一种基于纳安级电流分辨的离子泵自适应控制方法与流程

本发明涉及离子泵，尤其涉及一种基于纳安级电流分辨的离子泵自适应控制方法。

背景技术：

1、离子泵（溅射离子泵）利用潘宁放电原理产生离子电流，该离子电流的幅值及变化趋势直接反映真空系统的压强状态及离子泵自身的工作状况，离子泵在工作过程中，控制器通常通过监测离子电流来实时评估系统真空度，并据此执行相应的控制和保护逻辑。现有离子泵控制器普遍通过将实时采集的电流与固定阈值的比较结果作为后续控制和保护的一个指标，例如，设定一个固定的过流保护阈值，当离子电流超过该阈值时，控制器即判断为异常放电，自动切断高压输出或触发降压保护。

2、然而，离子泵在启动瞬间，泵内残余气体及阴极表面吸附气体的解吸会导致瞬时放气，使得离子电流从纳安级背景噪声水平突然跃升至数微安甚至数十微安的水平，形成一个瞬态电流上升尖峰，这是离子泵正常启动过程中的正常现象。但是，对于采用固定阈值检测的离子泵控制器，其难以准确分辨正常启动放气引起的瞬态电流上升尖峰与因真空度突降或内部打火引起的异常电流上升尖峰，前者属于正常启动过程的固有现象，后者则属于需干预的异常工况。现有固定阈值法以同一标准对两者进行无差别判定，导致正常启动时的瞬态电流上升尖峰可能被误判为异常放电，导致控制器执行不必要的保护操作，这一问题在需要频繁启停离子泵的应用场景中尤为突出，比如粒子加速器和半导体镀膜设备中的离子泵。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于纳安级电流分辨的离子泵自适应控制方法，解决了现有采用固定阈值检测的离子泵控制器难以准确分辨正常启动放气引起的瞬态电流上升尖峰与因真空度突降或内部打火引起的异常电流上升尖峰，导致离子泵控制器容易出现误判的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种基于纳安级电流分辨的离子泵自适应控制方法，用于离子泵控制器的状态监测与控制，该方法具体包括如下步骤：

3、s1、实时采集离子泵的离子电流信号，以构建电流采样序列；

4、s2、设定以前一时刻采样点为终点的滑动窗口作为当前所对应的滑动窗口，并计算滑动窗口中各采样点的电流值的均值和标准差；

5、s3、根据当前滑动窗口所对应的电流值的均值和标准差，分别计算当前采样点的高动态阈值和低动态阈值；

6、s4、根据当前采样点离子泵的电流、前一采样点离子泵的电流、高动态阈值和低动态阈值生成当前时刻离子泵的状态标签；

7、若当前采样点离子泵的电流大于高动态阈值，且当前采样点相对于前一采样点离子泵的电流变化量大于标准差的预设倍数时，生成的标签为上升尖峰突变；

8、若当前采样点离子泵的电流小于低动态阈值，且当前采样点相对于前一采样点离子泵的电流变化量小于标准差的预设倍数的相反数时，生成的标签为下降阶跃突变；

9、若连续多个采样点内上升尖峰突变与下降阶跃突变交替出现的次数达到预设交替次数时，生成的标签为振荡异常。

10、s5、根据当前时刻离子泵的状态标签生成与其相对应的控制指令至高压电源模块，以调节其输出电压。

11、作为优选，在步骤s2中，所述滑动窗口的长度根据离子泵当前的工作电压确定，并当离子泵当前的工作电压在预设的额定工作电压区间内时，滑动窗口的长度在预设的窗口长度区间内与离子泵的工作电压呈负相关。

12、作为优选，在步骤s4中，所述上升尖峰突变的判别规则还包括：离子泵当前采样点的电流变化量相对于上一采样点的电流变化量的差值为正值。

13、作为优选，在步骤s4中，所述上升尖峰突变至少包含第一上升尖峰子类型和第二上升尖峰子类型；

14、当离子泵启动后的预设时间窗口内检测到上升尖峰突变时，判定为第一上升尖峰子类型，并在步骤s5中检测到当前采样点为第一上升尖峰子类型时，控制器保持高压电源模块的输出电压不变；

