一種具有故障保護功能的掃描電源設計

屈靖

摘 要：在線性電子加速器系統的輻照處理過程中，需要根據商品的大小、形狀、體積等頻繁調整電子束的掃描寬度。這就要求掃描電源提供可變的交流電以產生磁場，使產生的電子隨著電流的變化而產生磁轉，并且產生的電子不會都打到一個點上，從而確保輻照物品接受輻照的均勻性。由于每種食品接受輻照的能量不同，所以不可能產生的電子束能量都一樣，為確保經過電子束輻照的食品都滿足相應的要求，要通過控制掃描電源頻率和幅度來調節電子束偏轉大小和多少來控制輻照能量的大小；當束流管掃描電源出現故障時，電源必須及時準確的報給主控臺，以保護束流管以及整個設備的正常運行；當設備產生故障時，故障信號將一直鎖存，直到遠程復位信號將設備復位。

關鍵詞：電子束；掃描電源；遠程復位；磁轉

0 引言

直線電子加速器是利用高頻的電磁場進行加速，被加速粒子的運動軌跡為直線的加速器。工業用電子加速器廣泛應用于食品以及貨物加工領域，由于輻照對象的大小、形狀、體積等的不同，輻照不同貨物的時候需要調整電子束的掃描寬度，掃描電源就是用來調整電子束掃描寬度的裝置。掃描電源為加速管掃描線圈提供類似三角波的交變電流，使掃描線圈產生交變磁場，該磁場使加速的電子束流具有一定能量，加速的電子束流受洛倫茲力的影響就會發生偏轉，電子束流的偏轉距離與通過掃描線圈的電流呈線性關系，因此要改變掃描寬度就需要調節掃描電源的輸出電流大小[2]。

1 故障保護原理及電路

1.1 故障保護原理

當束流管掃描電源出現故障時，電源必須及時準確地報給主控臺，以保護束流管以及整個設備的正常運行。該模塊需要采集的故障為：欠流故障、過流故障和過溫故障。圖1所示故障電路原理圖：外部遠程調節接口調節輸入電流信號的幅度，RT12調節欠流值的基準電壓V1，RT14調節過流值的基準電壓V3，溫度開關顯示驅動功率板的溫度，設定超過50 ℃則給出報警提示。其工作過程為，正常工作時，電流互感器采集到的電流值信號經過U12構成的射極跟隨器電路后，經RT12調節到V=2 V進入比較器LM393管腳2，管腳5與欠流基準電壓以及過流基準電壓比較，正常工作時V1V時，管腳1輸出高電平光耦，可控硅U7A導通，則前面板欠流指示燈亮；光耦U9第三組導通，將故障報與單片機，第二組導通，則第一組不導通，將故障直接報與主控臺。當出現過流故障時即V>V3時，管腳7輸出高電平，光耦可控硅U7B導通，則前面板過流指示燈亮，將導通故障報與單片機。溫度傳感器信號達到50 ℃時，則前面板過溫指示燈亮，將溫度故障經光耦報與單片機。當設備產生故障時，故障信號將一直鎖存，直到遠程復位信號將設備復位。

1.2 故障保護電路

負載電流由電流傳感器取得。電流傳感器用于檢測0～±50 A的交流電流信號，輸出0～5 V的直流電壓信號。所用電磁隔離型工頻交流電流傳感器輸出為平均電壓，頻帶范圍為±DC/（25 Hz～5 kHz），線性測量范圍為0～±50 A；隔離電壓為3 000 V DC，負載能力5 mA，響應時間15 μs。因此，為了提高抗干擾能力和負載驅動能力，傳感器之后設置兩級由LM258構成的放大和射隨電路。

經放大和射隨電路輸出的電流信號，一路加至U6A（LM393）反向輸入端2。調節電阻RT12，使得U6A同向輸入端3的電壓VL對應于負載額定工作電流的下限IL。當放大和射隨電路輸出V0低于負載額定工作電流的下限IL所對應的電壓VL時，U6A輸出高電平，驅動U7A，點亮欠流報警燈。同樣，經放大和射隨電路輸出的電流信號，另一路加至U6B（LM393）同向輸入端5。調節電阻RT14，使得U6B反向輸入端6的電壓VH對應于負載額定工作電流的上限IH。當放大和射隨電路輸出V0高于負載額定工作電流的上限IH所對應的電壓VH時，U6B輸出高電平，驅動U7B，點亮過流報警燈。同樣，當溫度達到50 ℃時，經溫度傳感器輸出的信號經過光耦點亮過溫報警燈，輸出故障保護信號。電路一旦啟動故障報警和保護，U7A、U7B將鎖住故障狀態，供排查。故障排除后，需要外部提供復位信號，電路方能恢復正常工作[4]。

