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。總部位于荷蘭阿默斯福特的科學(xué)公司 High Voltage Engineering Europe(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(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)。
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(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(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5 MV Tandetron粒子加速器的金屬罐，可高達(dá)500萬伏
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(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的主要原因是因為它具有較高的帶寬、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Beckhoff I/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。
通過 XFC 端子模塊集成測量技術(shù)
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(shù)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(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。基于Beckhoff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。
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(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。
