摘要：對物質(zhì)的最小粒子的科學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HighVoltageEngineeringEurope（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(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(yīng)用實例是加速器質(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(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。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)進一步進行開發(fā)，這些都促使他們轉(zhuǎn)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BeckhoffI/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。

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(yīng)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(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，因為它能夠更精確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。