基于嵌入式Linux系统的数字调节器

数字调节器这种控制策略广泛应用于兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）电源控制系统及其他工业控制场合，它采用高速微处理器芯片和现场可编程门阵列，对电源的各项性能参数进行精确运算，以控制电源工作总过程。本论文的重点，是数字调节器上基于ARM9处理器和嵌入式Linux操作系统的嵌入式相关技术。论文深入剖析了AT91RM9200处理器和嵌入式Linux的体系结构，给出了引导装入程序Bootloader和Linux内核的启动分析以及移植到硬件平台的整个过程。实现了常见的嵌入式文件系统的移植，以及操作系统外部设备的FPGA驱动。最后通过图形用户接口的应用实现了数字调节器的基本功能

电荷测量与时序逻辑电路的研究

中国科学院近代物理研究所大科学工程HIRFL-CSR（Heavy Ion Research Facility at LanZhou-Cooling Storage Ring兰州重离子冷却储存环）已建成并处于调试和验收阶段，实验探测系统也正在建设当中。CSRm实验探测系统由外靶系统和内靶系统构成，主要用于核物理实验研究。CSRm TOF测量系统是现阶段CSRm实验探测系统的主要任务之一。 针对CSRm TOF测量系统电荷测量部分，论文阐述了一种采用前端ASIC-SFE16（Saclay Front End 16）芯片实现电荷测量的新型方法。它替代了采用分立元件和电子学插件构建系统的传统方法，着重解决了近代核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。根据我所多丝漂移室探测器的实际情况，我们设计了基于ASIC芯片的电荷测量前端电路板，结合中国科技大学的时间测量数字获取板，我们初步完成了对系统软硬件的测试，给出的实验室性能测试指标，为其在实验探测系统中的应用奠定了坚实的基础。 同时为了选出测量中的有用事例，需要进行事例判选，因此我们研制了多路延迟/脉宽调节时序逻辑电路，主要功能是针对提供的多路逻辑时序信号进行延迟和脉宽调节，支持NIM负信号输入和输出。 文中最后一部分论述了根据在调试过程中出现的实际问题所提出的解决方法，主要是针对电路的可靠性设计和噪声的处理

重离子治癌装置的束流位置控制系统

近代物理所依托兰州重离子冷却储存环（HIRFL-CSR）开展重离子治癌研究。在重离子治癌过程中，需要对束流位置十分精确的控制。本文实现了精确控制重离子束对肿瘤实现三维适形扫描。 对肿瘤切片方向定位采用主动磁扫描方式，通过控制X、Y 扫描铁电源实现束流对肿瘤一层切片中各点的扫描，在治疗过程中需要实现位置变化与辐照剂量的联动。为满足束流位置切换时扫描铁电源的阶跃响应过程，采用了一种新的加速器电源控制方式，通过控制频率变化实现扫描铁电源阶跃响应过程。该方法具有精度高、参数少、响应速度快和实时性好的特点。本文提出了扫描铁电源电压控制的数学模型和实现结构，通过FPGA+DSP+DDS的硬件平台实现该电源控制方法。最终完成了对扫描铁电源高精度的控制。 肿瘤深度方向定位实质上是重离子束流Bragg峰的定位。Bragg峰与束流能量的关系要求重离子束在不同能量间切换，因而需要加速器实现变能加速。本文设计完成了适应变能加速的高频控制器，介绍了高频控制器实现方法，从而满足不同深度肿瘤切片对束流能量的要求。 核心及创新点：(1)实现重离子治癌过程中束流位置和剂量的联动; (2)基于频率调节的扫描铁电源控制器; (3)满足变能加速的高频控制器 从现场的测试和应用结果表明位置控制系统达到了设计要求

多通道电荷时间测量方法与电路研究

随着国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)建成，HIRFL-CSR实验探测系统也正在建设当中。实验探测系统由外靶系统和内靶系统构成。用于探测中子的中子墙探测器是外靶系统中的一个重要组成部分，它有252个探测单元，每一个探测器单元都要求很好的能量分辨和时间分辨，还要求有很高数据获取率。为此，我们设计研发适合于中子墙探测器这样的大型闪烁体探测器的前端电子学读出系统。论文从发展髙性能多路小型化前端电路和研究QAC、TAC的方法和电路两个方面进行研究，讨论了我们采用的新思路和新方法。 我们设计的新型的多道高精度的电荷-电压、时间转换电路.该电路主要用于在相关控制信号的配合下，将光电倍增管输出的快电流脉冲信号转化为电压信号,并在控制信号作用下,将电压信号通过数据采集系统直接送入计算机进行处理。电路采用新型的QAC方法，用于处理快速的电流信号,突出特点是转换速度快,电路结构简单,输入信号范围大,精度高,功耗低, 电路采用改进的TAC方法，用于处理快速的时间信号,利用高速DMOS开关，并优化控制逻辑时序，极大提高了测试精度。 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

