CSR主环磁场电源控制系统研究

CSR控制系统是一个很庞大的系统，对它的控制是由许多分控制系统组成： 真空系统、电子冷却系统、束流诊断系统，CSR高频系统，数据获取系统等。磁 场电源控制系统是CSR控制系统中很重要的一部分，它是一个任意波形发生系统。 在CSR的分控制系统中，所有依赖波形控制的系统都可以由它来控制。波形的形 状由物理人员根据加速器物理要求计算得出。因为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。在整个控制系统 中最重要的就是在控制过程中，控制过程波形的同步和控制过程波形的精度，这 是同步加速器控制系统的关键所在。过程波形的同步由同步时序系统控制，这是 CSR主环成功运行的决定条件。 本文对磁场电源控制系统和时序系统分别进行了论述。对磁场电源控制系统， 主要从系统的结构，I/O部件的硬件设计，I/O部件的软件设计这几个方面进行 论述,其中，I/O部件由I/O控制器和DSP处理器组成；对时序系统，论述了设计 原理和具体实现；最后给出了实验平台测试和现场测试的结果。 本文的创新点主要有，在加速器控制领域：（1）采用ARM+DSP的控制方式； （2）同步时序系统的末端定时原理； 从测试结果来看，我们的控制系统不管从结构设计，还是从软硬件设计上都 达到了设计的要求

基于CPLD物理实验电路的研究

复杂可编程逻辑器件CPLD是当今应用最广泛的可编程专用集成电路（ASIC）之一，使用一片CPLD可以代替原来用很多器件才能完成的逻辑功能，我们用CPLD来构建数字电路，和常规逻辑器件相比其突出特点是：元件少，成本低，功耗低。ALTERA公司是全球著名的复杂可编程逻辑器件供应商，结合实际工作的需要，我们选用了ALTERA公司的MAXII EPM1270芯片做了一系列实验电路，先后开展的研究工作包括：1.超低频/超大脉宽信号源；2.门延迟产生电路。 这两方面的工作分别在论文的有关专题介绍。超低频/超大脉宽信号源用作为多定标测量数据获取系统的门控信号，主要功能是产生一系列精确度高、稳定性好的低频、超低频/超大脉宽脉冲信号，且可以根据需要选择手动触发单个大脉冲输出。本电路输出脉冲f/T的精确度≤0.02‰，输出脉冲f/T的稳定性≤±0.01‰。基于CPLD设计的超低频/超大脉宽信号源电路只需一片CPLD就可以取代原来用很多逻辑器件才能完成的功能，此外基于CPLD设计的该信号源的最大周期可超过1000s、步进脉宽调节可达T/1000，远远超过用户提出的指标，从而能满足更多的应用需要。 基于CPLD的门延迟产生电路主要功能是对输入信号进行展宽延迟，我们将它做成NIM单宽插件可提供8道信号延迟展宽，支持NIM负信号输入，用于物理实验中的符合测量、多路时间测量系统及能量测量系统中的ADC或QDC门控信号等，替代目前传统同类型的插件GG8000。 目前两个电路都已调试成功，其中超低频/超大脉宽信号源已交付用户使用，获得满意结果

HIRFL-CSR Kicker电源控制器的设计

在HIRFL-CSR（兰州重离子冷却储存环）电源控制系统中，Kicker电源需要控制器提供高压充电电压基准电压信号和触发信号,采集基准电压信号，将电源充电电压与期望值进行比较，如果有偏差，则进行修正，使实际值与期望值一致。为Kicker电源设计的电源控制器采用DSP作为处理器，采用串行DAC为电源提供基准电压波形，基准电压信号回读用并行ADC来完成。论文首先简要介绍了Kicker电源系统，根据控制器的设计要求，选用TI公司的TMS320VC5402芯片，给出了控制器的总体设计。其次，具体介绍了TMS320VC5402的结构、外围设备，给出了电路设 计原理图，以及与存储器连接电路图，并分别介绍了硬件系统各个部分的电路设计以及FPGA部分设计。再次，介绍了DSP编程环境CCS，给出了FLASH擦写过程以及二次下载原理，并详细论述了基准电压信号发送的编写，并对回读的基准电压信号进行了滤波处理。最后，对电源控制器的设计进行了总结。论文完成了Kicker磁铁电源控制器的硬件设计和底层软件设计，为以后在该硬件平台上下一步工作打下了坚实的基础

