SSRF电子枪控制系统的设计与实现

电子枪是上海光源SSRF(Shanghai Synchrotron Radiation Facility)中的直线加速器的关键部件,上海光源的束流品质很大程度上取决于电子枪的束流指标,因此电子枪需要一个稳定的控制系统来保证其可靠运行.本文介绍了上海光源电子枪控制系统的设计与实现过程.该系统底层采用可编程控制器PLC(Programmable Logic Controller)作为设备控制器,上层监控软件使用加速器控制系统通用软件EPICS (Experimental Physical and Industrial Control System),整个控制系统基于以太网连接.PLC和以太网技术的应用,使该系统具有可靠性好、易于维护等特点.     

上海光源数字化束流位置信号处理器测试平台研制

数字化束流位置信号处理器(Digital Beam Position Monitor Processor,DBPM)是上海光源自主研发作为束流位置监测(Beam Position Monitor,BPM)的主要设备。针对DBPM电子学处理器产品化测试需求开发了一套基于MATLAB和程控技术的自动化测试平台,用于处理器批量测试验收和性能评估。平台使用Agilent MXG信号源和一分四功分器模拟4路真实探头信号,经过处理器采集处理后被上位机接收。测试仪器的设置和实验数据的获取,整个系统是基于客户端和服务器架构实现的。采用物理实验与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)的通道访问Lab CA接口实现数据的实时采集。目前该测试平台已经成功应用于大连自由电子激光装置和上海软X射线自由电子激光装置的DBPM处理器验收测试,处理器幅频响应曲线,不同衰减下模数变换器(Analog to Digital Converter,ADC)噪声水平测试、衰减步长一致性、通道间串扰及信噪比测试结果均达到设计指标。     

SSRF高频低电平系统预制研究

上海同步辐射装置(SSRF)预研阶段完成了一套500MHz高频系统的低电平控制系统,它主要由信号源、速调管的激励控制、三个反馈控制环路和连锁保护构成。本文重点介绍三个反馈环路的设计、测量和调试结果。     

上海光源谐波腔系统的前端变频模块方案设计

上海光源是第三代同步辐射光源。在上海光源的二期工程中,超导三次谐波腔将用于拉伸束团长度,提升束流托歇克寿命。三次谐波腔工作在被动模式下,谐波腔工作频率(约1.5 GHz)为主腔工作频率(约500 MHz)的三倍。为实现谐波腔高频系统的调谐控制,需要对1.5 GHz信号进行下变频处理,便于后端对信号采样处理。本文介绍了三种下变频的方案,将1.5 GHz射频信号降频为31.25 MHz中频信号,分析了各个方案的特点和影响下变频结果的因素。测试结果显示:三种变频方案在不同的动态范围具有良好的线性,均已满足谐波腔控制需求。其中基于倍频器的变频模块为最优方案,其线性动态区间大于70 dB,同时产生的中频信号的相位噪声最低,最终将在谐波腔的控制系统中采用。     

FPGA实现次谐波聚束器的幅相控制

为满足上海光源Top-up运行模式的需要,保证光源直线加速器提供稳定的、高品质的束流,研制了次谐波聚束器的低电平控制系统。以可编程逻辑门阵列(FPGA)为基础,利用上下变频、IQ调制解调技术实现了次谐波聚束器幅度和相位的反馈控制。介绍了数字化技术的原理及上层应用程序的开发,并进行桌面测试,实现了幅度控制精度1%、相位控制精度1的技术指标。     

合肥光源储存环新高频控制系统

合肥光源储存环新高频控制系统是一基于EPICS(ExperimentPhysicsandIndustrialControlSystem)的分布式控制系统。本文描述了其硬件结构、软件设计及测试结果。一年多的运行表明，该控制系统能很好地满足与高频系统相关的机器研究和运行的需要。     

以太网技术在SSRF设备控制中的应用

随着工控技术和以太网技术的发展,可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)基本都具备了以太网连接功能。上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)大量采用了PLC作为设备控制器。应用以太网技术在上海光源设备控制中,通过以太网技术可以使设备控制器直接连接至控制网络。采用以太网技术简化了控制系统结构,同时也便于系统维护和升级。     

