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-CSRm电子冷却模拟与实验

本论文从理论、模拟和实验三方面研究了HIRFL-CSRm离子束的电子冷却累积过程。 在没有内靶实验装置的电子冷却储存环中，离子束的冷却过程，是离子在电子冷却效应和以束内散射为主的各种加热效应共同作用下，发射度收缩并趋于平衡的过程。其中磁化冷却力的求解是研究电子冷却效应的理论基础，本论文采用Monte-Carlo技术解决了两体碰撞模型下磁化冷却力复杂积分表达式的求解，探讨了影响磁化冷却力的参数。针对离子束内散射过程，论文在B-M模型下束内散射率表达式的基础上，通过应用Carlson第二类椭圆积分形式实现了束内散射导致的束流发射度和动量分散变化的快速计算，分析了其对HIRFL-CSRm冷却累积过程的影响。 由于冷却力是离子-电子相对速度的复杂函数，而且考虑离子在储存环中的横向振荡和纵向运动特性，以及电子束空间电荷效应等情况下，冷却过程中束流发射度和动量分散的时间变化率无法解析计算。本论文采用模型离子跟踪方法，模拟了离子束特征参数在冷却过程中的变化，明确了电子束参数对冷却过程的影响函数，计算了几种典型离子束冷却累积的最佳参数值，并对测量冷却效应的实验方法进行了模拟研究。 对HIRFL-CSRm五种重离子束流（7.07MeV/u12C4+、8.28MeV/u12C5+、7.07MeV/u12C6+、21.6MeV/u36Ar18+、2.93MeV/u129Xe27+）的电子冷却和累积过程进行了初步的实验研究。采用电子束能量调制的方法，测量了12C6+和36Ar18+离子束受到的纵向冷却力随离子-电子相对速度变化的函数，分析了电子束密度、形状及电子束-离子束夹角对36Ar18+离子受到的纵向冷却力大小的影响。通过改变Bump触发的间隔时间研究了12C6+离子的横向冷却效应。实验研究了电子束密度、形状对几种束流的累积效率及储存束流寿命的影响，以及Bump幅度、Bump时间结构、注入间隔时间、绝热展开因子等参数对束流累积效率的影响。实验测量并理论验证了12C6+和36Ar18+强流束的集体效应，探讨了强流离子束的不稳定性。最后，论文展望了在HIRFL-CSR上进一步开展电子冷却实验的方向

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-CSRm二极磁铁测量

本文从磁场测量的一般方法出发，简要介绍了磁场测量的基本理论和HIRFL-CSR（兰州重离子加速器冷却储存环）的二极铁积分测磁装置。测量装置主要包括探测线圈、积分器、步进电机驱动卡、步进电机、移动小车等。从HIRFL-CSR主环H型二极磁铁的设计要求出发， 根据积分测量的基本原理，着重介绍了CSR主环二极磁铁磁场分布测量、分散性测量、传递函数测量的方法、数据处理的方法和过程、及最后的测磁结果。为了提高测量结果的精度，使用了相对测量的方法，另外在分散性测量的论述中，用数学方法对相对测量进行了推导。在磁场分布性的测量中，根据测磁数据分析计算了磁场的高阶分量和二级铁的等效偏转角度随电流变化的结果。在测量分散性的过程中，对磁场垫补以达到CSR工程要求的方法和磁场特性了研究。在特殊磁铁的测量中，对调整线圈的磁场垫补的作用进行了测量。在CSRm二极铁的测量中，测磁的误差被给出， 且符合工程要求。