Kicker电源数字延迟线及低压监测系统设计

踢轨磁铁（Kicker）电源系统是HIRFL-CSR注入引出系统中实现快引出的一个关键元件，主要功能是为踢轨磁铁提供快脉冲励磁电流以产生所需要的快脉冲磁场。Kicker电源提供的是高电压大电流的快脉冲，电流脉冲上升沿和下降沿为150ns,脉冲宽度为650ns,其脉冲峰值电流为2700A，工作周期为10s-17s。因此及时监控Kicker电源闸流管的工作状况以及电流脉冲波形特性至关重要。本文针对踢轨磁铁（Kicker）电源的需要，进行了Kicker电源监测系统的设计，主要针对闸流管误漏导通检测、电流脉冲宽度过宽过窄检测、脉冲宽度测量及脉冲计数等功能提出了电路的工作原理，并设计了具体电路。系统输入端采用光纤接口，而输出端采用了PLC数字I/O接口。由于采用PLC接收监测电路板的信号来完成对Kicker电源的监控报警，基于此编写了相关PLC程序，并调试通过。该监测系统电路板已调试完成，可以很好地完成对Kicker电源系统较为全面的状态监测，方便地对Kicker电源系统状态进行监控。另外，为了解决Kicker电源系统脉冲同步的问题，以满足兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）环踢轨磁铁（Kicker）电源对电流脉冲进行适当延迟的要求，还分别设计了ECL高速可程控数字延迟线电路系统和基于CPLD的数字延迟线系统，分析介绍了数字延迟线系统结构、工作原理及PCB版图设计等。ECL高速可程控数字延迟线电路已初步调试通过，而基于CPLD的数字延迟线系统已完成了程序编程及仿真工作，它克服了ECL数字延迟线不能实现零延迟的缺点，且可以通过修改VHDL程序来设置出更多位的可编程数字延迟线，方便灵活

Bump磁铁电源控制器的设计

HIRFL—CSR（兰州重离子冷却储存环）是国家 “九五”重大科学工程之一。在磁铁电源的控制系统中需要电源控制器及时准确的提供基准的电压波形，并对输出的波形进行回读监测，以保证加速器正常工作。 论文介绍了电源系统的要求和特点，并根据设计要求给出了设计思想和系统框图，本控制系统主芯片采用TI公司的TMS320C6713芯片，并给出了DSP系统设计的一般流程。文中详细介绍了TMS320C6713芯片的结构和性能指标，以及其外围电路和存储器的扩展情况，指出了在高速电路板设计时应注意的问题。 设计中使用可编程逻辑器件，使设计可灵活配置，电路板设计在有BGA封装器件情况下实现四层板手工布线。 论文完成的Bump磁铁电源控制器的硬件电路设计，为以后的软件编写和测试搭建了坚实的平台

CSR中磁铁线圈温度测量系统的研制

本论文主要讲述了一种服务于CSR磁铁保护的多路（64路）磁铁线圈温度测量系统。根据CSR工程的要求，该温度测量系统能对磁铁线圈中的数百个点进行测温，并达到±1℃的测温精度。文中详细阐述了该系统软硬件的研究、设计和实现。该测量系统中，主控芯片采用了美国德州仪器公司的16位低功耗单片机MSP430F149，论文中详细介绍了该单片机的结构特性、功能和基于该单片机的硬件组成和软件设计。硬件主要包括前端信号处理电路、A/D转换电路、VCO电路、液晶显示电路、数字键盘电路、以及为实现远程实时监测而采用的RS-485串行通信电路。在软件设计方面，利用IAR公司的C430 为开发工具 ，采取模块化设计方法，用C语言编制了温度测量系统的主控程序以及液晶驱动、键盘驱动、串行通信等程序模块，并配合硬件系统进行了多次调试（论文软件设计中给出了部分源程序清单）。论文最后讨论了适用于CSR现场工作环境的软硬件抗干扰措施及其实现。通过试验，该温度测量系统表现良好，满足设计要求。其特点是低成本、低功耗、可靠性高、并可根据不同需要应用于多种工程检测系统中

