CSR真空控制系统的研究

本论文主要解决CSR真空系统的控制实现与连锁保护问题。 HIRFL-CSR（Heavy Ion Research Facility at LanZhou-Cooling Storage Ring兰州重离子冷却储存环）是国家重大科学工程。为了保证CSR正常运行，超高真空系统的平均真空度必须达到6×10-9Pa，超高的真空度来之不易，CSR上任何一处真空设备发生故障，就会破坏真空度，所以CSR必须具有响应速度快、安全可靠，稳定性好的真空控制与连锁保护系统。 HIRFL-CSR真空设备有离子泵电源、分子泵、钛升华泵、阀门、真空计等。分子泵只在粗抽时使用，钛升华泵为间歇升华，因此不需要监控。需要显示和控制的设备为离子泵电源、真空计和真空阀门。通过对CSR上每个真空计的真空度数据的监测和真空阀门状态的采集，一旦真空度降低到一定阈值，立即关闭相应位置阀门（保护真空）,并给出故障报警，从而实现真空系统的连锁保护。 真空控制系统以嵌入式处理器ARM、复杂可编程逻辑器件CPLD和微控制器MSP430为核心，实现了远程数据采集、数据显示和自动控制等功能。本系统可以进行现场监控与调试，也可以通过集成的100Mbps以太网接口电路进行远程监测与控制，CSR上各处真空度和真空阀门状态自动传送到中央控制中心，中控中心也可以发送命令查询当前真空设备状态和各种读数。 本文主要介绍了基于ARM、CPLD和MSP430的嵌入式真空控制系统的设计与实现。内容主要包括(1)系统各部分硬件电路设计与真空控制功能实现 ，硬件系统调试 。(2)嵌入式uClinux操作系统构建和在其上进行的应用程序，设备驱动程序，串行通信程序的开发。（3）CPLD的VHDL程序和MSP430的C430程序设计。 本文目的是解决CSR真空控制系统问题，但对于许多远程数据采集与控制等问题的解决有重要参考价值

CSR电源调节器硬件平台设计

HIRFL-CSR（Heavy Ion Research Facility at LanZhou-Cooling Storage Ring兰州重离子冷却储存环）是国家重大科学工程，其控制系统是一个庞大的系统，由许多分控制系统组成，磁场电源控制系统是CSR控制系统中很重要的一部分。加速器运行的所有过程都为电源所控制，所以我们的控制系统的直接控制对象就是磁场电源。为了保证CSR正常运行，控制过程波形的跟踪精度、速度和稳定度，是数字电源调节器的关键所在。电源控制系统以嵌入式处理器ARM、现场可编程门阵列FPGA为核心，实现了远程数据采集、网络通讯和自动控制等功能。本系统可以进行现场监控与调试，也可以通过集成的100Mbps以太网接口电路进行远程监测与控制，CSR上各处输出电压值和电源运行状态自动传送到中央控制中心，中控中心也可以发送命令查询当前电源设备状态和各种读数。本文主要介绍了基于ARM和FPGA的嵌入式电源控制系统的设计与实现。内容主要包括：(1)系统各部分硬件电路设计与电源控制功能实现 ，硬件系统调试 。(2)装载嵌入式Linux操作系统，测试平台接口信号，通过FPGA生成多路数字PWM波形。本文目的是解决CSR电源控制系统问题，但对于许多远程数据采集与控制等问题的解决有重要参考价值

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

CSR实验探测装置前端电子学的研究

随着国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR）的建成， HIRFL－CSR实验探测装置也在建设中。它主要由CSR外靶实验装置和CSRe上的配套实验装置组成，具有高通道数，高探测效率，高能量分辨，高时间分辨和高位置分辨等特点；将实现奇异核性质及奇异核反应研究，核物质的同位旋效应研究等物理目标。如此先进的大型实验探测系统对前端电子学提出了高密度、高集成度，低功耗和良好的长期稳定性等多方面的严格要求，传统的插件化的NIM 和CAMAC 电子学对此已无能为力，因此建造与之相配的读出电子学和数据获取系统成为一个重要的课题和任务。基于这个出发点，论文从发展髙性能多路小型化前端电路和基于先进ASIC芯片的前端电子学系统两个方面进行研究，讨论了我们在这两种电路研究方面采用的新思路和新方法。论文在发展髙性能多路小型化前端电路方面，阐述了一种用于时间分析的宽带放大电路的设计与实现。电路采用超低噪声的集成运放，解决了如何降低噪声的问题；同时引入2阶贝塞尔滤波器加反向求和电路，有效抑制直流漂移，使快放具有良好的直流稳定性和增益稳定性。基于先进ASIC芯片的前端电子学系统的研究是论文的重点。它着重解决了近代核与粒子物理实验中越来越突出的多路多道需求和高性能指标要求。论文首先介绍了一种处于国际先进水平的ASIC芯片的内部结构；随后详细论述了系统的硬件设计和软件开发；最后对系统进行了调试和性能分析。实验室调试结果说明系统已能够适应物理实验的要求，并为最终建立一个完整的满足性能要求的前端电子学系统打下了坚实的基础