基于CMOS器件的专用放大电路设计

随着国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)建成，CSRm实验探测系统也正在建设当中。CSRm实验探测系统具有多种探测器数万个探测单元。对于这样先进的探测器和大型实验探测系统采用传统的电子学仪器和方法已经无法构成读出电子学系统和数据获取系统，对前端读出电子学系统、数据获取系统提出更高的要求。因此，采用专用集成电路芯片(ASIC)构成前端读出电子学系统是最可行的方法。本论文所述的基于MOS管的专用放大电路设计正是基于集成电路（ASIC）芯片构建前端读出电子学系统的前期研究子部分。作为ASIC前端读出电子学研究的一部分，本论文主要阐述基于MOS器件的放大电路的研究，主要包括以下内容： 1、设计及实现基于CMOS管的电荷灵敏前置放大器，最后给出制作PCB板后的实验室调试结果； 2、设计仿真基于DMOS管的电荷灵敏前置放大器，对仿真结果进行讨论； 3、利用集成电路设计软件Tanner Pro实现电荷灵敏前置放大器的物理版图设计

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

12C6+重离子辐照对细胞端粒酶活性表达的影响

端粒是染色体末端由重复DNA序列和相关蛋白组成的一种特殊结构，具有稳定染色体结构及完整性的功能，会随染色体复制与细胞分裂而缩短。端粒酶是一种核糖核蛋白，能以自身RNA模板合成端粒DNA，催化合成TTAGGG重复序列，添加到染色体末端，维持端粒长度不变。端粒酶主要由hTR, TEPl和hTERT组成，一般认为hTERT是端粒酶激活的限速因素。大多数永生化细胞和恶性肿瘤细胞具有端粒酶活性，因而端粒酶目前已成为为细胞持续分裂提供遗传基础的原因。由于端粒酶与细胞衰老、肿瘤发生等关系如此密切，因此已成为肿瘤放射治疗研究热点。目的： 本文利用兰州近代物理研究所重离子研究装置（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou,HIRFL）产生的碳离子（31MeV/u 12C6+）对人体细胞、癌细胞进行不同剂量的辐照，探索细胞中端粒酶活性的变化及与之相关的生物学信息。材料与方法： 以人肝细胞HL－7702，肝癌细胞SMMC－7721为实验对象，用不同剂量1Gy、2Gy、3Gy、4Gy的重离子分别对两种细胞进行照射，用多聚酶链式反应-银染端粒重复序列扩增法（PCR- telomeric repeat amplification protocol，TRAP-PCR）检测不同剂量下细胞端粒酶活性的变化。并提取不同剂量下的细胞转入培养皿中，培养10天，固定，染色。统计大于50个细胞的克隆数，绘制细胞存活曲线。结果与讨论： 结果显示，人肝细胞HL-7702自身没有端粒酶活性，经1Gy辐照后也没有端粒酶活性，在2、3Gy处出现端粒酶活性，4Gy处端粒酶活性又消失。肝癌细胞SMMC-7721在1－3Gy处随着剂量的增大端粒酶活性升高，在4Gy处又开始下降；在1－3Gy处随着时间的推移端粒酶活性随着时间而加强（p<0.05）。随着剂量的增大，细胞存活率呈剂量依赖型下降。分析得知，重离子辐射可以诱导人肝细胞产生端粒酶活性，也可以改变肝癌细胞的端粒酶活性。端粒酶参与细胞受辐照后DNA单链损伤的修复；辐照后DNA双链断裂导致端粒酶活性减弱。本实验与其他低LET射线相比，使重离子在辐照治疗中的优势得以体现

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

CSRe Schottky 质量谱仪研究

HIRFL-CSR 联合Schottky信号诊断的方法为高精度测量离子质量提供了一个新的途径，本论文研究了CSRe Schottky 质量谱仪的原理,电子冷却模式下进行质量测量时的磁铁设置，各种系统误差以及能达到的精度估计。首先研究了CSRe的线性lattice中动量压缩因子对动量色散的依赖，以及动量压缩因子的高阶项的存在会对常用的线性质量刻度造成多大的系统误差。讨论了利用六级铁的适当设置减小这种系统误差的方法，给出利用MAD程序的模拟的CSRe六级铁的适当设置数值以及动量压缩因子对动量分散的依赖曲线。接着详细讨论了其他的几种主要的系统误差以及消除方法，给出了一种新的准确度更高的非线性的质量刻度方法。最后研究了电子冷却模式下CSRe Schottky质量谱仪精度的决定因素，调研了在CSRe上进行对190Ir和188Os可行性以及估计了在现有条件下，能够达到的精度,探讨了进一步提高质量刻度的精度和准确度的实现途径

