對(duì)物質(zhì)的最小粒子的科學(xué)研究對(duì)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 High Voltage Engineering Europe（HVE）主要開發(fā)和生產(chǎn)針對(duì)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(chǎng)產(chǎn)生。粒子加速器的一個(gè)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(cè)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(cè)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(duì)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(jì)也很不相同：直流線性粒子加速器有一個(gè)高壓電源，可以產(chǎn)生高達(dá) 6 萬伏的直流電壓。這個(gè)直流電壓在一個(gè)加速管中生成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)。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(gè)開口。加速管的中心是一個(gè)真空，且?guī)щ姷牧Ｗ油ㄟ^電場(chǎng)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(chǎng)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(gè) MV 的電壓。它們?cè)谶@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(yùn)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(zhǎng)。加速管位于一個(gè)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(gè)重要要求是，模擬量輸出必須是絕對(duì)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(tái)的要求。

通過 XFC 端子模塊集成測(cè)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(tái) — 一臺(tái) 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(duì)于 HVE，決定選用Beckhoff基于 PC 的控制系統(tǒng)的一個(gè)重要因數(shù)是組件的長(zhǎng)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(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(shí)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(duì)于 HVE 來說的其它好處包括將快速和精確的測(cè)量技術(shù)整合在控制平臺(tái)中，例如，用于測(cè)量時(shí)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(cè)量端子模塊能夠在很高的時(shí)間分辨率快速測(cè)量毫微安級(jí)的電流。這對(duì)于高電壓應(yīng)用來說是一個(gè)發(fā)人深省的發(fā)展，因?yàn)樗軌蚋_地測(cè)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(guó)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(gè)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。