HIRFL-CSR束流位置监测系统的前端电子学研究

国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)已经建成，在CSR调试过程中各系统均要保证加速器稳定运行，而束流诊断系统的稳定可靠运行对顺利完成调试任务具有重要意义。系统可测得束流的能量、强度、位置、相位、剖面和发射度等参数。对这些参数的准确测量是实现CSR稳定运行和各部分之间匹配的必要手段。而束流参数一般都是通过采集可由计算机处理的电信号，并经过合理的分析得到的。因此对前端电子学系统的研究必不可少。本论文将围绕HIRFL-CSR束流诊断系统的子系统——束流位置监测系统的前端电子学设计来展开。由于我所冷却储存环的束流强度弱（最低100nA），现场的噪声和干扰较大，束流监测系统探测单元的输出信号很容易被噪声淹没，所以设计一个合适的前端电子学电路十分必要，而且需要采用一些特殊的微弱信号检测方法。通过对微弱信号检测方法的研究和学习，我们先后采用了两种处理方法，对淹没于噪声中的微弱信号幅值进行检测。第一种方法是基于宽带放大和峰值保持电路来完成对信号峰值的检测；第二种方法是基于外差式技术与锁定放大方法来实现信号峰值的检测。本论文对这两种处理方法和所涉及到的电子学电路原理进行了详细的阐述。论文的主要内容如下：第一章主要针对课题的研究背景来展开。简单介绍了HIRFL-CSR工程，及其束流诊断系统，最后结合束流诊断系统的子系统—束流位置检测系统的前端电子学电路，提出了微弱信号检测方法。第二章介绍了微弱信号检测技术，重点分析了噪声的种类和抑制噪声的处理方法。第三章对我们在束流位置检测系统的前端电子学电路中，采用的第一种处理方法—基于宽带方式的处理方法，作了详细的介绍。主要包括下面几个单元电路： 高阻输入形式和低阻输入形式的低噪声宽带放大器、高速窄脉冲信号峰值保持电路，慢前沿信号峰值保持电路。第四章对我们在束流位置检测系统的前端电子学电路中，采用的第二种处理方法—基于窄带方式的处理方法，作了详细的介绍。重点分析了外差式锁定放大电路中的频率合成器、频谱搬移电路和低通滤波电路。第五章围绕巴特沃思型滤波器的设计展开。主要介绍了低通、高通和带通三种滤波器的理论计算，并作了相应的功能仿真。第六章针对我们涉及到的所有电路的PCB设计，作了相关的分析和总结。第七章对外差式锁定放大电路的实验室参数测试方法、步骤和偏差分析作了详细的介绍。第八章对总结回顾了几年来科研学习所取得的阶段性成果，并对今后的工作方向做了一个简单的计划