15、当离子泵启动后的预设时间窗口外检测到上升尖峰突变时，判定为第二上升尖峰子类型，并在步骤s5中检测到当前采样点为第二上升尖峰子类型时，控制器触发高压暂降保护，将输出电压降低至预设的保护电压值。

16、作为优选，在步骤s5中，当所述状态标签为振荡异常时，所述控制指令为控制高压电源模块依次按照下降阶段、保持阶段和恢复阶段的时序执行对应的控制措施；

17、下降阶段的控制措施为以预设的下降斜率将输出电压从当前电压降低至预设的保护电压，下降阶段的持续时间小于或者等于预设的下降时间阈值；

18、保持阶段的控制措施为维持输出电压以预设的保护电压持续运行预设的保持时长；

19、恢复阶段的控制措施为以预设的上升斜率将输出电压恢复至下降阶段开始时的输出电压，且上升时间处于预设的上升时间区间内。

20、作为优选，在步骤s3中，所述当前采样点的高动态阈值通过计算当前时刻滑动窗口所对应的电流值的标准差和一为正值的高动态阈值系数的乘积，并根据该乘积与该滑动窗口所对应的电流值的均值之和确定；

21、所述当前采样点的低动态阈值通过计算当前时刻滑动窗口所对应的电流值的标准差和一为正值的低动态阈值系数的乘积，并根据该滑动窗口所对应的电流值的均值与该乘积与之差确定。

22、作为优选，所述高动态阈值系数和低动态阈值系数根据在一个预设的统计周期内累计的假阳性事件次数和假阴性事件次数计算，其具体步骤为：

23、定义假阳性事件为：在生成的状态标签为上升尖峰突变或振荡异常的情况下，高压电源模块执行对应的控制指令后，离子电流在预设的评估时间窗口内未恢复至以滑动窗口均值为中心的电流安全区间内；

24、定义假阴性事件为：在生成的状态标签为正常的情况下，离子电流在预设的评估时间窗口内出现上升尖峰突变且持续时间达到预设的持续时间阈值；

25、统计在预设的统计周期内累计检测到的假阳性事件次数和假阴性事件次数，并分别计算二者占总检测次数的比例，得到假阳性率和假阴性率；

26、根据假阳性率和预设的假阳性率阈值，以及假阴性率和预设的假阴性率阈值，按照如下规则调整高动态阈值系数和低动态阈值系数以用于下一统计周期的计算：

27、若＞且＜，则判定为误报过多，则增大高动态阈值系数m；

28、若≤且＞，则判定为漏报过多，则减小高动态阈值系数；

29、若＞且＞，则判定为噪声与突变双重干扰，则增大高动态阈值系数和低动态阈值系数；

30、否则，高动态阈值系数和低动态阈值系数不变。

31、本发明还提供了一种离子泵自适应控制方法的系统，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现所述的离子泵自适应控制方法。

32、借由上述技术方案，本发明提供了一种基于纳安级电流分辨的离子泵自适应控制方法，至少具备以下有益效果：

33、1、本发明通过滑动窗口动态阈值与突变波形分类，能够准确区分离子泵正常启动放气引起的瞬态电流上升尖峰与异常放电尖峰，有效避免启动阶段因固定阈值误判而触发不必要的保护动作，确保离子泵顺利启辉，缩短启动时间。

34、2、本发明利用二阶差分加速度判别条件，有效滤除电磁干扰等非物理脉冲对上升尖峰检测的干扰，显著降低假阳性率；同时通过闭环统计反馈自动调整阈值系数，使检测灵敏度自适应匹配不同噪声工况，长期运行稳定性高。

35、3、本发明针对振荡异常设计“下降—保持—恢复”三阶段软保护时序，以可控斜率降压、维持低压消电离、缓慢升压恢复，避免了硬关断引起的电压冲击和二次打火风险，在抑制微放电的同时维持放电连续性，保护离子泵电极并提升系统可靠性。