HIRFL电源改造的研究

本文结合HIRFL电源系统的改造，介绍了极高稳定度大功率晶闸管-调整管混合调节的直流稳流电源和晶闸管整流的大功率高稳定度直流电源的设计方法。前言叙述HIRFL加速器系统及其对电源的要求、现状、存在的问题以及改造的有关问题。第一章以MI2注入电源为例介绍了电源结构、主变压器的选择与设计、晶闸管的选择、电源保护方案的设计，本章最后一节从理论角度分析了设计高稳定度电源的几个关键环节。第二章介绍了各种触发电路理论，比较其各自的优缺点。第三章描述了晶闸管同步与异步混合触发技术的设计方法。第四章以MI2电源为例介绍了调节器设计。第五章从理论角度分析了12相整流谐波产生的原因及其衰减的方法。第六章介绍了纹波环的设计、无源滤波、有源滤波、整流变压器原边滤波，并应用于2B01电源的设计中。第七章综合了前述各章的理论分析，将它们应用电源改造的实践，介绍了MI1电源、MI2电源、ME4电源、ME5电源、SFC主电源、及2B01电源等的研产、性能、测量以及它们的各项技术指标。第八章介绍了HIRFL-CSR脉冲二极磁铁电源预研设计方案及其初步研制结果。

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。

CSR中束流变压器的分析设计及射频堆积计算机模拟程序

兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL－CSR），作为一个新型加速器，对监控它运行的探测器性能提出了新的要求，研制新型、高精度、高性能的探测器是CSR建立的必然要求。我们为它设计了两种基于二次电子的飞行时间探测器。该探测器具有极好的时间分辨、非常少的能损和多重散射。特别在超重粒子的合成试验中，探测超重粒子非常合适。本论文包括四个章节。第一章综述了飞行时间探测器技术，简单介绍了RIBLL的飞行时间系统和CSR的飞行时间系统以及测量飞行时间的基本原理；并简单介绍了CSR束流诊断系统束流诊断元件的分布、种类及参数和本论文的研究工作及意义。第二章是和本论文飞行时间探测器有关的一些知识。简要阐述了二次电子发射原理；并对探测器用到的主要放大元件微通道板作了详细介绍。第三章和第四章详细论述了研制的两种基于二次电子的飞行时间探测器。它们分别采用电场和磁场将二次电子偏转到微通道板上放大来得到时间信号。详细介绍了探测器的结构、参数；并测量了它们的时间分辨。此外，还研制了一种非拦截式的束流诊断元件一一容性相位探针，包括探针的结构及测试结果。

关系数据库在CSR准直安装中的应用及CSR测量控制网的设计

国家“九五”重大科学工程项目一兰州重离子加速器冷却储存环工程 CIRFL－CSR），其准直安装由于所涉及的范围大，对元件的定位精度要求极高，所以难度很大．针对工程的特殊要求和具体情况，我们在HIRFL－CSR的准直安装中采取了一系列新的方法和仪器．其中包括建立测量控制网，使用激光跟踪仪进行测量和安装定位．本论文主要介绍了HIRFL－CSR的准直安装的总体方案佩介绍了SMX4500型激光跟踪仪的特点和主要功能佩结合激光跟踪仪的特点，建立了CSR准直安装数据库系统；测量控制网的设计．结合工程的具体特点和仪器的功能，我们拟定了“分层建网，逐段控制”的建网方案．分别设计了CSRm, CSRer前注入线，RIB II各个部分的控制网，以及全局控制网．控制网图用AUTOCAD2000直接在相应的工程图上绘出，再将控制网参数输入到NASEW95中进行平差计算．并且编写了从AUTOCAD2000到NASEW95的数据交换程序，实现了数据交换的自动化．在控制网设计的过程中，采用了方便高效的“自由设站”的方法，和传统的方法相比，用较小的工作量，获得了更多的参加平差的网点．另外，采用了一种特殊形式的闭合延伸导线延伸网，使环上的控制网点的数量减少一半以上，而精度却有所增加。根据激光跟踪仪的特点，建立了一个关系数据库系统，并编写了其前端应用程序，实现了HIRFL－CSR准直安装过程中的数据存储，坐标转换，以及必要的文件格式转换等功能．对于安装定位，采取以下措施：分别建立元件坐标系，局部坐标系和全局坐标系，然后用坐标转换的方法，将不可见的元件磁中心的局部坐标值，转化为安装定位时可用的靶标座的局部坐标值，最后用激光跟踪仪进行安装定位．在安装定位过程中，由于激光跟踪仪可同时监测靶标点的X，Y，Z坐标，所以元件的平面坐标值(X, Y)和竖直方向的坐标值（Z）可同时考虑，一次调整完．改变了传统的准直过程中的元件的水平和平面位置分两次调整的方法．

