12MeV驻波电子直线加速器自动频率控制技术设计

刘建辉，江 海，周 媛

LIU Jian-hui, JIANG Hai, ZHOU Yuan

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

12MeV驻波电子直线加速器的工作频带很窄，几十kHz的频率变化就会导致磁控管微波功率严重反射，从而使加速器输出剂量率急剧下降。在加速器运行过程中，加速管和磁控管腔体的物理尺寸会随温度的变化而改变，进而引起频率变化。为了补偿这种频率的变化对加速器正常工作的影响，需要实时调节磁控管的频率，使之与加速管的谐振频率保持一致。这就是自动频率控制（AFC）系统要实现的目的。

1 自动频率控制

自动频率控制系统广泛采用锁相调频技术方案，其原理是：由定向耦合器输出的入射波信号，经过延迟线、可变衰减器和移相器后，送到了三分贝桥的端口1；由另一定向耦合器输出的反射波信号，经过可变衰减器后也被送入电桥中(经桥的端口3)。两信号在桥内混合后从桥的另外两个端口(2和4)输出。输出信号经检波器后送入AFC电路4AP板的的第一级放大器。可变衰减器用来调节信号的幅值，延迟线和移相器用来调节入射波信号的相位。通过对它们的调节，可使三分贝桥的两个输出信号在加速管谐振腔的谐振频率与磁控管的频率相等的时候，经检波器检波后所得脉冲的幅值相等，这时AFC电路差动放大器输出的信号为零。当入射波的频率(即磁控管的频率)与加速管的谐振频率不相等时，则入射波和反射波的相位差发生变化，引起检波后所得两脉冲幅值发生变化，一个变大，另一个变小，于是差动放大器的输出相应的正负信号，经AFC电路的末级功率放大之后，驱动伺服电机带动磁控管的调谐机构转动。当磁控管的频率大于加速管的谐振频率时，调谐机构向使磁控管的频率变小的方向转，反之朝变大的方向转，以维持两个频率始终趋于相等。AFC采样电路如图1所示。

图1 AFC采样电路图

AFC系统除采样电路外还包括三部分： 前置放大部分、 伺服放大部分和执行机构。

2 前置放大

AFC采样电路送来的两路信号（151线、152线）经A1、A2放大后送入A3求差； 差值信号送入高速采样保持电路N1， N1将输入的脉冲信号变成直流信号输出，再经A4放大后送入由A5、A6组成的调零电路，A5的输出经电子模拟开关E1A、E1B送到图3进行功率放大。图2为前置放大电路部分。

图2 前置放大和同步电路图

图3 伺服放大电路图

11AP给出的同步信号经T1送 入 D1A。D1A、D2A是两个单稳态电路，同步信号前沿触发D1A，D1A输出脉冲的后沿触发D2A，D2A输出一个约1us 的脉冲S送到N1，作为N1的选通信号。调节PR6改变D1A的输出脉冲宽度，也就决定了N1采样的时间。

从AFC系统采样电路来的两路信号在经A1、A2和A3放大求差，在剂量率最大时此差值应为零；但在运行过程中此差值在剂量率最大时不可能始终为零，还需要调零电路来补偿这种偏差，使AFC系统始终跟随在最大剂量率附近。

AFC执行机构中的伺服电机带动磁控管调谐机构转动的同时也带动电位器转动，用电位器动抽头电压来表示磁控管调谐机构的位置。动抽头电压送入控制台监测。

此外，还设有电子选择开关，实现手动调谐和AFC自动调谐切换。

3 伺服放大

伺服放大电路由A1、V3、V4等组成，如图3所示。

该部分电路对前置放大电路送来的调谐信号放大，使其足以推动伺服电机，带动调谐机构转动，改变磁控管调谐机构的位置，使磁控管工作频率稳定。

图4 电限位电路图

图5 执行机构电路图

4 电限位电路

A2、A3等组成了的电限位电路。 RP4的输出电压与A2、A3的给定电压进行比较，当RP4的输出电压超过A2或A3的给定电压时A2或A3翻转，使得继电器K1或K2动作，切断伺服电机这一方向的供电，伺服电机停止转动，只能向反方向转动。如图4所示。

5 执行机构

执行机构如图5所示，由伺服电机、电位器、机械限位等组成。伺服电机由直流电机和减速器组成，额定电压为12V，通过法兰盘连接在磁控管调谐旋钮上，改变电机的转动方向就可改变磁控管的频率增减。为了确保伺服电机过转而不损坏磁控管，在执行机构中设置机械限位S3和S4。电位器RP4，用于指示当前磁控管调谐旋钮当前的位置。一旦磁控管位置过于偏离，则通过图4上的电限位电路切断电机供电，保护磁控管。

6 结论

由上述电路构成的12MeV驻波电子直线加速器的自动频率控制（AFC）系统，经过反复实验验证，证明其效果比较好，能够根据温度等变化实现磁控管频率的实时调节。