb像宽，d为铷同位素的色散，当b1，b2的值为最小时此处就是聚焦点。
本发明提供的一种同位素谱线扫描装置控制***(如图1所示，同位素谱线扫描装置通过连接法兰7设置在同位素电磁分离器上，真空室壁13之内的框架8及其上面安装的其他部件处于真空环境中)，包括连接有显示控制设备的PLC模块，其中，PLC模块与设置在同位素电磁分离器的接收器上的同位素谱线扫描装置相连；能够实现对同位素谱线扫描装置的运动与位置跟踪、信号获取和信号处理。
其中，同位素谱线扫描装置包括能够探测同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号的探头11、能够使探头11做三维移动的机械传动机构，
PLC模块能够采集、记录探头11的空间位置信号(包括位置坐标)和电流信号；
显示控制设备用于显示机械传动机构的运动和位置数据(包括位置坐标)、PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制机械传动机构的控制指令、并通过PLC模块向机械传动机构发送控制指令，控制机械传动机构的运行。在本实施例中，显示控制设备采用触摸屏，通过触摸屏精确调节谱线扫描装置的机械传动机构的位置参数(包括位置坐标)，并精确测量离子束的束流参数。
同位素谱线扫描装置包括法拉第筒制成的探头11，探头11能够探测同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号，探头11设置在探头板10上(如图5所示)，探头板10设置在同位素电磁分离器中的接收器的框架8上(如图3所示)；
同位素谱线扫描装置还包括设置在接收器上的能够使探头板10做三维移动的机械传动机构，还包括与探头11相连的电子线路，以及同电子线路相连的PLC模块，PLC模块能够采集、记录探头11的空间位置信号和探头11测量得到的离子束的电流信号。
机械传动机构能够提供探头板10的三位移动空间的范围为240mm×240mm×240mm，三维移动空间的三维坐标包括X轴、Y轴、Z轴，探头板10能够在框架8上做与X轴成43°角的直线移动。
如图2-图4所示，机械传动机构包括能够带动框架8及探头板10前后运动的滑动轴4，相互连接的前后运动驱动步进电机5和前后运动驱动丝杠6，前后运动驱动步进电机5和前后运动驱动丝杠6用于控制滑动轴4的前后运动；
还包括互相连接的皮带轮传动结构2和探头扫描运动丝杠3；
还包括通过传动轴14与皮带轮传动结构2相连的扫描探头驱动步进电机1，扫描探头驱动步进电机1用于驱动探头扫描运动丝杠3使探头板10能够在框架8上做与X轴成43°角的直线移动。
显示控制设备输入的、并通过PLC模块向机械传动机构发送的控制指令包括：
设置扫描探头驱动步进电机1和前后运动驱动步进电机5的目标位置坐标、运行速度、步数；
读取扫描探头驱动步进电机1和前后运动驱动步进电机5当前的位置坐标、运行速度；
控制扫描探头驱动步进电机1和前后运动驱动步进电机5运动与停止。
显示控制设备显示的机械传动机构的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据包括：
扫描探头驱动步进电机1和前后运动驱动步进电机5的目标位置坐标、运行速度、步数；
扫描探头驱动步进电机1和前后运动驱动步进电机5当前的位置坐标、运行速度；
离子束的电流信号，电流信号为离子束的电流值；
对电流值、电压值进行处理后形成的与探头11的空间位置信号(包括位置坐标)一一对应的束流密度分布图像(如图7所示)。
因为同位素电磁分离器中存在强磁场，会对步进电机产生影响(步进电机包括“扫描探头驱动步进电机”和“前后运动驱动步进电机”)，进而影响同位素谱线扫描装置的测量效果，因此本发明还包括对扫描探头驱动步进电机1和前后运动驱动步进电机5采用磁屏蔽，通过磁屏蔽以及对步进电机的位置进行控制，解决强磁场对步进电机的影响，保证同位素谱线扫描装置的测量效果不受干扰。(由于步进电机根据带电导线切割磁力线而运动，强磁场会改变步进电机内原有的磁场大小和方向，使步进电机不能正常运转。磁屏蔽可以避免外界磁力线进入步进电机而保证步进电机正常工作；控制步进电机与电磁铁的位置，可使步进电机在磁场微弱到不足以产生干扰的位置工作。)