CSR数字高频分析系统的同步采样器HDL设计

本文主要阐述了CSR数字高频分析系统的同步采样器的研究、设计和实现，该分析系统是基于软件无线电技术构建的。 本文的创新点主要在于提出了一种很好的正交同步欠采样方法，这种基于软件无线电原理的I、Q两路正交同步的采样方法，主要利用了平方律部件、一阶环路滤波器和NCO来对I、Q两路采样触发脉冲上升沿的时间差进行闭环控制，从而实现对高频信号的数据采集和处理。这种方法降低了对AD芯片采样速率要求，同时也为后续的基带信号处理提供了方便。 在整个同步采样系统的实现过程中我采用了功能强大的Matlab7.0作为通信算法的仿真平台，选用了AD6645、StratixIIEP2S60和DSP6416作为主要的硬件平台，并在SynaptiCAD和ModelSim中做出了FPGA的HDL程序设计及波形实现

CSR控制系统的大规模多级分布式数据交互系统

CSR控制系统是一个庞大的网络分布式控制系统,它是由许多子系统组成。大规模多级分布式数据交互系统是CSR控制系统中的核心。它是实现CSR束流多能量级连调的核心，它涉及整个CSR控制系统的数据传输以及数据结构定义。大规模多级分布式数据交互系统的开发是基于螺旋模型，采用螺旋模型进行开发能最优实现CSR控制系统的需求以及各开发阶段具有很大的设计灵活性。该大规模多级分布式数据交互系统完全实现了采集数据的上行和控制数据的下行，系统通过网页实现对控制数据的录入以及对采集数据的实时显示。CSR所有数据都存储于Oracle数据库系统，数据库系统是一个三级分布式数据库系统，这样能均衡各前端服务器的资源与性能。前端服务器COM组件通过TCP/IP与ARM控制器和多功能控制器进行数据上行下行的数据交互，以及通过PCI 接口实现与各FPGA板卡进行数据交互。 论文论述了对大规模多级分布式数据交互系统、网页系统、Oracle数据库系统、COM组件库、PCI驱动程序以及各软件系统的设计实现。对大规模多级分布式数据交互系统主要从系统的结构、各级硬件设计和各级软件系统的设计这几个方面进行论述；网页系统主要描述了该系统是基于MVC框架模型的开发设计并介绍了JavaBean与Oracle数据库系统的数据交互；Oracle数据库系统主要从二级Oracle数据库的自动实时更新，和各触发器系统这几方面进行论述；又从各COM接口的功能方法进行对COM组件库的全面论述；PCI驱动程序的设计开发是与各FPGA板卡的数据交互的必须条件。大规模多级分布式数据交互系统的软件开发都采用了螺旋模型对其进行开发。本文的工作是CSR控制系统中的核心部分，具有重要的意义，同时也给同行研究工作者提供了重要的参考。 本文核心及创新点：1、创造性地提出了大规模多级分布式数据交互系统软件工程。2、三级分布式数据库系统的自动实时更新。3、采用web+Oracle+COM+PCI+ARM+FPGA+DSP的多级数据传输。4、设计并实现虚拟加速器。 从现场调试运行和验收的情况来看，大规模多级分布式数据交互系统不论从结构设计，还是软硬件设计开发都达到了设计要求

