12MeV駐波電子直線加速器自動頻率控制技術設計

劉建輝，江 海，周 媛

LIU Jian-hui, JIANG Hai, ZHOU Yuan

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

12MeV駐波電子直線加速器的工作頻帶很窄，幾十kHz的頻率變化就會導致磁控管微波功率嚴重反射，從而使加速器輸出劑量率急劇下降。在加速器運行過程中，加速管和磁控管腔體的物理尺寸會隨溫度的變化而改變，進而引起頻率變化。為了補償這種頻率的變化對加速器正常工作的影響，需要實時調節磁控管的頻率，使之與加速管的諧振頻率保持一致。這就是自動頻率控制（AFC）系統要實現的目的。

1 自動頻率控制

自動頻率控制系統廣泛采用鎖相調頻技術方案，其原理是：由定向耦合器輸出的入射波信號，經過延遲線、可變衰減器和移相器后，送到了三分貝橋的端口1；由另一定向耦合器輸出的反射波信號，經過可變衰減器后也被送入電橋中(經橋的端口3)。兩信號在橋內混合后從橋的另外兩個端口(2和4)輸出。輸出信號經檢波器后送入AFC電路4AP板的的第一級放大器。可變衰減器用來調節信號的幅值，延遲線和移相器用來調節入射波信號的相位。通過對它們的調節，可使三分貝橋的兩個輸出信號在加速管諧振腔的諧振頻率與磁控管的頻率相等的時候，經檢波器檢波后所得脈沖的幅值相等，這時AFC電路差動放大器輸出的信號為零。當入射波的頻率(即磁控管的頻率)與加速管的諧振頻率不相等時，則入射波和反射波的相位差發生變化，引起檢波后所得兩脈沖幅值發生變化，一個變大，另一個變小，于是差動放大器的輸出相應的正負信號，經AFC電路的末級功率放大之后，驅動伺服電機帶動磁控管的調諧機構轉動。當磁控管的頻率大于加速管的諧振頻率時，調諧機構向使磁控管的頻率變小的方向轉，反之朝變大的方向轉，以維持兩個頻率始終趨于相等。AFC采樣電路如圖1所示。

圖1 AFC采樣電路圖

AFC系統除采樣電路外還包括三部分： 前置放大部分、 伺服放大部分和執行機構。

2 前置放大

AFC采樣電路送來的兩路信號（151線、152線）經A1、A2放大后送入A3求差； 差值信號送入高速采樣保持電路N1， N1將輸入的脈沖信號變成直流信號輸出，再經A4放大后送入由A5、A6組成的調零電路，A5的輸出經電子模擬開關E1A、E1B送到圖3進行功率放大。圖2為前置放大電路部分。

圖2 前置放大和同步電路圖

圖3 伺服放大電路圖

11AP給出的同步信號經T1送 入 D1A。D1A、D2A是兩個單穩態電路，同步信號前沿觸發D1A，D1A輸出脈沖的后沿觸發D2A，D2A輸出一個約1us 的脈沖S送到N1，作為N1的選通信號。調節PR6改變D1A的輸出脈沖寬度，也就決定了N1采樣的時間。

從AFC系統采樣電路來的兩路信號在經A1、A2和A3放大求差，在劑量率最大時此差值應為零；但在運行過程中此差值在劑量率最大時不可能始終為零，還需要調零電路來補償這種偏差，使AFC系統始終跟隨在最大劑量率附近。

AFC執行機構中的伺服電機帶動磁控管調諧機構轉動的同時也帶動電位器轉動，用電位器動抽頭電壓來表示磁控管調諧機構的位置。動抽頭電壓送入控制臺監測。

此外，還設有電子選擇開關，實現手動調諧和AFC自動調諧切換。

3 伺服放大

伺服放大電路由A1、V3、V4等組成，如圖3所示。

該部分電路對前置放大電路送來的調諧信號放大，使其足以推動伺服電機，帶動調諧機構轉動，改變磁控管調諧機構的位置，使磁控管工作頻率穩定。

圖4 電限位電路圖

圖5 執行機構電路圖

4 電限位電路

A2、A3等組成了的電限位電路。 RP4的輸出電壓與A2、A3的給定電壓進行比較，當RP4的輸出電壓超過A2或A3的給定電壓時A2或A3翻轉，使得繼電器K1或K2動作，切斷伺服電機這一方向的供電，伺服電機停止轉動，只能向反方向轉動。如圖4所示。

5 執行機構

執行機構如圖5所示，由伺服電機、電位器、機械限位等組成。伺服電機由直流電機和減速器組成，額定電壓為12V，通過法蘭盤連接在磁控管調諧旋鈕上，改變電機的轉動方向就可改變磁控管的頻率增減。為了確保伺服電機過轉而不損壞磁控管，在執行機構中設置機械限位S3和S4。電位器RP4，用于指示當前磁控管調諧旋鈕當前的位置。一旦磁控管位置過于偏離，則通過圖4上的電限位電路切斷電機供電，保護磁控管。

6 結論

由上述電路構成的12MeV駐波電子直線加速器的自動頻率控制（AFC）系統，經過反復實驗驗證，證明其效果比較好，能夠根據溫度等變化實現磁控管頻率的實時調節。