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

CSR特殊磁铁研制

特殊磁铁主要指用于同步加速器束流的注入和引出系统中的各类磁铁，如切割磁铁、BUMP磁铁、KICKER磁铁等。从结构和用途上来看，特殊磁铁基本属于二极偏转磁铁范畴；与常规的二极磁铁相比，只是在运行模式、磁场分布和好场区位置、杂散场分布、磁铁功能以及磁铁结构和材料等方面具有突出的特殊性。如切割磁铁的好场区要紧贴切割边，而切割边外侧的杂散场要降到主场的千分之一以下；BUMP磁铁和KICKER磁铁的磁场值不高，但要以很快的脉冲方式工作，所以就具有大电流、线圈匝数少的特点。各种特殊的性能要求使得特殊磁铁的设计和制造相当复杂。 HIRFL-CSR工程共有四台切割磁铁、四套BUMP磁铁以及两套KICKER磁铁用于加速器束流的注入和引出系统中。论文介绍了特殊磁铁的选型、材料选取、电磁设计、二维及三维磁场计算、电磁参数计算、冷却计算、结构设计以及工艺设计等磁铁设计的全部过程；另外，对磁铁研制的具体细节以及技术要求、加工制造以及测试结果也作了比较全面的介绍。论文将磁铁的二维及三维磁场计算作为设计和论述的重点；因为就目前的技术水平来说，二维及三维磁场的计算是磁铁设计的主要环节，是磁场优化的主要手段，也是其他主要电磁参数计算的基础。特别是三维磁场的计算结果，是磁铁设计的主要技术依据，是一种仿真度极高且经济实用的模拟过程。一些比较成熟的磁场计算软件，如TOSCA、ANSYS、MAFIA等更是具有人机界面简单、建模方便、计算结果直观可靠等优点。特殊磁铁的磁场计算所用的程序是TOSCA；从文中提供的测试结果看，计算结果与实测值的误差只有 1 %，可见其结果是极其可信的。从测试和运行结果来看，各种特殊磁铁的研制是成功的。特殊磁铁的成功研制为HIRFL-CSR的束流注入和引出提供了硬件基础

HIRFL及CSR中的应用软件设计

加速器技术的发展对计算机软件提出了越来越多的要求，而现代计算机技术的迅猛发展，如网络技术、面向对象编程技术等，以为设计更加完美的计算机软件提供了强有力的工具。本论文以兰州重离子加速器和冷却储存环设计为依托，在综合加速器物理、束流诊断、束流调试经验、数据图形化的设计技术、控制技术等的基础上，开发了几项新的软件，用以在加速器的运行和调束过程中对束流诊断元件的测量结果进行综合分析和对加速器进行较为复杂的控制，以期提高加速器的束流品质、运行效率和磁场测试效率等，同时在某些方面的软件开发技术上填补了我所在这方面的空白。论文中还介绍了加速器应用软件设计相关的理论，包括应用软件特点、发展，面向对象编程技术、网络技术，加速器控制技术发展等；详细地介绍了三个方面的具体设计工作，包括SFC及SSC束流强度测量的软件设计、SFC和SSC等时场优化的软件设计、CSR磁场测量的计算机控制系统设计。这些软件都已用到HIRFL的运行和CSR的研制中，并起到了很好的作用。

HIRFL-CSR主环中束流加速过程的研究及束流反馈环路分析

本文的第一部分对设计中的兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的主环(CSRm)中束流的加速运动进行了较为详细的研究和计算机模拟。首先，作为加速运动的理论基础，推导出同步加速器中束流纵向相运动方程，并对纵向运动作了全面的描述。接着分析了加速运动的过程，同时介绍了绝热捕获和绝热同步振荡运动的概念，在此基础上根据两种不同的加速模式分别对主环中束流加速过程进行了计算机模拟，给出了主环在加速期间的高频运行参数，并得到了引出束流在动量散度和相位方向上的分布。最后比较了绝热捕获和非绝热捕获下的加速效率。本文的第二部分，从理论上仔细分析了高频控制系统中的束流反馈环路。在CSR预研阶段，高频控制系统的主振荡器为压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)，由于其频率稳定度一般在1.0%附近，无法达到系统要求在0.1%左右的精度，故采取了束流反馈机制。首先，本文在频率失谐下的相运动方程基础上建立了数学模型，接着推导出系统的传递函数。然后在计算机模拟中，通过数值计算，得到了系统传递函数的仿真结果，并给出了在闭环控制下束流平均闭轨偏移以及频率稳定度随时间变化的曲线。通过模拟结果表明，束流反馈环路能保证高频系统所要求的频率稳定精度，这为CSR高频控制系统的设计提供了理论依据。

CSR束流输运系统

国家重大科学工程兰州重离了冷却储存环（HIRFL-CSR）正在兴建当中，本文对其中的束流输运系统进行了详细的光学设计及束流动力学研究。低能束运线传输来自分离扇回旋加速器的束流并匹配注入CSR主环。高能束运线连接着主环和实验环，它的中间一段是放射性次级束流线，设计最大磁刚度为10.64Tm。经过细致的三阶像差校正后，次级束流线的实际动量分辨本领为1200。在研究过程中，用李代数方法证明了一般的四极磁铁在孔径增加时三阶像差反而减小。高能束线有两个分支，分别给物理实验提供高品质的初级束和中高能放射性次级束。另外还设计了一条特殊的束运线，它是基于圆形束方法和能动扫描方案的旋转机架，用重离子（3 < Z < 10）治疗人体深部的肿瘤，并对各种机架的结构进行了比较。最后，讨论了磁铁的误差影响，并简要介绍了束流线的诊断系统。