CSR切割磁铁研制

切割磁铁主要用于加速器束流的注入和引出系统中。从结构和用途上来看，切割磁铁是一种特殊的二极偏转磁铁；与常规的二极磁铁相比，它有结构复杂、好场区位置特殊、杂散磁场低、运行条件苛刻等特点。特别是切割磁铁的切割边，设计和制造相当复杂，它是屏蔽杂散磁场、得到理想磁场分布的决定因素；另外，为了便于真空管道的烘烤，防止烘烤真空管道时烧坏磁铁线圈，切割磁铁还必须有一套调节灵活、复位方便的传动机构。HIRFL-CSR工程共有四台切割磁铁用于加速器束流的注入和引出系统中。论文介绍了切割磁铁的选型、切割磁铁样机的电磁设计、二维磁场计算、结构设计以及工艺设计等磁铁设计的全部过程；另外，对切割磁铁样机总体的以及主要部件的技术要求、加工以及测试结果也作了比较全面的介绍。论文详细介绍了切割磁铁样机的二维磁场的计算；因为就目前的技术水平来说，二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；特别是二维磁场的计算结果，是磁铁设计的主要技术依据，是一种经济实用的模拟过程。一些比较成熟的场计算软件，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。切割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。样机的成功研制为切割磁铁的设计和加工积累了经验。

用于RIBLL和CSR的气体探测的研制

气体探测器是历史最悠久的核探测器之一气体探测器具有成本低廉、制备简单、性能可靠和使用方便等特点。而且气体探测器的形状和尺寸可任意设计，厚度可随气体气压的变化而改变，适合做大面积位置灵敏、大立本角探测和有较宽的动态测量范围。所以气体探测器在各自的应用范围内发挥着巨大的作用。在兰州放射性束流线（RIBLL）上开展次级束实验的过程中，束流的定位和发散度测定都是非常重要的。我们研制了两种高性能的双维位置灵勘平行板雪崩计数器（PPAC），一种为传统的三个极板结构，另外一种为五个极板的多极结构，分别适用于较重粒子和轻粒子的位置测量。对于五个极板的多极结构的探测器，灵敏面积为100mm×100mm，采用电荷分除法读出位置，我们用3组分α源测试，工作气体选用异丁烷。测试在6.5mb气压下，位置分辨为0.55mm（FWHM），探测效率大于99.2％，位置离散小于士0.2mm。一系列的性能指标都达到了同类探测器的最好水平。该探测器和以前研制的三极板PPAC的性能均已满足RIBLL的要求，将会用作RIBLL重要的束诊元件和位置探测器。同时改进后还能在即将建成的兰州重离子加速器冷却存储环（HIRFL-CSR）上的束流诊断过程中发挥重要的作用。同时，为在RIBLL上开展超重元素和超重核素的合成实验研制了一种多阳极横向场气体电离室（MAIC）。在100mbP10气体下，对应第四块大灵敏区域，5.806MeV~(244)Cm的α粒子的能量损失为1.30MeV，得出该探测器的能量分辨为41.1keV（FwHM），相对分辨为3.16％。该探测器适合于较重粒子的鉴别，性能指标已经满足RIBLL鉴glI灼子的要求。