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-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

Micro-PET探测器单元的研制和模拟研究

提高癌症患者治愈率的关键是早期诊断，及时治疗。现在，癌变组织的无创伤诊断已成为癌医学诊断的发展方向和潮流，发展一种快速、准确、方便、低廉的医用肿瘤诊断影像设备是非常实际和十分有意义的课题。 本论文描述了构成便携式肿瘤影像探测器的探测单元研制，包括探测器总体构型设计，选择闪烁晶体种类、形状及尺寸、选择与之匹配的读出器件-位置灵敏光电倍增管，设计简化的读出线路。 通过模拟计算和实验测试，确定探测器单元由64块BGO晶体构成8×8方阵，晶体尺寸5.9×5.9×10mm3，探测器性能通过137Csγ放射源测试。探测单元本征位置分辨达到3.12 mm（FWHM），为了提高探测单元的本征分辨，构建了2×2×10mm3 BGO晶体的19×19矩阵探测单元，后续读出不变，本征位置分辨为1.41mm（FWHM）。这一指标接近于目前同类探测器的最好水平。在此基础上用22Na正电子放射源对双探测单元构成的Micro-PET进行成像测试，给出了清晰二维平面影像。 闪烁晶体性能测试和探测器单元性能测试都与Monte Carlo模拟结果很好符合，说明Monte Carlo模拟结果可靠，对设计优化探测器单元有指导作用。该探测单元研制结果和双单元的符合研究,为研制一种快速、准确、方便、低廉的医用肿瘤诊断成像设备—微型正电子发射断层仪（Micro-PET）提供理论和实践经验

辐射联合p53基因转导对人黑色素瘤细胞系生物学效应的研究

恶性黑色素瘤具有早期高度转移潜能，尽管常常检测到野生型p53基因，却对常规放化疗高度抗拒，因此，寻求有效治疗黑色素瘤的方法十分重要。本文就如何将放射治疗与基因治疗有机结合、外源性p53对不同p53状态的黑色素瘤细胞生长抑制和辐射增敏作用，以及外源性P53蛋白对不同传能线密度（LET）射线辐照诱导肿瘤细胞死亡途径的影响做了一些粗浅研究。 首先，采用复制缺陷的重组腺病毒载体(AdCMV-p53)介导人野生型p53基因转染1 Gy X-射线预辐照的黑色素瘤细胞系A375(wt p53)和WM983a(mu p53)，RT-PCR检测mRNA水平，流式细胞仪测定细胞周期阻滞及外源性P53蛋白表达情况,克隆形成率测定辐射后细胞存活率。用携带报道基因的复制缺陷重组腺病毒载体AdCMV-GFP（绿色荧光蛋白）作为对照。结果显示1 Gy X-射线辐照可明显增加AdCMV-p53对A375和WM983a细胞系的基因转导效率，转导的外源性野生型P53可在两种细胞中高效表达，并诱导细胞周期G1期阻滞；单纯转导p53对A375(wt p53)细胞无明显诱导凋亡和生长抑制效应，但可部分诱导WM983a(mu p53)细胞凋亡；而转导p53基因48小时后给予X-射线辐射，两种细胞克隆存活率较其对照组均明显减低；外源性p53基因对WM983a(mu p53)细胞的辐射增敏作用较A375(wt p53)细胞明显。这些结果表明小剂量辐射既可有效增加腺病毒介导的p53转导，又不会对患者产生明显副作用。而且，外源性野生型p53可明显增加黑色素瘤细胞系A375(wt p53)和WM983a(mu p53)的辐射敏感性。提示p53是基因治疗黑色素瘤较好的侯选基因，也为临床上放疗联合基因治疗恶性黑色素瘤提供了实验室依据。 其次，观察了外源性P53蛋白对不同传能线密度（LET）射线辐照诱导肿瘤细胞凋亡和坏死的影响，并探讨其可能的机理。人黑色素瘤细胞系A375（wild-type p53）经携带人野生型p53基因的腺病毒载体（AdCMV-p53）感染后分别给予X-射线和碳离子束照射，采用克隆形成法测定细胞辐射敏感性，Hoechst33258和吖啶橙-溴化乙锭双染，荧光显微镜下观察细胞凋亡和死亡。结果发现：（1）高LET射线辐照时，A375细胞和转导人野生型p53基因的A375细胞（A375/p53）的辐射敏感性没有明显差异；（2）虽然辐射诱导细胞凋亡比例的增加依赖于LET，但是无论高LET或低LET，外源性P53蛋白均可有效诱导细胞凋亡。（3）高LET射线辐照时，A375细胞的坏死细胞明显高于A375/p53细胞。提示尽管高LET射线辐射对A375和A375/p53细胞的存活无明显影响，但是对细胞凋亡的诱导却部分依赖于P53蛋白的功能，提示P53蛋白可能在调节细胞死亡类型中发挥重要作用。这对临床应用高LET射线辐射联合p53基因治疗恶性黑色素瘤有一定参考意义

