兰州重离子冷却储存环束流踢轨控制系统

 踢轨系统是一种以快速脉冲方式工作的以高压大电流驱动的特殊二极磁铁系统,用于环形加速器的束流注入和引出。简要介绍了在兰州重离子加速器冷却储存环上采用ARM+DSP+FPGA技术实现踢轨控制时序的方法,时间控制精度达ns量级。ARM主要控制信号的网络通讯,踢轨系统的时序精度控制主要由DSP结合FPGA技术完成。远程时序控制信号均通过光纤传输,同时对踢轨电源的电压给定采用信号隔离器及铁氧体以抑制脉冲干扰。经现场测试,系统可以安全稳定地实现束流踢轨的控制要求。     

兰州重离子加速器冷却储存环

 兰州重离子加速器(HIRFL)由用作注入器的扇聚焦回旋加速器(SFC)和分离扇回旋加速器(主加速器SSC)组成,是加速中、低能重离子束流的回旋加速器系统.     

兰州重离子冷却储存环工程

兰州重离子加速器冷却储存环是兰州重离子研究装置的后续工程 .它的建造目的是将重离子束的能量提高到 1 Ge V/u附近 ,同时利用储存环电子冷却技术将束流品质提高一个数量级 ,并提供更多种类的重离子束 ,以开展更广范围和更高精度的物理实验 .兰州重离子加速器冷却储存环是一个双储存环系统 ,由一个主环和一个实验环构成 .对其总体布局、总体参数、主要功能进行了介绍. HIRFL- CSR, a new accelerator project at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL), is a multipurpose Cooling Storage Ring system which consists of a main ring (CSRm) and an experimental ring (CSRe). Beams from HIRFL will be accumulated and accelerated in CSRm, and then transported to CSRe for internal target experiments. The layout, major parameters and main functions of the CSR were described.     

兰州重离子加速器冷却储存环

 兰州重离子加速器冷却储存环HIRFL-CSR,是一个多用途、多功能的双冷却储存环同步加速器系统,由主环CSRm和实验环CSRe构成,并以兰州重离子级联回旋加速器HIRFL作注入器。CSR利用高频变谐波的方法,将重离子束的能量从7～25 MeV/u同步加速到２00～1 000 MeV/u,同时利用重离子储存环中空心电子束冷却技术将束流品质提高１个数量级,并通过储存环的快引出及慢引出,提供多种类的重离子束以及放射性次级束(RIBs),以开展范围更广精度更高的物理实验。该装置于2007年投入运行,已取得了重要的运行结果,如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的产生收集与ToF高分辨质量测量以及高能重离子束的变能慢引出等。     

兰州重离子加速器冷却存储环控制系统

为了完成建设兰州重离子加速器冷却存储环,自主研发设计了其大型分布式控制系统。控制系统从功能上分为三层：业务管理层、前端控制层以及设备控制层。业务管理层主要包含控制管理程序、中心数据库以及同步时间系统;前端控制层主要包含前端服务器、前端控制器以及各其他控制器等;设备控制层主要为微控制单元 (MCU)多功能控制器以及被控设备等。其中中央数据库存储整个加速器的所有控制数据,为变能时控制系统的控制数据切换提供数据支持。从长期运行情况来看,控制系统需要进行相应的改进,但是能基本满足现行的实验需求。     

兰州重离子加速器冷却储存环kicker磁铁设计

 介绍了兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）CSRm引出kicker磁铁的物理设计、参数计算以及结构设计和加工。为了减小电感,使上升时间达到要求,CSRm引出kicker磁铁采用分布式的传输线方案,同时将无感电容与磁铁并联以满足匹配的问题。磁铁用单匝线圈和铁氧体铁芯来降低电感、减少涡流损耗,并采取两台电源成对供电、导体一端共地的结构形式消除杂散电感和轴向场,这种方式不但消除了过桥的不利影响,而且可通过调节导体间距离方便的调节磁场均匀区宽度和磁铁电感。完成设计后磁铁电感小于1 μH,在140 mm范围内磁场均匀度好于±0. 5%,最高磁场达到0.038 T,最大峰值激磁电流约为2.5 kA。     

