本發(fā)明屬于加速器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于加速器微波真空窗打火探測(cè)的方法及裝置。

背景技術(shù)：

在高功率微波的傳輸過(guò)程中，回旋加速器微波真空窗口表面因污損汽化引起的局部真空惡化及表面突起的存在，都可能在介質(zhì)窗口激發(fā)產(chǎn)生二次電子發(fā)射與倍增效應(yīng)，俗稱(chēng)“打火”。打火的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致微波傳輸系統(tǒng)駐波比增大，反射功率增加，對(duì)發(fā)射機(jī)形成沖擊，同時(shí)打火時(shí)的高能量釋放會(huì)破壞微波真空窗，影響加速器系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

回旋加速器在正式運(yùn)行前會(huì)對(duì)真空窗口表面進(jìn)行預(yù)處理和鍛煉來(lái)降低窗口打火發(fā)生的概率。但是，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，加速器開(kāi)蓋調(diào)試及維護(hù)過(guò)程勢(shì)必會(huì)惡化真空窗口的大氣環(huán)境，窗口表面將重新吸附水汽雜質(zhì)，導(dǎo)致處理過(guò)程的逆變。

微波真空窗口既要隔離真空又要傳輸高功率微波，會(huì)產(chǎn)生高頻打火現(xiàn)象，在保護(hù)措施不夠的情況下，打火點(diǎn)會(huì)想陶瓷窗移動(dòng)，使得真空窗破壞。而對(duì)微波真空窗口打火保護(hù)的前提是打火探測(cè)，微波真空窗口打火的探測(cè)不同于腔體內(nèi)的打火探測(cè)，腔體打火探測(cè)一般采用對(duì)腔體取樣的方法，當(dāng)腔體內(nèi)能量釋放速率大于打火判斷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將取樣信號(hào)微分后與打火標(biāo)準(zhǔn)電平比較得到打火信號(hào)。而真空窗打火現(xiàn)象的發(fā)生總是伴隨著大量自由電子的產(chǎn)生，真空窗口的電子濃度可以通過(guò)在預(yù)計(jì)打火區(qū)域插入一個(gè)帶正電的探頭來(lái)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量電流來(lái)判斷真空窗口的打火并進(jìn)行及時(shí)的保護(hù)，避免損壞微波真空窗口。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于加速器微波真空窗打火探測(cè)的方法及裝置，采用這種探測(cè)方法和裝置，可以及時(shí)探測(cè)真空窗內(nèi)的打火現(xiàn)象并立即切斷高頻源與同軸波導(dǎo)的點(diǎn)連接，避免微波真空窗口的損壞。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于加速器微波真空窗打火探測(cè)的方法，該方法采用λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)阻抗變換，所用步驟為：

1)根據(jù)微波真空窗口的物理設(shè)計(jì)分析，在真空窗口附近連接一段λ/4標(biāo)準(zhǔn)短路同軸波導(dǎo)，同軸波導(dǎo)的一端安裝帶正電的探頭。

2)對(duì)真空窗口進(jìn)行探測(cè)，打火現(xiàn)象伴隨著大量自由電子的產(chǎn)生，λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)的一端將會(huì)接受一定的電子撞擊，這時(shí)λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生微量的電流信號(hào)，另一端的信號(hào)放大器對(duì)微電流進(jìn)行放大，當(dāng)放大電流值大于我們?cè)O(shè)定的閾值時(shí)，對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)控制高頻源與同軸波導(dǎo)的連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻窗口的打火探測(cè)及硬件保護(hù)。

所述λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，采用λ/4波長(zhǎng)傳輸線終端短路時(shí)，它的輸入阻抗，則另一端為開(kāi)路。若將它并聯(lián)在高功率微波傳輸線上，對(duì)傳輸線無(wú)任何影響。利用這特性，可以確保探頭探測(cè)的電子都來(lái)自于打火產(chǎn)生的自由電子。

所述帶正電的探頭放置在預(yù)計(jì)打火區(qū)域，吸附打火產(chǎn)生的大量自由電子，從而在探頭中產(chǎn)生一個(gè)微小但是可以檢測(cè)的電流，電流的數(shù)值可以來(lái)表示電子濃度。

所述閾值設(shè)為6dB。

所述高頻窗口的打火探測(cè)及硬件保護(hù)是通過(guò)將放大電流信號(hào)與設(shè)定的閾值6dB進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)放大電流信號(hào)大于閾值時(shí)，控制系統(tǒng)判斷打火信號(hào)產(chǎn)生，啟動(dòng)關(guān)斷RF源的程序，在設(shè)定的時(shí)間參數(shù)Tw之間RF源前饋系數(shù)為0，在Tw時(shí)間之后恢復(fù)RF源的前饋系數(shù)，重新開(kāi)啟RF源。如果打火信號(hào)再次產(chǎn)生，再次啟動(dòng)關(guān)斷RF源的程序，重復(fù)次數(shù)超過(guò)限制時(shí)，RF源將一直處于關(guān)斷狀態(tài)。

一種用于加速器微波真空窗打火探測(cè)的裝置，主要包括電子探測(cè)模塊，微電流放大模塊，閾值判斷模塊和主控處理模塊。

電子探測(cè)模塊采用帶正電的探頭對(duì)微波真空窗口中的自由電子進(jìn)行探測(cè)，大量電子吸附到探頭上之后將產(chǎn)生一個(gè)微弱電流，微電流放大模塊將得到的微弱電流進(jìn)行放大，放大后的電流信號(hào)在閾值判斷模塊進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷微波真空窗口是否發(fā)生了打火現(xiàn)象。識(shí)別打火信號(hào)后在主控處理模塊對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，在一定時(shí)間內(nèi)關(guān)斷RF源。完成對(duì)微波真空窗的打火探測(cè)和硬件保護(hù)。

