Радиационно-технологические комплексы на основе ускорителей типа ИЛУ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение.

Глава ¡.Ускорители типа ИЛУ.

Глава 2. Система синхронизации модулятора.

Глава 3. Специализированный контроллер управления ускорителями типа ИЛУ.

Глава 4. Программное обеспечение комплексов.

Глава 5. Система управления автоматизированным технологическим комплексом для стерилизации медицинских изделий.

Глава 6. Радиационно-технологический комплекс для облучения длинномерных изделий.

Глава 7. Радиационно-технологический комплекс для пастеризации пищевых продуктов.

Начиная с 1970 года, в Институте ядерной физики СО РАН разрабатываются и поставляются в промышленность импульсные линейные ускорители (ИЛУ), предназначенные для широкого применения в различных технологических процессах и рассчитанные на длительную непрерывную и круглосуточную работу в промышленных условиях. В отличие от широко распространенных высоковольтных ускорителей, имеющих непрерывный ток пучка, импульсный характер пучка позволяет легко адаптировать ИЛУ к технологическим процессам, требующим создания зоны облучения сложной конфигурации. Наиболее ярким примером таких процессов является облучение полимерной изоляции кабелей и термоусаживаемых трубок, где применение четырехстороннего облучения позволяет без повышения энергии электронов резко повысить производительность процесса, улучшить качество продукции и расширить номенклатуру обрабатываемых изделий. Возможность повышения энергии до 5 МеВ в совокупности с мощностью в пучке до 50 кВт позволяет использовать ускорители типа ИЛУ для пастеризации пищевых продуктов и стерилизации медицинских изделий. Причём пастеризацию можно осуществлять в гамма моде, преобразуя пучок электронов в поток гамма излучения.

Ускорители являются главной частью облучательных комплексов. Кроме ускорителя в состав комплекса обязательно входит система транспортировки продукции, а также системы радиационной и электрической безопасности. В состав некоторых комплексов может входить несколько ускорителей, работающих на один лучевой конвейер. Также бывает ситуация, когда один ускоритель работает на две сменные системы подпучкового оборудования.

Для наиболее удобной эксплуатации таких комплексов необходимо связать всё это оборудование в единую технологическую цепочку. Это упростит труд персонала. Уменьшит количество технологического брака продукции и повысит надёжность работы комплексов.

Наиболее простой способ создания единых технологических комплексов является объединение оборудования на базе систем управления. Т.к. отдельные элементы комплексов могут иметь или не иметь автоматизированных систем управления или системы управления имеют разные уровни и возможности, то в общем виде существуют три метода создания таких комплексов на базе систем управления:

1. Система управления ИЛУ включает в себя управление внешним оборудованием. (B.I)

2. Система управления ИЛУ равноправна и связана с системами управления внешним оборудованием в единый комплекс.(В.II)

3. Система управления ИЛУ является подчинённой системе управления всего оборудования в цеху. (B.III) Самая первая система автоматизированного управления ускорителем типа ИЛУ была сделана на базе ЭВМ типа PDP-11 и аппаратуры в стандарте КАМАК. Программное обеспечение было написано на языке ПАСКАЛЬ. Эта система управляла только ускорителем и позволяла стабилизировать энергию и ток пучка электронов. Гибкость системы позволяла вводить "необычные" обратные связи для различных научных экспериментов. Например, для проведения экспериментов для исследования теплового влияния пучка электронов на объект был создан программный "термостат". Температура облучаемого образца стабилизировалось путём регулирования средней мощности пучка и импульсным током.

Примерно в начале восьмидесятых годов наша лаборатория стала поставлять ускорители совместно с подпучковым перематывающим оборудованием. Т.к. механика перематывающего оборудования имеет инерционность, возникла задача увеличения мощности пучка синхронно со скоростью облучаемого объекта. Эта задача была решена, используя возможность управления компьютером частотой следования импульсов ускорителя и импульсным током пучка.

С появлением персональных компьютеров произведена модернизация системы управления ускорителем с целью замены компьютера PDP-11 на IBM РС-286. Увеличенное быстродействие и наличие цветного графического монитора существенно улучшили интерфейс оператора ускорителя.

