CSR电子冷却中电子束的空间电荷效应研究

电子冷却是利用具有相同平均速度运动的强流冷电子束与热的离子束在储存环的一小部分相互重叠，通过多次库仑相互作用，达到降低束流发射“度和动量散度，改善束流品质的一种有效方法。HIRFL-CSR就是采用电子冷却方法迅速压缩储存环中离子束的横向包络、发散角和纵向动量散度，从而获得高品质的重离子束流。论文论述了两体碰撞模型，得到了冷却力和冷却时间的解析表达式；并以此为依据，编程模拟了冷却过程对储存环中离子束发射度和动量散度的影响。本论文的重点是通过求解强流电子束自身的空间电荷场，得到了电子束速度的径向梯度分布；获得了电子束在自身空间电荷场和螺线管纵向磁场的作用下产生横向漂移速度和由此引起的电子束横向温度的变化。为了减小强流电子束的空间电荷场，CSR的电子冷却系统将首次采用空心电子束对储存环中的重离子束流进行冷却。分析了空心电子束的空间电荷场，研究了其对电子束速度和电子束温度的影响，并将结果与实心束的情形进行了详细地比较。与此同时，利用电子束密度的K-V分布，研究了强流电子束在纵向螺线管场中运动的包络方程，采用数值计算方法，得到了CSR电子冷却系统强流电子束在冷却段螺线管中的包络振荡特性。另外，论文还对电子冷却在储存环中的附加影响进行了一些探讨。从Betatron运动方程出发研究了斜四极场和螺线管场存在时束流的幅度的耦合效应，理论上分析了斜四极场存在时束流发射度的变化；通过求解储存环中粒子束的空间电荷场，计算了CSRm中的粒子束空间电荷效应造成的储存环工作点的移动；对于强流电子束空间电荷场对储存环的频移大小也进行了分析；此外，对电子冷却对储存环中束流寿命的影响进行了初步研究。论文最后对CSrm35keV电子冷却系统的机械安装、磁场的测量以及初步的调试结果也给予了介绍。

HIRFL智能控制系统的研究

本论文从HIRFL（兰州重离子加速器）运行对控制的要求出发，根据HIRFL-CSR大科学工程控制系统改造的目标和要求，我们采用将模糊逻辑控制，神经网络和遗传算法有机结合而进行全局优化的智能控制系统对加速器实施闭环控制。论文分为七章，第一章为引言，对HIRFL系统进行了介绍，同时对课题的背景和意义进行了说明。第二章首先介绍了智能控制的基本概念、研究对象、基本结构、功能特点和数学工具，然后对HIRFL智能控制系统结构进行了简单描述和分析。第三章详细地介绍了HIRFL控制模型辨识的方法及过程，其中包括对神经网络、模糊系统和神经模糊推理系统ANFIS的概念及相关技术的介绍以及在HIRFL控制模型辨识中的应用，同时对MATLAB辅助神经网络设计和MATLAB辅助模糊系统设计进行了介绍。第四章详细地介绍了HIRFL模糊神经网络控制器的设计，其中包括对模糊神经网络的概念及相关技术的介绍以及在HIRFL模糊神经网络控制器设计中的应用。第五章详细地介绍了HIRFL智能控制系统的建立，对遗传算法的概念及相关技术进行了介绍，并应用它对系统进行优化。论文的第六章应用HIRFL智能控制系统设计方法对HIRFL-CSR-COOLER系统进行智能控制系统的设计，并对设计结果进行仿真分析。第七章是结束语，首先对HIRFL智能控制系统进行了总结，然后对未来控制系统的发展谈了些自己的看法。整个论文工作实现了一套包含控制模型、模糊神经网络控制器和优化算法的智能控制系统，提供了进行闭环控制的一种模式，为进一步的智能调束研究提供了一套极具借鉴价值的加速器智能调束设计方法和方向。

