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    對物質的最小粒子的科學研究對研究世界各地的許多領域來說是至關重要的。納米技術和半導體行業(yè)也支持并使用粒子研究成果。總部位于荷蘭阿默斯福特的科學公司 High Voltage Engineering Europe（HVE）主要開發(fā)和生產(chǎn)針對大學和在半導體行業(yè)的各種研究應用的粒子加速器。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。

    在粒子加速器中，帶正電或帶負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。加速度通過非常強的電場產(chǎn)生。粒子加速器的一個熟悉的應用實例是加速器質譜，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用領域包括通過仿真研究太陽風和宇宙輻射對太空旅行中用到的電子元器件的影響，并分析半導體芯片的表面結構。

    High Voltage Engineering 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，而且它們的設計也很不相同：直流線性粒子加速器有一個高壓電源，可以產(chǎn)生高達 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。

離子源在運行：用于離子源的電壓可高達500萬伏

5 MV Tandetron粒子加速器的金屬罐，帶絕緣氣體與加速管

 

      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。

    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 2 MV Singletron 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，且設備供應商不再對傳統(tǒng)總線技術進一步進行開發(fā)，這些都促使他們轉向使用 EtherCAT。

    HVE 進行了初步研究，對工業(yè)以太網(wǎng)當前可用的協(xié)議進行了比較。決定選用EtherCAT的主要原因是因為它具有較高的帶寬、靈活性、可擴展性、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)定且可重復的，數(shù)據(jù)流中沒有任何漂移。

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

    通過 XFC 端子模塊集成測量技術

    在 2 MV Singletron中，HVE 采用了Beckhoff裝有TwinCAT PLC 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EtherCAT I/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的向后兼容性。從 HVE 的角度來看，新一代TwinCAT 3 軟件還帶來了大量工程效益。例如，編程無需單獨的編輯器，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時運行。Matlab®/Simulink®的集成使得在Matlab®/Simulink®中建模仿真的系統(tǒng)可以直接生成相應的代碼，并在TwinCAT環(huán)境下運行。

    對于 HVE 來說的其它好處包括將快速和精確的測量技術整合在控制平臺中，例如，用于測量時間方向上的離子束輪廓。基于Beckhoff的 XFC 極速控制技術的特殊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。這對于高電壓應用來說是一個發(fā)人深省的發(fā)展，因為它能夠更精確地測量粒子加速器中的離子束形狀。

    High Voltage Engineering（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家范德格拉夫 — 他發(fā)明了范德格拉夫起電機（以他的名字命名）— 創(chuàng)辦。自 2005 年起，HVE 成為了一個獨立的荷蘭公司。它目前擁有大約 80 名員工，其中工程師數(shù)目較多。

    更多信息: http://www.beckhoff.com.cn/cn/applicat/default.htm