Для связи ускорителя и компьютера использовалась аппаратура в стандарте КАМАК. Информационная и конструктивная избыточность КАМАК-аппаратуры для данных целей побудила разработку одноплатного специализированного управляющего контроллера ускорителя. Разработанный контроллер обладает функционально полным набором узлов для сбора аналоговой и дискретной информации, ее первичной обработки и выдачи сигналов управления на ускоритель, а также осуществляет связь через последовательный порт RS-232 с управляющей ЭВМ IBM PC. Внедрение этого контроллера стало очередным этапом в развитии системы управления.

Выход ускорителей ИЛУ на рынок комплексов для стерилизации одноразовых изделий поставил новые задачи для системы управления. На "плечи" системы управления возложена задача слежения за качеством облучения продукции. Подпучковое оборудование представляет собой три конвейера и устройство загрузки конвейера. Управление всеми этими устройствами объединено в единую систему управления комплексом.

С появлением , более мощных компьютеров программное обеспечение управляющих комплексов было переписано на язык С с применением объектно-ориентированных возможностей системы LABWINDOWS. Это сильно упростило создание интерфейса и сделало его ещё более удобным в работе. Такой подход к программированию позволил сосредоточить все силы на улучшение алгоритмов управления ускорителем и остальным оборудованием на облучательных комплексах.

Дальнейшая модернизация управляющей системы произошла на комплексе на основе ускорителя в местной защите ИЛУ-8 в республике Корея. Этот комплекс состоит из двух функционально законченных сложных систем: ускоритель с устройством перемотки облучаемой трубки, изготовленные в ИЯФе, и изготовленная заказчиком система периферийного технологического оборудования. Система периферийного технологического оборудования управляется отдельным компьютером. С помощью простого обмена данными между двумя компьютерами создана система распределённого управления оборудования всего цеха. Это позволило сократить количество операторских рабочих мест во всём цехе до одного. При этом этот цех осуществляет облучение около половины всей термоусаживаемой трубки, производимой в республике Корея.

Следующим большим этапом в развитии системы управления стал автоматизированный комплекс на основе ускорителя ИЛУ-10 с системой поворотом пучка на 90 градусов для поставки в США для пастеризации пищевых продуктов. Осуществлено распределённое управление двумя ускорителями, двумя конвейерами и системой электрической и радиационной безопасности. Программа создана на Lab Windows 5.5 для ОС Windows. В связи с резко увеличившимся объёмом управляемого оборудования принято решение использовать два Блока управления (контроллера). Ускоритель интегрирован в единую систему радиационной и электрической безопасности. Переделана система УБС модулятора для удовлетворения норм безопасности США. Для объединения в систему управления цехом применён ethernet канал связи под управлением сервера для протокола ОРС (OLE for Process Control). Недостаток каналов ввода вывода компенсирован применением аппаратуры FieldPoint фирмы National Instruments.

Целью данной работы является создание единых автоматизированных комплексов на базе ускорителей типа ИЛУ для различных технологий, в том числе радиационно-технологический комплекс по облучению длинномерных изделий на базе ускорителя ИЛУ-8. Приведено описание аппаратных и программных средств таких комплексов.

Научная новизна работы состоит в следующем: Созданные системы программной стабилизации параметров ускорителя позволяют держать качество облучения продукта на стабильно высоком уровне.

Разработана система синхронизации тактовых импульсов ускорителя, позволяющая увеличить устойчивость работы ускорителя и продлить срок службы лампового триода ГИ-50.

Разработана система автоматизированного управления ускорителями серии ИЛУ.

Разработаны алгоритмы совместной работы ускорителей и подпучкового оборудования.

Впервые в России внедрена автоматизированная система управления комплексом по облучению одноразовых медицинских изделий.

Работы, положенные в основу диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на 9, 10 международных совещаниях по применению заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт-Петербург, 1998, 2001), на азиатской конференции по ускорителям частиц (АР АС) (Япония, 1998), на 10-ой международной встрече по радиационным процессам (США, Ананейм, 1997), на международной конференции по применению радиоизотопов и радиации в промышленности (1САШЭ) (Индия, Мумбай, 1998).