CSR事例同步系统

CSR控制系统是一个大型的基于Web的多层分布式控制系统，整个控制系统要在事例同步系统的指挥下在合适的时间作合适的事。CSR事例同步系统是CSR控制系统的最高指令单元和定时单元，它是加速器运行的基础和核心。我们自主设计研发的CSR事例同步系统是以事例为核心的末端定时同步系统。事例由同步服务器发出，被设备控制执行系统接收，相关数据信息被存储在数据库中。依据物理实验要求，编排好运行周期事例序列，事例间的时间间隔经过严格测算，同时所有设备控制执行系统建立本地事例表和对应的延时值。当周期启动的事例被发出，所有系统进行时间校准，将各自的频率和相位调整到所需要的位置。随后这个事例序列被同步服务器依次发出，设备控制执行系统在事例指令到来时解译事例编码，如果事例符合，则在符合事例对应的延时时间后开始执行事例编码指定的动作。在运行周期内，同步服务器只发事例序列，不接受任何反馈。数据和信号沿数据上行树和数据下行树在数据库系统和设备控制执行系统间传输。系统同步运行过程被精确到纳秒级，从而实现CSR的同步控制。本文对事例同步系统的总体结构和具体实现作了详细论述，详细分析了CSR周期，重点介绍了同步服务器的工作原理和实现方法。对事例同步系统的事例产生、事例发射、事例接收、事例解译和IOC等各重要部件的原理及软硬件设计做了系统论述，并给出现场及试验平台的测试结果。同时给出了几个CSR事例同步系统的成功应用实例。通过现场测试与分析，本系统完全能够满足HIRFL-CSR大科学工程对同步控制系统的要求。本文的创新点主要有，在加速器控制领域：（1）利用高速FPGA数字技术实现事例同步系统的核心模块；（2）采用先进的ARM+DSP+FPGA的嵌入式控制方式实现了事例同步IOC

CSR-RIBLLII终端探测器中子墙电源控制系统的研制

中子墙是CSR-RIBLL II终端最重要的探测器,用来探测实验产物中的中子物质,中子墙选用504个光电倍增管做信号的读出。光电倍增管的工作状态对整个中子墙的探测效率影响很大，近代物理研究所研制的中子墙高压电源控制系统是与中子墙配套的。它采用集散式控制，为光电倍增管提供稳定的工作高压，同时监测光电倍增管工作过程中，高压的电压和电流状态，形成一个闭环的系统。本系统在节省成本，提供高压稳定性，方便操作上都有一定的优势。本文全面论述了一个基于半双工RS-485总线集散式控制系统的设计；根据中子墙高压电源控制系统需求出发，阐明了控制系统的开发背景、基本结构的建立、硬件设计方案和软件的实现。 本论文主要分为六部分：第一部分介绍了CSR－RIBLL II以及中子墙的结构和主要性能，第二部分介绍了光电倍增管和高压组件的基础知识，以及中子墙所有的光电倍增管和高压组件的主要参数，第三部分介绍了本控制系统的总体结构，第四到第六部分详细介绍了控制系统的本地控制单元的软件和硬件设计以及远程控制单元的实现

CSR闭轨测量系统的建立

本文给出用于CSR系统的闭轨测量系统，内容包括shoe-box类型的位置探针介绍、宽带信号处理系统介绍、实验室刻度结果和在线测试结果。论文首先介绍了基于不同工作原理的几种位置探针和信号处理方式，探针包括容式探针、感式探针、条带型探针和wave-guide类型。考虑到CSR系统的实际情况，确定CSR系统的闭轨测量系统选用容式探针以及宽带信号处理系统。比较常用的几种容式探针的性能，可以看出linear-cut类型的shoe-box位置探针在灵敏度和线性方面较为理想，因此选定shoe-box位置探针作为CSR系统的位置探针。电子学系统采用分路信号处理，信号通过宽带低噪声放大器放大之后直接使用采样率为60MS/s的采样卡采样，数字信号的处理使用软件作离线处理，方便灵活且各种功能容易扩展。接下来给出了实验室标定和在线测量的结果。实验室测试结果表明，在实验室噪声水平下，在整个CSR系统束流回旋频率范围内，由于频率的不同对位置测量带来的误差小于40μm；而由于信号强度变化带来的误差小于20μm；在固定频率条件下系统的分辨率好于20μm。在线测量结果表明，系统的分辨率好于20μm；系统除了能够实现闭轨测量以外，还可以实现对束团的监测、tune值的测量以及频率分散的测量。在此基础之上的其他工作，比如闭轨反馈控制系统、逐束团位置测量以及束团中心的横向相空间测量正在进行之中。最后，论文介绍了作者在博士论文期间所作的其他一些工作，包括束运线上的环形位置探针、CSR系统中的单丝剖面测量系统以及HIRFL浅层肿瘤治疗系统中的束诊控制系统