新一代多电荷态离子源的研究

离子源发展存在两大热点问题：其一强流高电荷态离子的产生；其二强流金 属离子的产生。为了获得强流高电荷态离子，我们设计制造了全超导 ECR 离子 源 SECRAL（Superconducting ECR ion source with Advanced design in Lanzhou） ， 该离子源采用了全新的超导磁体结构形式，工作于 18～28GHz 的微波频率。根据 scaling laws 和实验经验，我们确定了 SECRAL 离子源所需要的约束磁场场形， 并针对新的磁体结构设想，通过 TOSCA 程序进行了详细的计算，成功地设计出 满足我们场形要求的超导磁体物理模型。据此，我们进一步进行了超导磁体的力 学结构分析，为磁体机械工艺设计提供了参考依据，保证了超导磁体结构设计的 可靠性。源体建成后，经过一系列的测试和调束实验，不但验证了我们的设计和 分析是合理的、可靠的，而且创造了许多项束流调试的新世界纪录，我们分别获 得了 810 A eμ O7+ 、730 A eμ Ar 11+ 、220 A eμ Ar 14+ 、73 A eμ Ar 16+ 、483 A eμ Xe 20+ 等束 流。为了获得强流中低电荷态金属离子束，我们尝试探索一种原理、结构、工作 模式全新的离子源－外部电子注入PIG离子源（E-PIG） 。目前，我们基本按照我 们的初期设想设计建造了 E-PIG离子源，设计中采用了外部电子枪注入电子、空 心阴极、特殊的场形等手段来提高金属离子的电荷态和流强。经过初步的起弧调 试，我们发现在初期的设计中还存在一些问题亟待进一步整改。

超重谱仪中冷却聚束器RFQ1L的模拟研究

对超重核和超重元素越来越多的探索和研究，以及对远离β稳定线奇异核的精细研究，都迫切地需要低能量、高品质的放射性束流。然而，由原子核反应产生的放射性束流普遍具有能量分散大、发射度大以及束流斑点大的缺点，因此，对放射性次级束流进行进一步的操控成为深入研究的必需条件。充有缓冲气体的RFQ冷却聚束器是适合这项任务的最佳选择。它不但可以高速度、高效率地提高束流的品质，而且适用于所有的核素。这项技术在上世纪末蓬勃地发展起来，现在已经成为世界各主要实验室进行放射性次级束流操控的必备实验装置。在中国科学院近代物理研究所，一台正在研制的专用于研究长寿命核素的超重核研究谱仪中就使用了RFQ冷却聚束器来冷却、约束和储存离子。论文首先简单介绍了近代物理研究所超重谱仪的情况和国际上RFQ冷却聚束器的研究情况，其次阐述了RFQ冷却聚束器相关原理，然后重点论述了用SIMION程序进行模拟的方法和对RFQ1L冷却段的模拟情况，并对模拟结果进行了讨论，接着，讨论了计算机无法模拟的一些因素，重点讨论了气体击穿问题，最后，对本论文的工作进行了总结，并对下一步工作进行了展望望。对RFQ1L冷却段的模拟和气体击穿问题是本论文的两个重点。冷却段的模拟是以为例进行的。通过改变缓冲气体压强、入射离子能量以及轴向电场梯度，得到了离子在RFQ冷却聚束器中不同的运动情况，得到了一些有意义的结论，有助于设备的设计和工作点的选择。另外，RFQ冷却聚束器的工作区域，正好位于缓冲气体最容易被击穿的范围，再加上射频的影响，因此气体击穿问题成为制约工作点选择的一个非常重要的因素。本文对此也作了详细的讨论