Актуальность темы: Расширение функций системы управления от управления ускорителем к управлению всем облучательным комплексом повышает производительность ускорителя и позволяет работать на ускорителе низко квалифицированному персоналу. Всё это повышает привлекательность наших ускорителей в условиях жёсткой конкуренции, сложившейся на мировом рынке промышленных ускорителей.

Основные результаты работы, представленные на защиту:

Созданы и работают в России и за рубежом около десяти облучательных комплексов, в том числе комплекс для облучения длиномерных изделий в местной радиационной защите на основе ускорителя ИЛУ-8.

Разработан одноплатный контроллер, позволивший полностью исключить аппаратуру КАМАК из системы автоматизированного управления.

Внедрена система синхронизации тактовых импульсов ускорителя ИЛУ-10, позволяющая работать ламповому триоду ГИ-50 с полной импульсной мощностью при пониженном токе накала.

Разработано программное обеспечение системы управления ускорителем, позволяющее объединить управление ускорителем и всеми системами в радиационном комплексе.

Внедрено в производство оперативное управление средним током ускорителя, позволяющее сохранять стабильную поглощенную дозу при разгоне или торможении подпучкового оборудования или управлять температурой облучаемого объекта в термо-радиационных проектах.

Практическая ценность.

Описываемые работы по созданию единых автоматизированных радиационно-технологических комплексов неоднократно использовались при контрактной поставке ускорителей типа ИЛУ. Ускорительный комплекс по стерилизации одноразовых медицинских изделий поставлен и успешно работает более 6 лет в г. Ижевске на ОАО "ПРИМ". Комплексы для облучения длинномерных изделий на базе ускорителя ИЛУ-8 многократно поставлялись и работают на выпуск реальной продукции. В 2001 году в США был поставлен ускоритель ИЛУ-10 для пастеризации пищевых продуктов пучком тормозного излучения энергией до 5 МэВ и мощностью пучка электронов до 50кВт. Управление этим ускорителем осуществляется единой системой управления всего оборудования в цехе. Результаты работы могут быть использованы при разработке или совершенствовании ускорителей и других электрофизических установок.

Расположение материала в диссертации представлено в следующем виде.

В первой главе представлено описание ускорителей типа ИЛУ, стандартных систем выпуска пучка и системы питания.

Вторая глава посвящена системе синхронизации импульсного источника питания ускорителя (модулятора). Описаны два способа синхронизации импульсов модулятора к фазе питающего напряжения. Обоснована необходимость введения переменного времени между импульсами тока ускорителя.

Третья глава содержит описание специализированного блока управления ускорителями. Приведена аргументация необходимости отказа от системы КАМАК в пользу одноплатного специализированного контроллера.

Четвёртая глава посвящена программному обеспечению системы управления ускорителями ИЛУ и радиационными комплексами.

В пятой главе описана система автоматического управления комплекса для стерилизации одноразовых медицинских изделий. Шестая глава посвящена комплексам по облучению кабелей и термоусаживаемых трубок.

11

В седьмой главе описывается система управления ускорителями ИЛУ 10 в составе комплекса для пастеризации пищевых продуктов.

В Заключении перечислены основные результаты работы.

В Приложении №1 приведён интерфейс обмена данными между управляющими системами комплекса по пастеризации пищевых изделий на основе ускорителей ИЛУ-10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Диссертационная работа посвящена разработке автоматизированных радиационно-технологических комплексов на базе ускорителей электронов типа ИЛУ. В диссертации рассматриваются основные составляющие таких комплексов и принципы их объединения в единый комплекс. Описаны преимущества работы единых комплексов и опыт их построения на территории у заказчика.

Ниже перечислены основные результаты работы и перспективы их развития:

Разработан одноплатный контроллер, позволивший полностью исключить аппаратуру КАМАК из системы автоматизированного управления. Работы по усовершенствованию контроллера ведутся непрерывно. Основные направления в совершенствовании контроллера: повышение точности измерений и возможность обработки импульсных сигналов. На основе обработки импульсных сигналов представляется возможным сделать алгоритм для автоматизированной тренировки ускорителя с минимизацией количества пробоев в резонаторе.