CSR纵向运动研究

论文对建造中的兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）主环（CsRm）和实验环（CsRe）中束流的纵向运动进行了有针对性的较为详细的研究。首先，作为纵向运动的基础，介绍了加速器物理中纵向运动相关的基础知识，接着推导出同步加速器中束流纵向运动方程，并对纵向运动作了全面的理论分析，在此基础上对CSR内束流的纵向运动进行了计算机模拟研究，得到了高频参数在各过程中变化规律，为高频设备的调试及运行时的参数预置奠定了理论基础。CSRm的主要功能是进行束流的累积加速，从而为实验物理提供高流强、高能量、高品质的重离子束流。由于高频腔频率的范围有限，当HIRFL注入的束流能量较低时，用一次谐波无法对粒子加速。因而针对这一问题，论文对CSRnl内束流的加速过程进行了模拟研究，采用变谐波加速的方式，解决了较低能量下的加速问题。CSRe的主要功能是开展内靶实验和高分辨质量测量。重离子束在CSR工n中加速至中高能引出后剥离成类氢类氦或全裸的重离子注入到CSRe中，此束流具有较高的能量。对于一些特殊的原子物理实验，需要既低能（小于IOMeV／tl）又高离化的重离子束,这就需要在CSSRe中将高离化态的高能重离子束减速到低能，以满足物理实验那要求为因正论文对CSRe内束流的减速过程进行了模拟研究，得到了满足需要的束流。无论对束流加速还是减速都包括连续军的俘获过程，它是影响效率的一个很关键的因素，因而论文还对束流的俘获进行了详细的研究，采用了绝热俘获的方法，提高了加速和减速的效率。论文最后介绍了CSR高频系统、铁氧体及高频腔体测试原理和测试方法，给出了测试结果并进行了分析和讨论。

CSR随机冷却研究

随机冷却是用一个宽带反馈系统对束流进行衰减，位于束流上游的探测器探测到与粒子偏差成正比的电子学信号，这一输出信号经过放大滤波系统后被加到下游的冲击器上，粒子在冲击器上得到正比于偏差的校正，从而达到冷却的目的。随机冷却可以用于粒子储存环任意能区的冷却，尤其是对大动量分散的次级束、高能束、稀有粒子束有其独特的作用，并与电子冷却互补。本论文首先对随机冷却的发展历史及贡献作了叙述，并对国外研究现状以及随机冷却同其它冷却的不同作了描述，继而提出了在HIRFL-CSR上建立随机冷却的重要性、必要性以及条件的成熟性。接着本论文对Schottky噪声信号理论、随机冷却理论（分别在时域和频域下）作了详细的推导和描述，并对-Schoftky噪声诊断和用于随机冷却系统测量和束流稳定性分析的束流传输函数作了一定的分析和讨论。由于探测器和冲击器在随机冷却中起着核心作用，因此也对探测器和冲击器作了一定的研究。最后，也是本论文的核心部分，根据CSR的实际情况，如环的Lattice参数，环上元件布置，现有Sdhottky诊断装置以及资金等，对CSR随机冷却做了初步的设计和优化，用冷却方程和Fokker-Planck方程对CSR随机冷却做了详细的数值模拟计算，得到了最佳带宽、冷却时间、频谱上束流谱密度分布函数随时间的变化，以及在冷却过程中的束流分布变化等值，并且对功率限定情况作了讨论研究表明随机冷却对CSR束流冷却速度很快，冷却效果很好。并对电子冷却和随机冷却做了比较，提出对CSR束流冷却用电子冷却和随机冷却相结合的办法，先用随机冷却粗冷，再用电子冷却精细冷却，这样可以得到更高流强更好品质的束流。本文对具体冷却系统的设计补优代；健滇码运行有重要意义为CSR随机冷却系统的建造做了充分的准备，也为实验数据的分析提供了理论依据。

CSR数字射频系统的同步算法研究与应用

本文要解决CSR控制系统中扮制信号同步传送问题。HIRFL_CSR(Heavy Ion Research Facility at LanKZhou-Cooling StorageRing兰州重离子冷却储存环）是国家九八爪大科学工程之一，它的控制是一个非常庞大而复杂的系统，它由多个子系统构成，各个子系统之间的协调同步是HIRFL-CSR运行的关键，也是HIRFL-CSR从控制系统的核心问题之一。。CSR工程的同步系统包括环内各设备之间的同步，环与门前端务器的同步等等。同步系统的实现应该在保证协调同步的雄础上，还要保证整个控制系统的稳定性，实时性，准确性和抗干扰性。本文的披个解决方案是建立在直按序列扩频通信技术上的。扩频通信系统可以增强控制信一号的抗干扰性，完成f言号的可靠传输。在信号发送端，进行恭带信号的载波调制，然后经过pN码的扩频调制，进入信道传输；在接收端，先进行四码的解扩一，然后进行载波信号的解调，还原为发送端的信号。在整个过程中保证CSI又控制信号的同步，包括载波同步，位同步和群同步。本文主要工作和研究内容是CSR系统中的载波同步传输算法的不开究，设计和实现。主要工作包括（1）不叶究控制洁号在通信算法中的性能，在算法分析的基础上，使用MATLAB实现模拟控制信号通信过程，同时进行传送信号分析和噪声功率分析，测试可行性:(2)在仿真可行的情况下，把整个通信过程全部或者部分写为可以执行的C或者汇编代码，在TMS323C6711DSK板进行程序调试；（3）把可执；行的释序下我到以TrAG为接口白如醚件协尔32C6713DSP模块，实现在CSR系统中控制信号的传送。本文目的是解决控制信号的同步通愉问题，对于该问题的传输分析和同步实现以及提出的下一步研究，在C双控制I具有很重要的意义，同时也对于类似问题的解决有重要价值。