2 掃描電源頻率和幅度調節原理及電路

2.1 頻率及幅度調節原理

該電源模塊設計目的是為掃描電源提供交流電，通過可變的交流電產生磁場，使產生的電子隨著電流的變化產生偏轉，不致都打到一個點上，保證輻照物品接受輻照的均勻性[1]。由于每種食品接受輻照的能量不同，所以不可能產生的電子束能量都一樣，為確保經過電子束輻照的食品都滿足相應的要求，要通過控制掃描電源頻率和幅度來調節電子束偏轉大小和多少來控制輻照能量的大小，具體實現方式如圖2所示。

其工作原理為：打開空氣開關，然后主控臺發出遠程開機信號，交流接收器RL1和RL2依次上電，RL1和RL2分別控制的變壓器T1和T2也會依次通電，整個系統開始進入工作狀態。TI的次級5、6、7管腳經過整流和濾波后得到電壓給掃描電源。外置航空插頭通過外部信號調節頻率和幅度，頻率調節2檔和頻率調節3檔通過2路4個繼電器的選擇可以有四種頻率調節作用，不過常用是12 Hz頻率信號，幅度調節信號3可以接受外來（4～20） mA電流，通過電流的大小來調節信號幅度的大小。

2.2 電源電路

系統公用電源單元由2W10整流橋和LM78XX元件構成，為整個掃描電源控制系統提供電源，包括DC+24 V、DC -24 V、DC+12 V、DC-12 V、DC +5 V、DC -5 V（如圖3）。

3 顯示與通信原理及電路

3.1 顯示與通信原理

掃描電源的顯示內容包括電流顯示與電壓顯示。電流信號的采集用電流傳感器，傳感器輸入為0～5 A交流信號輸出0～5 V直流信號，且輸出信號與輸入信號為線性關系，將電流傳感器串聯在電源的輸出回路中，則通過測量傳感器輸出信號的大小即可以得到輸出電流值的大小。該信號一方面為故障檢測提供信號，另一方面將信號報給單片機并用于顯示。由于掃描電源輸出接掃描電源變壓器初級，燈絲變壓器次級接燈絲，所以得到電流信號后需要對其進行調整，以顯示燈絲工作的實際電流。

電壓信號的采集采用電壓傳感器，傳感器輸入為0～250 V交流信號，輸出為0～5 V直流信號，且輸出信號與輸入信號為線性關系。將電壓傳感器并聯在調壓器輸出的兩端，則通過測量傳感器輸出信號的大小可以得到掃描電源的輸出電壓。該信號一方面報給單片機，同時用于表頭的顯示。由于掃描電源輸出接燈絲變壓器初級，所以得到的電壓信號也需要對其進行調整，又因為跳檔過程中所測量信號并不會發生變化，因此跳檔的同時將切換調整所使用的電位器，以顯示掃描電源工作時的實際電壓。

掃描電源內部單片機采集到的信號與故障信息需報主控臺，因此掃描電源與主控臺間設計了485通信電路。該電源采用16位單片機PIC16F877A，用于對電流傳感器和電壓傳感器的模擬信號進行A/D轉換，并采用485協議向主控系統通信。其中，電壓傳感器的信號自單片機的2腳RA0/AN0輸入，電流傳感器的信號自單片機的3腳RA1/AN1輸入，直接實現A/D轉換。ADM2483為485通信轉換芯片，將單片機的RX/TX通信格式轉換成485格式。

4 單片機電壓電流測量校正

束流管在額定狀態工作時，其負載變壓器的實際電壓變比為220：6.25。因此，有如下效果。

5 結論

掃描電源作為直線電子加速器系統的關鍵電源組成部分，對控制精度和帶寬等指標要求都十分重要。當掃描電源出現故障時，必須及時準確地報給主控臺，以保護束流管以及整個設備的正常運行；當設備產生故障時，故障信號將一直鎖存，直到遠程復位信號將設備復位[3][6]。該掃描電源在實驗室調試運行時運行穩定可靠，可推廣到工業用電子加速器實際應用中。

參考文獻：

[1] 江海.輻照用電子直線加速器束下引出掃描裝置對輻照均勻性影響的研究[D].北京：機械科學研究總院.2009

[2] 古帥，臧紅巖，鞏新勝.直線電子加速器掃描電源遠程調節電路的設計[J].數字化用戶，2017年（46）：216-217.

[3] 江海，陳巖，孫立強，等.高能電子輻照加速器掃描電源的研制[J].制造業自動化，2009（10）：168-170.

[4] 黃玉珍，高大慶， 劉云濤，等.蘭州重離子加速器深層治癌掃描電源研究與設計[J].原子能科學技術，2009（9）：851-854

[5] 周常兵，席德勛，莊亞.輻照直線加速器電子束掃描控制[C].第二屆全國加速器技術學術交流會，1998.

[6] 朱曉慧.醫用質子加速器數字化掃描電源技術的研究[D].北京：中國科學院大學，2015.