稀土氧化物闪烁晶体提拉法自动控制系统设计

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1、稀土氧化物闪烁晶体提拉法自动控制系统设计　　摘要：高温晶体提拉炉具有非线性和大滞后的特点，采用常规PID控制难以实现有效控制。针对提拉法生长稀土氧化物闪烁晶体的生长过程，引入集散自动控制原理，设计由专家控制和自适应PID控制器相结合的自动控制系统。实验结果表明：该自动控制系统具有很高的控制精度和响应速度，成功生长出了直径80mm、长度200mm的Ce：YSO稀土氧化物闪烁晶体，晶体整体透明，内部无明显缺陷，闪烁特性良好，有望作为辐射探测材料使用。　　关键词：离散型；提拉法；自适应PID控制；专家控制；晶体生长　　DOI

2、DOI：10.11907/rjdk.162724　　中图分类号：TP319　　文献标识码：A文章编号：1672-7800（2016）012-0042-04　　0引言　　稀土闪烁晶体能够将高能射线或粒子转换为紫外或可见荧光脉冲，是核辐射探测的关键材料。在医学领域，闪烁晶体作为辐射探测材料主要应用于X射线计算机断层扫描成像（X-CT）、正电子发射断层成像（PET）等设备中，这类闪烁晶体具有高密度、高光输出、大的有效原子序数等优点。PET是目前核医学成像领域最为热门的研究方向，在PET应用中还要求闪烁晶体具有较短的衰减时间等

3、特性，其主要使用的稀土氧化物闪烁晶体有Lu2SiO5：Ce（LSO：Ce），LYSO：Ce等[1]。9　　人工生长晶体的方法很多，其中提拉法（Czochralski）最适合生长大直径、高质量的晶体，是目前最为常用的一种方法[2，3]。整个生长过程时间较长，使用手动生长不仅耗时低效，而且依赖经验，不能保证准确控制；整个过程处于高温环境中（～2000℃），温度波动影响较大。因此实现全自动晶体生长，并在每一阶段都进行精确的控制是生长出高质量晶体的关键。　　晶体生长过程具有非线性、大滞后的特点，应用常规PID控制器难以实现有效

4、控制。目前国内已采用模糊PID控制，仿真结果表明提高了传统PID的鲁棒性和适应性[4]，而工业生产中只是采用常规传统PID控制。本文采用自主研发的集散型晶体生长提拉炉以及专家自适应PID控制系统，精确且严格控制整个生长过程，成功生长出了80×200mm尺寸的YSO晶体，多项光学测试结果均表明晶体的闪烁性能良好，能够适用于探测器系统中。　　1晶体提拉炉　　自主研制的高温晶体提拉炉（见图1）创新性地采用了集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS），工作原理如图2所示，使控制模块和上位机电脑

5、在功能上相互独立，从而让晶体生长控制可以脱离上位机电脑软件正常进行，避免了上位机电脑故障带来的隐患，并且可通过一台上位机控制多个晶体炉，大大降低了人工管理和生产成本。生长过程进行完全自动化控制，整个控制系统由上位机、PLC（ProgrammableLogic9Controller，可编程控制器）、中频加热系统以及电机运动系统等组成。检测系统将中频系统的功率、晶体的实际重量等传送给PLC，PLC再将数据传送给上位机。在上位机中，将采集到的实际重量值与理论值生成器生成的晶体理论值进行比对分析，然后通过智能控制器输出量对中频

6、功率进行控制，实现晶体自动生长。同时，上位机将采集到的重量、中频功率等信息显示在操作界面中，便于实验人员实时监测。上位机软件部分包括实时显示、手动控制、自动控制、系统设置、数据监控等，操作界面如图3所示。　　2控制系统工作原理与设计　　2.1晶体生长数学建模　　在自动控制过程中为了对晶体的半径进行控制，必须通过建模得到晶体的理论重量和理论半径[5-8]。如图4所示，vp为提拉速度，α为晶体生长角，θ为弯月面切面和晶体切面的夹角，h为弯月面高度，vd为液面下降速度，ρ1为熔液密度，ρ2为晶体密度，r0为籽晶半径，r为生长

7、端晶体半径，R为坩埚半径。　　2.2自动控制算法9　　在数字PID控制器各环节的作用下：Kp为比例环节，反映重量偏差信号，一旦出现偏差控制机能够立刻作出反应，产生控制作用从而消除偏差。对于滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可满足控制要求，但由于晶体生长需要一段时间，因此有滞后性。Ki为积分环节，主要用于消除静态误差，积分主要针对比例控制、差值、振荡的特点提出改进，它常与比例一进行控制，也就是PI控制。使用PI控制后，如果存在静态误差，输出始终达不到设定值，这时积分项的误差累积值会越来越大，这个累积值乘上Ki后会

8、增大其在输出中的比重，使输出u（t）越来越大，最终达到消除静态误差的目的。Kd为微分环节，反映误差信号的变化趋势，并能在其过大之前，引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。　　根据反馈的重量差，调整中频加热系统需要的功率增量（见图5），所以采用数字增量式PID：　　其中，u（k）为输出增量、T为采样周期、