4p探测器的研制及测试

本文主要分为两部分，第一部分是有关兰州多阵列4π探测器的设计，它主要是用于中能核反应的实验研究，因而它是根据中能核反应的特点来设计的，具有大的立体角的覆盖，好的空间分辨，低的能量阈以及较大范围的能量、动量测量和良好的粒子分辨等特点。第二部分主要介绍了此4π探测器的单元探测器的研制，其单元主要是由快塑料闪烁体和CsI(Tl)晶体组成的叠层望远镜及由快塑料与慢塑料闪烁体组成的叠层望远镜，主要包括快塑料闪烁体(BS498x)的研制，碘化铯(铊)晶体的选择，光子在闪烁体和光导中传输效率的模拟计算，光电倍增管Base电路的设计，最后是利用HIRFL加速的~(18)O和~(40)Ar束流轰击Ni靶产生的核反应产物对上述两种单元进行了测试，取得非常好的粒子分辨和轻粒子同位素分辨。

CSRm 束流横向耦合研究

在环形加速器中，横向耦合表现为粒子在径向和轴向两方向振荡间的能量交换。耦合效应会对束流品质产生一系列的弊端影响，所以束流耦合的研究成为加速器研究中的一个必要的课题。 本论文首先对兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）的结构作了简单说明，交代了电子冷却装置的位置及组成，说明了螺线管场在装置中的作用及其耦合效应，继而提出研究横向耦合对HIRFL-CSR主环的重要性和必要性。 接着本论文对横向耦合运动的基础理论作了推导和描述，提出以传输矩阵研究束流相空间运动的方法，分析了横向耦合对束流发射度的影响及横向耦合的匹配条件，并详细分析了束流的径向和轴向耦合振荡在和、差共振时的稳定性情况。 最后，根据储存环主环（CSRm）的实际情况，模拟计算了CSRm中多种耦合源在不同工作点时的束流稳定情况，比较了磁铁的纵向角安装误差与螺线管场对束流耦合效应的大小；并且模拟了冷却段螺线管场对束流发射度和动力学孔径的横向耦合效应，通过模拟提出了合适的耦合补偿方案，这样以减少由于耦合造成的束流损失

核介质中强子有效质量及相关问题的研究

简述了强子介质效应研究的现状和方法, 系统介绍了相对论平均场理论的各种模型. 基于相对论平均场理论, 对强子在核物质中的质量改变进行了研究。采用量子强子动力学(QHD)，通过考虑同位旋介子 的作用, 研究了核子及其它同位旋重子在核介质中的质量改变和分裂。同时进一步考虑奇异重子之间的相互作用,讨论了超子在介质中的质量改变.对新近发现的尚存在争议的pentaquark 在介质中的质量改变,也进行了讨论。使用相对论平均场理论,对K介子有效质量进行了系统的研究。首先从 非线性手征拉氏量出发, 通过对介质标量密度和矢量密度关系的讨论,修正了K介子有效质量随密度的变化关系。并对比了从单玻色子交换模型出发计算得到的对K介子有效质量。最后,通过考虑中子星内部的化学平衡,研究了同位旋介子以及超子-超子相互作用对中子星内部粒子组成以及状态方程的影响,并讨论了K介子凝聚问题