所述電子探測(cè)模塊為在射頻真空窗口附近連接一段終端短路的λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)，該波導(dǎo)尾端開(kāi)圓孔，將帶正電的探頭穿過(guò)圓孔，放置在打火區(qū)域，對(duì)打火產(chǎn)生的自由電子進(jìn)行探測(cè)。

所述微電流放大模塊主要由I-V轉(zhuǎn)換電路和電壓放大組成，電壓放大采用2級(jí)普通的反向放大器電路實(shí)現(xiàn)。模塊采用低噪聲的設(shè)計(jì)，同時(shí)使用窄帶濾波法提升信號(hào)信噪比。

所述主控處理模塊與信號(hào)源、RF開(kāi)關(guān)為數(shù)字通信連接。

所述主控處理模塊為FPGA Spartan3。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明可以解決微波真空窗口打火檢測(cè)困難的問(wèn)題，采用這種探測(cè)方法和裝置，可以及時(shí)探測(cè)真空窗內(nèi)的打火現(xiàn)象并立即切斷高頻源與同軸波導(dǎo)的點(diǎn)連接，避免微波真空窗口的損壞。

附圖說(shuō)明

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明一種用于加速器微波真空窗打火探測(cè)的裝置示意圖；

圖2為圖1中微電流放大模塊示意圖；

圖3為圖2中I-V轉(zhuǎn)換及電壓放大電路圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種用于加速器微波真空窗打火探測(cè)的裝置，如圖1所示，主要包括電子探測(cè)模塊，微電流放大模塊，閾值判斷模塊和主控處理模塊；

電子探測(cè)模塊采用帶正電的探頭對(duì)微波真空窗口中的自由電子進(jìn)行探測(cè)，大量電子吸附到探頭上之后將產(chǎn)生一個(gè)微弱電流；微電流放大模塊將得到的微弱電流進(jìn)行放大，放大后的電流信號(hào)在閾值判斷模塊進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷微波真空窗口是否發(fā)生了打火現(xiàn)象；識(shí)別打火信號(hào)后，在主控處理模塊對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，在一定時(shí)間內(nèi)關(guān)斷RF源，完成對(duì)微波真空窗的打火探測(cè)和硬件保護(hù)。

電子探測(cè)模塊為在射頻真空窗口附近連接一段終端短路的λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)，該波導(dǎo)尾端開(kāi)圓孔，將帶正電的探頭穿過(guò)圓孔，放置在打火區(qū)域，對(duì)打火產(chǎn)生的自由電子進(jìn)行探測(cè)。

微電流放大模塊主要由I-V轉(zhuǎn)換電路和電壓放大組成，如圖2所示；模塊采用低噪聲的設(shè)計(jì)，同時(shí)使用窄帶濾波法提升信號(hào)信噪比，并設(shè)有內(nèi)外屏蔽層來(lái)抑制干擾噪聲；電壓放大采用2級(jí)普通的反向放大器電路實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

電壓放大倍數(shù)為：

微電流經(jīng)放大后與閾值進(jìn)行比較，即可判斷打火信號(hào)。

主控處理模塊與信號(hào)源、RF開(kāi)關(guān)為數(shù)字通信連接。主控處理模塊為FPGA Spartan3。

本發(fā)明的實(shí)施方法和步驟主要如下：

1)根據(jù)微波真空窗口的物理設(shè)計(jì)分析，在真空窗口附近連接一段λ/4標(biāo)準(zhǔn)短路同軸波導(dǎo)，同軸波導(dǎo)的一端安裝帶正電的探頭。

2)對(duì)真空窗口進(jìn)行探測(cè)，打火現(xiàn)象伴隨著大量自由電子的產(chǎn)生，λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)的一端將會(huì)接受一定的電子撞擊，這時(shí)λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生微量的電流信號(hào)，另一端的信號(hào)放大器對(duì)微電流進(jìn)行放大，當(dāng)放大電流值大于我們?cè)O(shè)定的閾值時(shí)，對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)控制高頻源與同軸波導(dǎo)的連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻窗口的打火探測(cè)及硬件保護(hù)。

該方法在微波窗口真空側(cè)附近連接一段λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)，當(dāng)真空介質(zhì)窗口表面電子在射頻電場(chǎng)的作用下，在內(nèi)外導(dǎo)體之間及介質(zhì)窗口表面上激發(fā)產(chǎn)生二次電子發(fā)射與倍增效應(yīng)，即俗稱(chēng)“打火”，在微放電達(dá)到閾值之前，λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)將會(huì)接受一定的電子撞擊，這時(shí)λ/4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生微量的電流信號(hào)，此時(shí)我們?cè)讦?4標(biāo)準(zhǔn)同軸波導(dǎo)另一側(cè)安裝相應(yīng)的測(cè)試探針和微電流信號(hào)放大器，當(dāng)轉(zhuǎn)換信號(hào)值大于我們?cè)O(shè)定的閥值(即微放電閥值為6dB)后，主控處理單元立即切斷高頻源與同軸波導(dǎo)的點(diǎn)連接，從而提前實(shí)現(xiàn)對(duì)同軸波導(dǎo)的“打火”保護(hù)，避免微波真空窗口的損壞。

以上公開(kāi)的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實(shí)施例并沒(méi)有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施方式。顯然，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說(shuō)明書(shū)選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書(shū)及其全部范圍和等效物的限制。