COM组件技术在CSR控制系统中的应用

HIRFL-CSR（兰州重离子冷却储存环）是国家重点实验室之一。CSR控制系统是保证CSR正常运行的重要环节。这样一个大型的控制系统，是由多个子系统分别构成的。在CSR的控制方案中，允许用户通过访问web浏览器并利用COM技术来控制设备和获知设备的当前运行情况。本文描述了一个典型子系统中设备控制的实现。并介绍了COM更高层次的应用，即DCOM技术在分布式领域的应用。一本文首先介绍了Windows编程，Win32应用程序等一些基本的编程知识，并且简单介绍了开发COM组件的开发工具ATL和COM组件的基本概念。其次，介绍了一个具体子系统的软件结构和整体设计。最后详细介绍了DCOM技术的基本结构，和它所提供的一些系统服务。整个论文的工作介绍了CSR控制子系统中COM组件技术的选择理由，并完成了COM组件的程序设计和软件调试。还为以后开发和实现分布式控制系统的控制组件提供了理论基础知识。

总线控制器的设计及其在CSR控制系统中的应用

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。CSR控制系统是保证CSR正常运行的重要环节。这是一个基于以太网的分布式控制系统，它由两部分组成：总体控制服务器系统和前端控制服务器系统。 本文介绍了应用于CSR前端控制系统中的嵌入式总线控制器。首先介绍了嵌入式总线控制器的硬件设计方案。系统以32位高速双以太网处理器JUPITER为核心。JUPITER是一款低成本、高性能、建立在以太网系统基础之上的处理器。该系统的外阴电路主要包括存储模块、接日模块、总线控制模块。接口模块有RS485、RS232和网络接口电路。其次论述了嵌入式操作系统uClinux的体系结构以及uClinux与标准Linux的不同之处。论文从uClinux的内核结构出发，讨论了源代码的组织结构，概括分析了uClinuxlj勺内存管理、进程管理。最后介绍了uClinujx统的移植方法和应用实现。uClinux移植主要包括引导装载程序、uClinux内核和文件系统三个部分。在引导装载程序的移植过程中，论文重点给出了一种固化引导装载程序的方法；在uClinux内核移植中，讨沦了交叉编译环境l为建立和uClinux内核配置方法，总结了uClinux内核移植的层次结构和具体的移植过程。沦文通过对嵌入式处理器的分析，以及对嵌入式操作系统移植的探讨，展示了嵌入式系统开发的核心技术，对眠入系统的开发应用具有一定的实际意义。

SDRAM控制器的设计及其在CSR控制系统中的应用

在国家重大科学工程HIRFL-CSR的控制系统中，高速数据获取单元或非线性过程控制器常用到数据缓冲存储器。采用集成度高、功耗低、可靠性高、处理能力强的同步动态随机存储器SDRAM，是最好的选择。但是，与速度快、控制简单的SRAM相比，SDRAM存储器有复杂的时序要求，需要定时刷新，为此，必须设计SDRAM控制器。为了降低系统成本，采用FPGA技术，并使用VHDL语言设计和实现SDRAM控制器。论文首先介绍了存储器的结构和原理，SDRAM控制器的结构和组成，FPGA技术及其配置方法和VHDL语言的基本概念。随后详细介绍了SDRAM控制器基本结构的建立、符合PC133规范的硬件设计方案和软件的实现。其次，介绍了串口和SDRAM控制器的设计开发平台，并实现对SDRAM存储器的数据读写和刷新。另外，还介绍了与计算机进行串口通信的设计。 最后，介绍了利用FPGA实现DSP与SDRAM的接口电路设计及其在HIRFL-CsR控制系统中的应用。整个论文的工作完成了CSR控制系统中SDRAM控制器的硬件设计和VHDL程序编制、调试。为以后开发和实现控制系统的高速数据获取提供了一个原型。

CSR超高真空排气系统的研究

兰州重离子加速器冷却储存环（HIRfL-CSR）属于国家“九·五”重大科学工程，全长约500m，超高真空系统贯穿整个装置。CSR真空排气系统是超高真空系统的重要组成部分。本论文从CSR真空系统排气系统的选择，排气系统的性能测试以及配置优化，压力分布计算，残余气体分析等多个方面对兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）超高真空排气系统做了研究。计算和实验结果均表明CSR真空系统排气系统的选择配置完全满足3．5X10-gPa的真空度要求。