基于MicroTCA的自动频率控制系统

高品质的束流是产生高品质同步辐射光或自由电子激光的关键,电子直线加速器作为同步辐射光源的注入器,其性能表现直接影响到束流品质。为降低噪声(温度变化、机械振动等)的干扰,本文研究和实现了一个通用、鲁棒、高效、可扩展性好的电子直线加速器低电平控制系统。目前已经实现了自动频率控制(Automatic Frequency Control,AFC)功能,更多控制功能将会陆续实现。该系统基于MicroTCA,选用实验物理与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)架构,采用C/C++开发,利用PID(ProportionIntegral-Differential)算法和最小二乘法,能够采用两种不同的方法进行自动频率控制。在巴西Sirius光源直线加速器实验装置上对该控制系统进行调试和测试,结果表明,两种AFC方法都是有效的,且存在明显差异,未来将进一步优化和完善。     

基于FPGA的CSR高频控制系统相位求解模块设计

CSR高频控制系统需要对高频正弦波激励信号的幅度、相位、频率进行稳定控制。相位arctan(Q/I)求解是必不可少的模块。论述了一种新的基于FPGA平台和对称查找表法(SBTM)的求解相位arctan(Q/I)的方法,做了详细的理论分析,给出了具体实现的代码和结果。该模块精度高,消耗资源少,可直接应用于CSR高频控制系统。     

数字化LLRF频调环路的步进电机控制算法设计

本文介绍用于超导高频腔频率调谐环路控制中具有自动联锁保护功能的二相步进电机的控制算法。设计以可编程门阵列(FPGA)为核心部件,采用低频启动,逐步升频过渡到稳定工作状态,实现步进电机的平稳运行;通过设置联锁控制信号回路,实现步进电机在运动过程中的超限自动联锁保护功能。测试结果显示,通过优化设置不同的启动频率,不同的升频速度,实现了步进电机在上海光源超导高频腔上的稳定运行。     

基于BEAST的合肥光源报警系统

合肥光源报警系统用于实时监测设备故障并发布报警信息,是合肥光源控制系统的重要组成部分。该系统以美国橡树岭国家实验室开发的报警软件BEAST(Beast Ever Alarm System Toolkit)为基础进行二次开发,借助BEAST中Alarm Server组件监测IOC(Input/Output Controller)中记录的报警状态;采用JSP(Java Server Page)技术开发了报警信息查询网页,可通过浏览器实时查询报警信息;同时使用Java多线程技术开发了基于短信和电子邮件的报警信息发送程序,以短信和电子邮件两种方式将紧急报警信息及时发送给相关技术人员。目前,报警系统已经在合肥光源中投入运行,系统性能稳定,表现良好,可帮助相关技术人员快速有效地处理报警信息。     

基于MySQL的上海光源光束线运行数据管理系统

上海光源(SSRF)的控制系统采用的是基于Linux的EPICS系统,并使用自带的数据获取工具Channel Archiver实现运行数据的存储与管理。论文介绍了使用功能性较强的RDBMS(本文使用的是MySQL)和通用性较强的web方式来实现上海光源光束线的运行数据管理。在分析了Channel Ar-chiver以及它在EPICS的通信方式后,开发了数据获取引擎,并由此将数据导入MySQL数据库。之后开发了相关的查询系统,并提出一种改进型的提示查询方式。最后实现了基于MySQL的web方式的运行数据管理系统。该系统实现方便快捷,界面友好,并且可以实现跨平台的数据访问。     

基于I/Q解调原理的校准方法及实验

同相/正交(In-phase/Quadrature,I/Q)解调技术广泛应用于射频信号相位控制系统。I/Q器件存在固有误差,如直流偏置、幅度不平衡、相位不平衡和电路长度不等。这些误差会导致输出的I/Q轨迹呈椭圆,相位为非线性,影响相位鉴别的精度。为减小误差带来的影响,提出一种基于I/Q解调技术的软件校准方法,并将此方法在自制基于贴片式芯片集成的I/Q解调印刷电路板上验证。测试表明,输出的I/Q信号经校准后相位误差≤±0.15°,幅度稳定度≤±1%,通道延时≤10 ns。此板卡设计和校准方法已在新升级的上海光源储存环高频束流丢失分析系统中的射频信号前端预处理中使用,各项指标均满足束流丢失分析系统中射频信号监测的要求。     

上海质子治疗装置动态电源控制系统

上海质子治疗装置是由中国科学院上海应用物理研究所研制的首台全国产化的质子治疗设备。注入器产生不同能量的质子束满足多样化的治疗所需,而对不同能量束流的轨道约束则由加速器主环动态电源和对应磁铁动态电流的调整来实现。为了避免磁场动态改变时磁铁涡流特性变化带来的干扰,在传统静态电源控制基础上,利用PCASpy模块设计了全新符合实验物理及工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)规范的上层控制系统,通过高速下载预设电流波形和过程控制,基本消除了涡流影响。该控制系统目前已在主环束流调试过程中正常使用。     