本发明所提供的同位素谱线扫描装置控制***使用航空插头实现对信号的接入和测控，所述信号包括：离子束的电流信号、机械传动机构的运动和位置数据、PLC模块获得的信号数据、向机械传动机构发送的控制指令等等。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (9)

1.一种同位素谱线扫描装置控制***，包括连接有显示控制设备的PLC模块，其特征是：
所述PLC模块与设置在同位素电磁分离器的接收器上的同位素谱线扫描装置相连；
所述同位素谱线扫描装置包括能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号的探头(11)、能够使所述探头(11)做三维移动的机械传动机构；
所述PLC模块能够采集、记录所述探头(11)的空间位置信号和所述电流信号；
所述显示控制设备用于显示所述机械传动机构的运动和位置数据、所述PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述机械传动机构的控制指令、通过所述PLC模块控制所述机械传动机构的运行。
2.如权利要求1所述的同位素谱线扫描装置控制***，其特征是：
所述同位素谱线扫描装置包括法拉第筒制成的探头(11)，所述探头(11)能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号，所述探头(11)设置在探头板(10)上，所述探头板(10)设置在所述同位素电磁分离器中的所述接收器的框架(8)上；
还包括设置在所述接收器上的能够使所述探头板(10)做三维移动的机械传动机构，还包括连接所述PLC模块与所述探头(11)的电子线路。
3.如权利要求2所述的同位素谱线扫描装置控制***，其特征是：所述机械传动机构能够提供所述探头板(10)的三位移动空间的范围为240mm×240mm×240mm，三维移动空间的三维坐标包括X轴、Y轴、Z轴，所述探头板(10)能够在所述框架(8)上做与所述X轴成43°角的直线移动。
4.如权利要求3所述的同位素谱线扫描装置控制***，其特征是：
所述机械传动机构包括能够带动所述框架(8)及所述探头板(10)前后运动的滑动轴(4)，相互连接的前后运动驱动步进电机(5)和前后运动驱动丝杠(6)，所述前后运动驱动步进电机(5)和前后运动驱动丝杠(6)用于控制所述滑动轴(4)的前后运动；
还包括互相连接的皮带轮传动结构(2)和探头扫描运动丝杠(3)；
还包括通过传动轴(14)与所述皮带轮传动结构(2)相连的扫描探头驱动步进电机(1)，所述扫描探头驱动步进电机(1)用于驱动探头扫描运动丝杠(3)使所述探头板(10)能够在所述框架(8)上做与所述X轴成43°角的直线移动。
5.如权利要求4所述的同位素谱线扫描装置控制***，其特征是，通过所述显示控制设备输入的所述控制指令包括：
设置所述扫描探头驱动步进电机(1)和所述前后运动驱动步进电机(5)的目标位置坐标、运行速度、步数；
读取所述扫描探头驱动步进电机(1)和所述前后运动驱动步进电机(5)当前的位置坐标、运行速度；
控制扫描探头驱动步进电机(1)和所述前后运动驱动步进电机(5)运动与停止。
6.如权利要求4所述的同位素谱线扫描装置控制***，其特征是，所述显示控制设备显示的所述机械传动机构的所述运动和位置数据、所述PLC模块获得的所述信号数据包括：
所述扫描探头驱动步进电机(1)和所述前后运动驱动步进电机(5)的目标位置坐标、运行速度、步数；
所述扫描探头驱动步进电机(1)和所述前后运动驱动步进电机(5)当前的位置坐标、运行速度；
所述离子束的电流信号，所述电流信号为所述离子束的电流值；
对所述电流值、电压值进行处理后形成的与所述探头(11)的所述空间位置信号一一对应的束流密度分布图像。
7.如权利要求4所述的同位素谱线扫描装置控制***，其特征是：还包括对所述扫描探头驱动步进电机(1)和所述前后运动驱动步进电机(5)进行屏蔽。
8.如权利要求7所述的同位素谱线扫描装置控制***，其特征是：所述扫描探头驱动步进电机(1)和所述前后运动驱动步进电机(5)的屏蔽方式为磁屏蔽。
9.如权利要求1所述的同位素谱线扫描装置控制***，其特征是，使用航空插头实现对信号的接入和测控，所述信号包括：所述离子束的电流信号、所述机械传动机构的所述运动和位置数据、所述PLC模块获得的所述信号数据、向所述机械传动机构发送的所述控制指令。
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