CSR束流快引出控制系统研究与实现

HIRFL—CSR（兰州重离子冷却储存环）控制系统由许多子控制系统组成，磁场电源控制系统是其重要的组成部分。为实现将加速后的束流引出到实验环和外靶实验终端，需要设计一套完善的束流快引出电源控制系统。我们利用自行研制的高实时性DSP控制器，并结合先进的ARM嵌入式网络技术，构建了一个基于以太网技术的分布式电源控制系统。对于整个控制系统，本文从分布式系统总体结构，I/O部件硬件构成和软件系统编程，同步时序系统的原理与具体实现等多个方面进行论述，最后给出在试验平台和现场的测试结果。通过现场测试与分析，本系统完全满足了HIRFL-CSR大科学工程对控制系统的要求。本控制系统的技术难点为：对束团位置的精确定位和对分布式控制系统中各I/O部件的操作同步。主要技术创新有：在加速器控制领域采用先进的ARM+DSP的嵌入式控制方式；利用高速FPGA数字技术实现Kicker的定时触发

HIRFL-CSR高压静电偏转板放电机理的研究

高压静电偏转板是HIRFL-CSR各级加速器注入引出系统的关键器件，对HIRFL-CSR的运行效率起着重要的作用。本文首先对HIRFL-CSR的几块静电偏转板做了一个简单的介绍，然后通过阅读有关资料，在得到一系列可靠数据的基础上，对静电偏转板的放电机理和优化措施进行了归纳和探讨。 本文重点对SFC引出偏转板的高压放电机理和优化进行了深入的研究。利用CST软件进行的电磁场计算表明：在电场和磁场的共同作用下，盖板损伤的发生部位与实际运行中的打火痕迹完全符合。依据相关理论和计算分析，得到了SFC引出偏转板的放电机理。该放电机理可以很合理的解释各实验现象，并将为SFC引出偏转板的改进提供明确的理论依据。 借鉴前人的经验，本文对SFC引出偏转板的改进进行了研究，这包括电场的优化、偏转板各部分的材料选择和表面处理以及盖板结构的改进。依据相关研究和计算分析，这些改进方案的实施可有效地提高SFC引出偏转板的耐压性能

CSR运行数据组织软件系统

CSR运行数据组织软件系统是CSR工程控制系统的重要组成部分，它是CSR同步控制系统的最上层，是CSR调束中统领整个CSR运行的核心系统，负责对CSR运行设备的数据进行组织和管理、对同步事例进行组织和调度，从而实现对其同步控制。本系统是建立在各个子系统硬件同步基础之上的，通过使用数据组织软件来使这些具有同步功能的各个子系统的硬件按照调速研究人员的思路同步协调地运行。本文主要解决了CSR控制工程中CSR运行数据组织软件系统的设计和实现问题，软件实现方案有两种：第一种是运行在本机的文件数据库和Windows客户；第二种是运行在网络上的Oracle数据库和Web客户。这两种解决方案都是建立在数据库和网络技术上的。同时，数据库的实时性与可靠性也是建立在网络技术基础之上的。文本的创新点：通过数据预先计算、分发技术、同步事例组织技术，降低了实时性对CSR控制系统，特别是对高速以太网的要求，并实现了具有精确定时的控制和监测硬件的同步触发，使得CSR控制系统完全能够满足控制和监测的实时性要求。CSR运行数据组织软件的可靠性是通过TCP/IP网络协议技术以及控制硬件的内置软件的可靠性来保证的