Разработана и внедрена система синхронизации тактовых импульсов ускорителя, позволяющая увеличить устойчивость работы ускорителя и продлить срок службы лампового триода ГИ-50.

Разработано программное обеспечение, позволяющее объединить управление ускорителем и всеми системами в радиационном комплексе. Разработка программного обеспечения носит непрерывный характер. Оно постоянно приспосабливается к требованиям новых заказчиков и новых технологических процессов.

Разработано и внедрено в производство оперативное управление средним током ускорителя, позволяющее сохранять стабильную поглощенную дозу при разгоне или торможении подпучкового оборудования или управлять температурой облучаемого объекта в термо-радиационных проектах.

Впервые в России разработана автоматизированная система управления комплекса по облучению одноразовых медицинских изделий.

Разработан и неоднократно поставлен заказчикам комплекс по облучению длинномерных изделий с четырёх сторон на основе ускорителя ИЛУ-8 с четырёхоконным выпускным устройством и специфическим перематывающим подпучковым устройством. Сейчас на основе этого комплекса разрабатывается аналогичный комплекс для облучения толстостенных изделий на основе ускорителя ИЛУ-10.

Комплекс работ по объединению оборудования для радиационной обработки вещества в единый автоматизированный комплекс способствовал повышению конкурентно-способности ускорителей типа ИЛУ и продаже около десяти ускорителей в Китай, Италию, США, Корею, Индию, Чехию и Россию. Результаты работы могут быть использованы при разработке или совершенствовании промышленных ускорителей и других электрофизических установок.

Автор считает, что данная работа была бы невозможна без направляющей поддержки руководителя Ауслендера Вадима Леонидовича, без консультаций и конструктивной критики Факторовича Бориса Лазаревича, Ромашко Николая Дмитриевича, Якутина Александра Михайловича, Кокина Евгения Николаевича,

1. Ауслендер В.Л., Лапик P.M., Тараленко Н.Д., Тувик A.A. Импульсный модулятор. ПТЭ, 1982, N2, с. 103-105.

2. Немытов П.И. Стабилизация и контроль основных параметров мощного электронного пучка промышленных ускорителей прямого действия. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, Новосибирск-1997г.

3. Тупиков B.C. Автоматизация малых физических установок на основе встраиваемых многофункциональных контроллеров, диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, Новосибирск 1999г .

4. Брязгин A.A., Факторович Б.Л. Контроллер для управления импульсным линейным ускорителем электронов. ПТЭ 1995, N 4.

5. Э.Э.Финкель, Г.И. Мещанов и др. Достижения и перспективы развития электронно-лучевых технологий в электроизоляционной и кабельной технике. Вестник " Радтех-евразия" N 1(9), Москва 1999г.

6. В.Л. Ауслендер, И.Г. Бочкарёв, А.П. Воронин "Радиационно-термические процессы в твёрдых неорганических системах." Вестник "РадТех-Евразия" N1(9) 1999 г.

7. Н.В. Алексеева, В.Л. Ауслендер, H.A. Горбунова, В.А. Горбунов "Применение электронного пучка вне вакуума для легирования кремния фосфором и бором." Вестник "РадТех-Евразия" N1(9) 1999г.

8. А.Ф. Вайсман, А.П. Воронин, О.С. Грибков и др. "Измерение температур в мощных пучках ускоренных электронов", Препринт ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1985.

9. М.В. Коллегов "Крейт контроллер СС-232" Препринт ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1994.

10. Bochkarev I.G., Boldyrev V.V. et al. Electron beam induced controlled reaction in solids. Solid State Ionics, vol. 101-103 (1997) pp. 489-493.

11. Auslender V.L., Polyakov V.A., Golnik A.G. et al. The installation for the single-use medical devises sterilization based on the electron accelerator type ILU. Radiat. Phys. Chem. Vol. 42, Nos 1-3, pp. 563-566, 1993.

12. V.L. Auslender, A.A. Bryazgin et al., Accelerators for E-beam and X-ray processing, Radiation Physics and Chemistry 63 (2002) 613-615

13. Бобыркин A.B. Липовецкий Г.П. и др. "Однокристальные микроЭВМ" М.: МИКАП, 1994.

14. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники. Москва "МИР" 1993г.