CSRe束流动力学研究

非线性动力学对于环形加速器，尤其是对现代新型的加速器来说，起着越来越重要的作用。非线性力的引入使得束流在真空管道中的稳定性大大降低，对物理实验产生较大的影响。所以对束流动力学尤其是非线性动力学的研究已成为加速器研究中的一个必要的、重要的课题。 本文首先对加速器物理的基础知识和兰州重离子加速器冷却储存环及其实验环（HIRFL-CSRe）做了一定的介绍。然后给出了非线性力存在时的动力学孔径的理解和此时动力学孔径的多种研究方法。 接着本论文对束流的共振情况做了推导和描述，用映射的观点，通过Normal Form这一数学工具研究了CSRe的非线性动力学。然后用加速器常用的软件（COSY INFINITY）研究了HIRFL-CSRe在各种状态下由于高阶场误差带来的非线性力对各阶共振力的影响。 最后，也是本文的核心部分。用MAD程序研究了CSRe横向动力学。对CSRe色品进行了校正，并计算了色品六极铁对CSRe Lattice的影响。对CSRe理想Lattice的动力学孔径进行了计算，然后根据实际测磁数据计算了CSRe在有二极铁和四极铁高阶误差等多种情况下的动力学孔径，最后通过实际实验时的束流的各种参数的测量说明了理论计算和实际情况一致，强度和稳定性都能够满足物理实验的要求。 本论文对CSRe系统的运行和CSRe各项实验有着一定的实际意义

深层治癌重离子束的配送

在辐射治疗应用方面，相比传统体外辐射疗法，高能量的重离子束流有着巨大的优势。近年来，世界上多数重离子治疗中心都对重离子的辐射特性已经进行了深入研究，从2006年起中国科学院近代物理所也开始了重离子辐射治疗肿瘤的临床实验。目前绝大多数重离子治癌中心都采用了包括一对独立的二极铁的束流配送系统，将从加速器引出的笔形束流在肿瘤的各层等深横截面上进行均匀照射。本文重点阐述了HIRFL-CSR重离子治癌装置中的束流配送系统的工作原理和分系统结构，包括深层治癌重离子束运线，终端扫描系统和根据治疗计划生成的扫描路径软件系统。第一部分简单介绍了世界上各大重离子医疗辐射工程，总结了医疗重离子加速器的设计经验，尤其对日本的HIMAC和德国GSI重离子治癌装置进行了详细介绍，同时对新型重离子治癌装置的特点和重离子治癌装置的发展方向进行了介绍。侧重分析研究了束流引出系统、控制系统和扫描系统的工作原理和相关在线设备，详细比较了两种扫描方式的优缺点。第二部分重点介绍了HIRFL-CSR加速器及其重离子辐射应用工程。CSR是中国第一台重离子冷却存储环，其主加速器CSRm是在兰州重离子治癌装置的核心，负责提供对应不同穿透深度不同能量的慢引出束流。兰州近代物理所的治癌临床实验分为三个阶段，其中第一阶段利用HIRFL辐照终端引出的重离子束流对浅层肿瘤进行适形照射。第二阶段利用CSRm引出的重离子束流开展对深层肿瘤的辐照实验，包括动物实验和临床实验。第三阶段在技术成熟后将小型医用重离子加速器向社会推广。第三部分中总结回顾了深层治癌重离子束运线的设计原理和和束运线的磁聚焦结构。对扫描系统（栅扫描和点扫描）进行了计算机模拟和束斑尺寸的控制方式进行了讨论。在重离子深层治癌进行第一次动物实验时，利用位于终端的分条电离室测试了治癌重离子束流的基本参量，得到了引出束流在垂直和水平方向以及束流微结构的品质信息，并用梯度法测量了束流的发射度。这些工作对于模拟不同引出束流情况对应的不同扫描方式时束流照射均匀度很有帮助，也给制定肿瘤的治疗计划提供了一些参考。最后论文还简单介绍了束流的共振引出系统，侧重说明引出束流的特性，提及重离子垂直治疗终端桶型旋转机架的设计

CSRe横向动力学研究

随着现代加速器向高能、强流、长寿命束流方向的发展，非线性动力学已经成为现代加速器研究中一个非常重要的课题。非线性力的引入使得束流在真空管道中的稳定性大大降低，对物理实验产生较大的影响。因此束流动力学尤其是非线性动力学，在现代加速器的研究中已经起着日益重要的作用。 本文首先对束流横向动力学的基础理论进行了介绍。然后通过实际的测量数据，利用MAD程序对CSRe的二极铁离散性误差和四极铁的安装误差所引起的闭轨畸变进行了模拟和校正，并比较了不同的校正方案，将CSRe的闭轨畸变均方根校正到了0.1mm以下。 接着本文介绍了动力学孔径的概念，并给出了非线性力存在时的动力学孔径的理解和此时动力学孔径的多种研究方法。 最后，本文利用MAD程序对CSRe的横向动力学进行了研究。对CSRe色品进行了校正，并计算了色品六极铁对CSRe Lattice的影响，分析了CSRe的色差效应。对CSRe理想Lattice的动力学孔径进行了跟踪模拟。 并对粒子能量为400MeV和600MeV时，存在二极铁和四极铁高阶场误差情况下的动力学孔径进行了跟踪研究。