电容式束流位置探测器在HIRFL-CSR电子冷却实验中的应用

高效率的电子冷却过程，要求电子束与离子束相互平行，要求电子束与离子束同轴。为了同时测量电子束与离子束的相对位置和夹角，考虑了容式、感式、条带型束流位置探针特点以及电子冷却段实际情况，在HIRFL-CSR电子冷却装置上建立了以容性圆筒形极板为感应电极、NI公司PXI-5105高精度数字化仪为数据采集设备、PET公司P/N AM-4A-000110-11030N型宽带放大器为信号处理电路的束流位置测量系统。通过测量束流通过探针时在极板上产生的脉冲信号，对其进行傅立叶变换得到频谱信号，分析四个不同电极上的频谱信号强度获取束流的位置信息。同时，为了调整电子束与离子束的相对位置和夹角，建立了一套以ADLINK公司的PCI-9113和PCI-6216数据卡为主，针对电子冷却装置中各螺线管电源、静电偏转板电源、校正线圈电源的控制系统，完成了校正线圈、静电偏转板以及螺线管对电子束位置的偏移、扫描，实现了电子束的位置、角度调整。 通过使用位置测量系统、电子束位置调整系统获得了校正线圈、螺线管、静电偏转板对电子束的位置偏移能力以及电子束的流强、电流密度分布、径向尺寸、绝热展开因子对束流位置的影响。在冷却累积过程中进行了改变电子束与离子束相对位置、夹角的实验，观察到了冷却力和离子束流强随相对位置、夹角的变化趋势，进而优化相对位置和夹角，实现高冷却效率。 根据实验数据分析了位置测量系统的系统误差来源和精度，提出了今后提高束流位置测量系统、调整系统稳定性、精确性而需要进行的工作；在此基础上使用测量系统、调整系统进行了电子束、离子束相对位置和角度对冷却效果的影响等电子冷却相关实验工作

CSR实验环高频系统的研制

本文对兰州重离子加速器冷却储存实验环（CSRe）高频系统的研制进行了全面的研究，在首先说明整个冷却储存环物理要求的基础上，提出了CSR实验环对高频系统的物理及参数要求。 CSR实验环高频系统是一套具有较高技术指标和特殊要求的非标复杂设备，除腔体的部分结构以及稳定系统原理参考由近物所与俄罗斯联合设计并由俄罗斯制造的CSR主环高频系统，可以说是国内第一台独立设计、自主研发的重离子同步加速器高频系统，它不仅能在脉冲扫频模式工作，而且能在点频连续波模式工作。论文对CSRe高频同轴谐振腔从理论计算进行了详细的推导，并引入了计算机软件仿真结果对理论推导进行验证，最后在腔体研制加工完成后，将腔体冷态实测结果与理论计算及软件仿真进行了比对，对腔体理论设计的正确性进行了进一步的验证。此外还对整个高频腔体的工艺设计和加工做了较为详细的描述。本文还详细论述了CSRe高频功率源的设计思路与原理，并对整个功率源进行了工程计算与推导，特别针对这种阻抗变化的腔体为负载的功率源的电子管各级工作状态进行了计算与参数选择。最后对四个点频下的高频电压、频率精度和相位失谐量进行了测量，还对特殊的扫频脉冲调制下的电压、相位失谐进行了测量。通过测试结果对系统的设计与研制进行了分析与总结

HIRFL-CSR系统中主环外靶实验装置中中子墙的设计与研制

中子墙是HIRFL-CSRm加速器系统CSRm外靶实验装置中的关键设备，采用飞行时间法探测中子物质。为满足物理目标的要求，中子墙要对中子有高的探测效率(>90% @ 1 GeV)和好的能量分辨（δE/E<5%）。基于Geant4模拟计算，中子墙被设计为由36闪烁体单元和216量能器单元构成，所有单元分14层，每层18个单元，相邻层垂直排列。闪烁体单元尺寸分为1500(长)×80(宽)×80(厚) mm3，量能器单元为1500×80×70 mm3。其中量能器单元由5层10 mm厚和4层4 mm厚的钢板及2层2 mm厚钢板(最外两层)相间组成，5层晶体耦合到一个光导。信号从单元两端由滨松公司生产的R7724光倍管读出。在探测单元的研制中，重点研究了晶体包装材料、晶体与光导以及光导与光电倍增管间的光学耦合等关键问题。利用宇宙射线对模型单元进行了测试，研制的闪烁体单元和量能器单元平均时间分辨()分别好于80ps和100ps。建立了中子墙单元模拟程序，模拟了宇宙射线粒子入射到探测器单元中光子产生、传播以及光倍管对光子的响应和信号处理的全过程，模拟结果与测试结果有较好符合。基于此，进一步模拟了单元对中子入射的响应，估算了中子墙对不同能量中子的探测效率（>90% @ 1 GeV）和能量分辨（δE/E<5%）。为提高在中子墙建造过程中对所组装的探测单元进行检验和测试的效率，建立了多单元同时测试的宇宙线测试平台。基于此平台，不仅可以测量光输出和时间分辨，还可以得到被测单元的光传输衰减长度。建立了一套光学刻度系统，用于中子墙实验运行中的刻度和工作状态监测。本论文工作确保了中子墙建成后将达到设计指标、满足实验要求，论文工作中积累的经验和获得的知识为中子墙的制造完成以及运行奠定了坚实的基础