嵌入式技术在CSR控制系统中的应用

加速器控制系统的前端控制服务器系统的实现方案已经有很多，但随着电子技术的发展，特别是嵌入式技术的发展，又有很多新的性能更高，成本更低，实现更简单的力一案产生。值CSR控制系统的新建和HIRFL控制系统的改造之机，本文在总结前人技术的基础上，提出了一科，采用嵌入式技术实现前端控制服务器系统的新型方案。本文首先简要地介绍了CSR控制系统的基本思想和前端控制服务器系统，引出前端控制服务器系统的嵌入式技术实现方案。然后对CSR控制系统的被控对象，目前现场总线的发展和嵌入式技术的最新进展进行了一些分析，找到CSR控制系统中前端控制服务器系统的嵌入式技术方案的最佳实现方法，即采用嵌入式网关将RS-485总线接入以太网的方案。接下来就着重论述了基于RS-485总线的一些关键的嵌入式模块的研制，比如数字1／0模块，ADC模块，高精度ADC模块，嵌入式网关模块等等。通过这些模块的研制和测试成功，我们可以根据需要，选择适当的模块，搭建各个前端控制服务器系统的子系统。实践证明，这种采用嵌入式网关将RS-485总线接入以太网的技术去构建前端控制服务器系统的实现方法是可行的，该方案在性能、降低成本、集成度、稳定性、网络化等方面都有显著的提高。可以预见，随着嵌入式技术的发展，我们的控制方案会越来越完善。

CSR控制系统—前端现场服务器系统的COM控制组件库

HIRFL-CSR（童话垂离子冷却储存环）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。作为这样一个大型的控制系统，是由多个子系统分别组成的。在CSR新的控制方案中，我们允许用户通过访问网页来控制设备和获知设备的当前运行情况。本文主要描述了三个子系统中设备控制的实现和设备监控程序的实现，分别采用了COM组件技术和Win32应用程序。本文首先介绍了Windows编程，win32应用程序，开发COM组件工具ATL，和COM组件的基本概念。随后详细介绍了在实现设备控制和设备监控程序中所应用的各种技术，包括：多线程的实现、川州访问远立湍数据库、串日通信的实现，对硬件板卡的访问。其次，还介绍了各个子系统控制软件的结构和总体设计，包括了被控设务的COM组件的设计，监控程序的设计和功能实现方案。主要以电子冷却控制系统为例，详细介绍了分别用于控制常压端和高压端设备的COM组件功能实现和常压端监控程序、高压端监控程序功能的实现。整个论文的工作完成了CSR控制系统中子系统的CPM组件和设备监控程序的软件编制，调试。为以后开发和实现控制系统的COM组件和设备监控程序提供了一个原型。

CSR磁场测量系统的建立及运行

CSR磁场测量系统是国家大科学工程兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）的一个重要组成部分，它的建立对工程建设有着重要的现实意义。磁场测量数据是加速器束流动力学模拟、磁铁准直安装以及调束参数预置的根本依据，准确可靠的磁场参数测量更是加速器运行的一个重要保证。本论文从磁场测量的基本理论出发介绍了用于加速器磁铁各个方面参数测量的基本方法，并根据CSR对于磁铁参数的具体要求，结合国内外许多同类实验室的经验，制定了CSR磁铁测量方案；组建了三套用于不同目的的测量系统：Hall点测系统、积分测量系统和谐波测量系统。文中介绍了各测量系统的具体构成和运行模式，并对系统中主要元件的结构和参数设计以及实际加工工艺和质量检测的情况作了详细论述。通过理论分析和实际测量，讨论了CSR测磁系统中各种测量探头系统误差产生的原因和大小，以及测量中使用到的电子设备的误差和稳定性。在系统建成后，通过对不同环境下同一数据的长期重复性测量，认为各个测量系统是具有长期稳定性和重复性的。论文最后介绍了新组建的测磁系统在CSRJn注入线二极磁铁和四极磁铁的测量方面的实际应用，在对测磁数据结果分析的基础上讨论了CSR原型磁铁的设计和加工过程中存在的问题，以及CSRIn磁铁加工中应做出的改进和注意事项。