兰州重离子加速器深层治癌扫描电源研究与设计

This paper describes the technique targets and operation principle of the scanning power supply for the deep tumor therapy facility with heavy ions in Cooler-Storage-Ring of the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou(HIRFL-CSR).To ensure the specified accuracy of the current,the hysteresis loop control strategy was adopted,and tracking error was constrained in the specified tolerance.One prototype was designed and installed.And the simulation results and test results were listed in the paper.The results sho...中文摘要：阐述了用于兰州重离子深层治癌装置的扫描电源的技术指标和工作原理,为保证该电源输出电流的精度,采用滞环控制策略,将跟踪误差限制在设计要求的误差范围内。研制了1台扫描电源样机,并给出了电路仿真和测试结果。测试结果显示各项指标均达到了设计要求,表明所选电路结构和滞环控制方案是切实可行的。

Studies of a scintillator-bar detector for neutron wall at externaltarget facility

To achieve a better time resolution of a scintillator-bar detector for a neutron wall at the external target facility of HIRFL-CSR,we have carried out a detailed study of the photomultiplier,the wrapping material and the coupling media. The timing properties of a scintillator-bar detector have been studied in detail with cosmic rays using a high and low level signal coincidence. A time resolution of 80 ps has been achieved in the center of the scintillator-bar detector.

基于Nios-Ⅱ用于加速器监控系统的通用型可重配置嵌入式微控制器

FPGA and dedicated micro-controller chips are widely used in HIRFL-CSR monitor and control systems.This paper discusses the characteristics of HIRFL-CSR s dedicated micro-controllers and it s requirement for micro-controllers. Using programmable technology and Nios-Ⅱ processor,we have designed and implemented a reconfigurable embedded micro(controller in altera cycloneⅡ2c35f484 FPGA. The micro-controller which has low hardware cost and 185 MHz maximum operating frequency can replace the dedicated micro-cont...中文文摘：讨论并参考了冷却储存环目前使用的专用微控制器的特点和其对微控制器的需求,采用可编程技术和Nios-Ⅱ处理器,在altera-cycloneII2c35f484芯片内实现可重构微控制器。该微控制器硬件资源消耗少,最大工作频率可达185MHz,可代替目前在监控系统中大量使用的专用微控制器芯片,减小硬件设计复杂度、节约成本。

千兆电子伏重离子加速器——兰州冷却储存环

能量达千兆电子伏的兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR,是一个集加速、累积、电子冷却及内外靶实验于一体的多功能双冷却储存环同步加速器系统,由主环CSRm和实验环CSRe构成,并以兰州重离子回旋加速器系统HIRFL作注入器。CSR将重离子束的能量从兆电子伏提高到千兆电子伏,同时利用空心电子束冷却技术将束流的动量分散及发射度降低1~2个数量级,并提供多种类的高电荷态重离子束以及放射性次级束(RIBs),以开展更高精度的物理实验及更广范围的应用研究。兰州冷却储存环于2006年建成并投入运行,实现了剥离注入与多圈注入、空心电子束对重离子束的冷却与累积、变谐波宽能区同步加速、等时性环型谱仪、RIBs的产生与收集以及重离子束的快慢引出,并实现了高能重离子束的空心电子束冷却,使得重离子束的动量分散降低到10-5量级,而发射度收缩到0.1πmm.mrad以下。同时,完成了短寿命近滴线核素的高分辨质量测量物理实验及高能重离子束深层治癌的临床应用实验。

高压条件下高能重离子辐照材料研究进展

高能重离子辐照处于高压条件下材料的研究,是随着高能重离子加速器技术的快速发展而出现的一个新的研究领域,研究结果涉及材料学、地质学、地质年代学、核废料处理学等学科。简要介绍最近几年国内外在高能重离子辐照高压条件下材料研究领域的研究现状及已取得的结果,并对未来在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)上开展相关研究工作的前景作了展望。

冷却存储环虚拟加速器的数据交互系统

介绍了兰州重离子加速器冷却存储环(HIRFL-CSR)为重离子治癌而改造的控制系统中的数据交互系统,数据交互系统是CSR虚拟加速器的核心。该系统能实现对256个能量级的束流控制,为以后深层重离子治癌做好准备。系统主要采用Java,COM,Oracle,ARM,DSP,FPGA等技术实现了对磁铁电源的实时、同步控制,已达到对束流的控制及束流在不同能量级间的切换控制。该系统已经运行于冷却存储环主环(CS-Rm)的束流慢引出调试中,性能稳定,能满足物理人员的要求。