上海光源数据存档引擎的设计与实现

EPICS是目前国内大型加速器装置普遍采用的分布式控制系统软件平台。Channel Archiver为EPICS自带数据存档工具集,主要用于实现对试验数据的快速存取和检索,作为其核心的Archive Engine,专门负责数据的存档工作。通过对Archive Engine进行的分析,提出其应用于上海光源的不足之处。针对这些不足,结合了最新的XML技术对存档引擎进行了修改,并对修改后的引擎进行了测试。     

基于DSP的运动控制器的研究与实现

步进电机定位控制是上海光源(SSRF)光束线站控制系统的主要任务,论文基于SEED_EDC138开发板设计了基于DSP的步进电机运动控制器,实现了基本的定位控制,并针对光束线站控制需求,设计了梯形速度曲线、坐标系统和操作员界面,测试结果表明,该控制器可以实现步进电机的精确定位。     

基于DCM的QXAFS数据采集与控制

快速扫描X射线精细结构谱(Quick-scanning X-ray Absorption Fine Structure,QXAFS)是测定特定吸收原子近邻环境结构的一个强有力的工具,已广泛应用在固体物理、催化剂和蛋白质分子等领域。双晶单色器(Double Crystal Monochromator,DCM)是上海光源XAFS光束线站的关键设备,它能够将一定波长范围内的白光单色化,并将单色光束稳定出射至下游光学元件。上海光源XAFS光束线站数据采集程序是在Lab VIEW环境下开发的,而其采用了步进电机的DCM控制系统则采用了基于分布式控制的实验物理及工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)。由于运行环境不同,两者在装置联动时不可避免存在网络延时的缺陷并使得XAFS谱发生变形和不连续的问题。在EPICS环境下产生硬件触发信号并用其同步采集电离室和步进电机的信号,实现QXAFS数据的实时采集与控制。对标准铜箔样品进行了实验测试,结果表明该方法不仅可以保证系统获得较高的信噪比,而且可以在小于8 s的时间内获取一个完整的QXAFS谱,在小于500 ms时间内获得一个近边结构谱。该系统的实现对上海光源开展快速时间分辨的QXAFS实验具有重要的应用意义。     

上海光源储存环X-ray针孔相机系统设计

上海光源(SSRF)储存环X-ray针孔相机系统主要由X-ray引出前端、衰减片、小孔、靶片、相机、PXI控制器及图像采集等构成,数据采集处理软件在LabVIEW平台上开发,与控制系统的接口通过EPICS Shared Memory IOCcore技术实现。2009年8月开始的长时间在线运行证明引出前端是安全的,在300mA运行时,测量引出窗的最高温度≤36℃。该系统设计合理、性能稳定,可在线实时测量数十μm束团横向截面尺寸,从而实现3.9nm·rad发射度的测量。     

SSRF储存环高频屏蔽波纹管的研制

建造中的上海光源即上海同步辐射装置(SSRF)储存环将采用内装高频屏蔽机构的波纹管——高频屏蔽波纹管。SSRF采用了由接触指和弹簧指构成的双指型屏蔽机构。屏蔽机构的关键设计参数是由SSRF壁电流和壁电场所决定的指间接触力和高次模决定的相邻接触指间的缝隙宽度和长度。对高频屏蔽波纹管进行了热测试和阻抗测试。测试结果表明,接触力、缝隙和阻抗都适合SSRF的实际运行条件。     

穿透型金刚石X射线位置灵敏探测器及其在同步辐射光束线上的应用

X射线位置灵敏探测器是同步辐射光束线上不可缺少的重要部件,由它所提供的光束位置和强度的实时数据是监测光束线运行状态的重要依据。为适应对高亮度同步辐射光束的测量需要,我们成功地研制了一套穿透型金刚石位置灵敏探测器,并在上海光源生物大分子结构晶体学束线(BL17U1)上对其性能进行了测定。测量数据表明,在整块探测器(2.5 mm×2.5 mm)上均具有极好的线性响应,探测器的信/噪比(S/N)5×103,位置分辨能力为s=(136±11)nm,光强强度的测量精度和线性度均0.1%,能满足第三代同步辐射和第四代光源(自由电子激光)束线上对光强、光斑位置及其运动轨迹的监测需求,是束线诊断的重要设备。