摘要：對物質(zhì)的最小粒子的科學(xué)研究對研究世界各地的許多領(lǐng)域來說是至關(guān)重要的。

1.引言

對物質(zhì)的最小粒子的科學(xué)研究對研究世界各地的許多領(lǐng)域來說是至關(guān)重要的。納米技術(shù)和半導(dǎo)體行業(yè)也支持并使用粒子研究成果?？偛课挥诤商m阿默斯福特的科學(xué)公司HighVoltageEngineeringEurope（HVE）主要開發(fā)和生產(chǎn)針對大學(xué)和在半導(dǎo)體行業(yè)的各種研究應(yīng)用的粒子加速器。通過使用Beckhoff的EtherCAT控制元件，HVE目前正在開拓新的粒子加速器技術(shù)。

在粒子加速器中，帶正電或帶負(fù)電的粒子或放射性同位素被帶到較高的能量水平，加速器中所產(chǎn)生的速度接近光速。加速度通過非常強(qiáng)的電場產(chǎn)生。粒子加速器的一個熟悉的應(yīng)用實(shí)例是加速器質(zhì)譜，其中材料樣品的年齡用C14法（放射性碳定年法）測定。利用放射性同位素C14（放射性核素）的衰變特性能夠準(zhǔn)確地測定一些古代生物的年齡或年代。HVE粒子加速器的其它應(yīng)用領(lǐng)域包括通過仿真研究太陽風(fēng)和宇宙輻射對太空旅行中用到的電子元器件的影響，并分析半導(dǎo)體芯片的表面結(jié)構(gòu)。

HighVoltageEngineering公司建造的粒子加速器是直流線性加速器。它們與位于瑞士的歐洲核子研究中心（CERN）研發(fā)出來的圓形加速器的不同之處在于：它們不僅在尺寸上要小得多，而且它們的設(shè)計(jì)也很不相同：直流線性粒子加速器有一個高壓電源，可以產(chǎn)生高達(dá)6萬伏的直流電壓。這個直流電壓在一個加速管中生成一個強(qiáng)電場。加速管由圓形鈦電極制成，電極通過絕緣體隔開，在中間有一個開口。加速管的中心是一個真空，且?guī)щ姷牧Ｗ油ㄟ^電場沿這加速管的軸線加速。

HVE的直流線性加速器可用作Singletron或Tandetron模型。在Singletron中，幾百萬伏（MV）的直流電壓被施加到離子源。電場將帶電粒子從離子源向著接地電位加速。在Tandetron中，離子源在接地電位中，即反粒子向著Tandetron終端加速，在這里施加幾個MV的電壓。它們在這里再充電變成正粒子，以使得它們能夠第二次加速—這次是從終端到接地電位。如圖1、2所示。

一般來說，能量越高，加速管就必須越長。加速管位于一個充滿絕緣氣體的大型金屬罐中，以確保高電壓在控制之下。HVE的粒子加速器的長度在3米到25米之間。

2.傾向選擇EtherCAT的原因：更高的速度、更大的帶寬、更好的穩(wěn)定性

HVE目前正在開發(fā)一款新的2MVSingletron粒子加速器，其中EtherCAT首次用作總線系統(tǒng)。直到最近，HVE一直使用的都是CAN總線系統(tǒng)；CAN協(xié)議無法提供所需的高速度，且設(shè)備供應(yīng)商不再對傳統(tǒng)總線技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行開發(fā)，這些都促使他們轉(zhuǎn)向使用EtherCAT。

HVE進(jìn)行了初步研究，對工業(yè)以太網(wǎng)當(dāng)前可用的協(xié)議進(jìn)行了比較。決定選用EtherCAT的主要原因是因?yàn)樗哂休^高的帶寬、靈活性、可擴(kuò)展性、模塊化和穩(wěn)定性。HVE的一個重要要求是，模擬量輸出必須是絕對穩(wěn)定且可重復(fù)的，數(shù)據(jù)流中沒有任何漂移。

由于可用的BeckhoffI/O端子模塊的模塊性和多樣性，EtherCAT還滿足了精確擴(kuò)展控制平臺的要求。

3.通過XFC端子模塊集成測量技術(shù)

在2MVSingletron中，HVE采用了Beckhoff裝有TwinCATPLC軟件的集成式控制平臺——一臺C6920控制柜式工業(yè)PC、用作通信系統(tǒng)的EtherCAT和EtherCATI/O組件。對于HVE，決定選用Beckhoff基于PC的控制系統(tǒng)的一個重要因數(shù)是組件的長期可供貨性及其與舊有技術(shù)的向后兼容性。從HVE的角度來看，新一代TwinCAT3軟件還帶來了大量工程效益。例如，編程無需單獨(dú)的編輯器，并支持C++和C編程語言。C代碼使得控制系統(tǒng)能夠在編程過程中實(shí)時運(yùn)行。Matlab®/Simulink®的集成使得在Matlab®/Simulink®中建模仿真的系統(tǒng)可以直接生成相應(yīng)的代碼，并在TwinCAT環(huán)境下運(yùn)行。

對于HVE來說的其它好處包括將快速和精確的測量技術(shù)整合在控制平臺中，例如，用于測量時間方向上的離子束輪廓?；贐eckhoff的XFC極速控制技術(shù)的特殊EtherCAT測量端子模塊能夠在很高的時間分辨率快速測量毫微安級的電流。這對于高電壓應(yīng)用來說是一個發(fā)人深省的發(fā)展，因?yàn)樗軌蚋_地測量粒子加速器中的離子束形狀。

4.HighVoltageEngineering（HVE）

公司成立于1959年，總部位于荷蘭阿默斯福特。該公司由美國著名核物理學(xué)家范德格拉夫——他發(fā)明了范德格拉夫起電機(jī)（以他的名字命名）創(chuàng)辦。自2005年起，HVE成為了一個獨(dú)立的荷蘭公司。它目前擁有大約80名員工，其中工程師數(shù)目較多。