兰州重离子加速器冷却储存环kicker磁铁设计

介绍了兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）CSRm引出kicker磁铁的物理设计、参数计算以及结构设计和加工。为了减小电感,使上升时间达到要求,CSRm引出kicker磁铁采用分布式的传输线方案,同时将无感电容与磁铁并联以满足匹配的问题。磁铁用单匝线圈和铁氧体铁芯来降低电感、减少涡流损耗,并采取两台电源成对供电、导体一端共地的结构形式消除杂散电感和轴向场,这种方式不但消除了过桥的不利影响,而且可通过调节导体间距离方便的调节磁场均匀区宽度和磁铁电感。完成设计后磁铁电感小于1 μH,在140 mm范围内磁场均匀度好于±0. 5%,最高磁场达到0.038 T,最大峰值激磁电流约为2.5 kA。     

兰州重离子冷却储存环二极磁铁设计

介绍了兰州重离子冷却储存环主环(CSRm)的改进W型二极磁铁和实验环(CSRe)C型二极磁铁的磁场计算和物理设计,在降低了磁铁造价和运行费用的前提下设计参数达到或超过了物理要求.根据样机的加工和检测结果来看,所有的磁场计算和物理设计的结果是可靠的.Magnetic field calculation and design of CSRm modified W-type dipoles and of CSRe C-type dipoles are presented in this paper. Under the condition of lower cost, all of the designed parameters are better than required values. Now the prototype has been fabricated and also the magnetic field measurement has been done. According to the measured results, all the calculation and design are very reliable.     

兰州重离子加速器冷却储存环束流累积研究

对兰州重离子加速器冷却储存环加速器主体的主要功能环——主环的束流累积方法和设计进行了研究 .为了使主环对不同种类的重离子束流都具有较强的累积能力 ,在设计时考虑采用电子冷却参与下的两种束流累积方法 :多次多圈注入和射频堆积 .对这两种方法 ,电子冷却的冷却时间都是将束流累积到高流强的关键因素. The beam accumulation methods of HIRFL CSR(Heavy Ion Research Facility of Lanzhou and Cooler Storage Rings) project were studied. Two accumulation methods will be adopted to increase the beam intensity of CSRm. For both multiple multi turn injection method and RF stacking method, electron cooling of beam plays an important role.     

强流质子RFQ加速器高频数字低电平控制系统

强流质子RFQ加速器加速场的频率为352.2 MHz,加速场幅度和相位的精度分别要求控制在±1%和±1°的范围,为了达到这一要求,设计了一套数字低电平控制系统,该系统包括加速场的幅度和相位控制、腔体的谐振频率控制和高功率射频连锁保护3个部分。腔体采样信号的下变频及反馈激励信号的上变频由模拟器件来完成。幅相实时反馈处理过程采用数字I/Q解调的方法,在1块stratixⅡ的FPGA板上实现,板上另有3块DSP用于通信和协助FPGA进行数据处理。系统完成后与RFQ加速器进行联机调试,测试结果基本满足控制精度的要求。     

HIRFL-CSRE 脉冲堆积式高频数字低电平系统

为突破传统束流堆积方式瓶颈、提高重离子流强,兰州重离子加速器冷却储存实验环（HIRFL-CSRe）将采用移动式脉冲堆积方案（Moving Barrier Bucket）。该方案要求高频系统能产生高精度的单正弦电压,然而由于Barrier Bucket（BB）电压的宽带特性以及高频系统的非线性,高频腔内的BB电压存在着严重的失真问题。针对此问题,在全面分析了BB电压波形特性以及高频系统的频率响应的基础上,设计了BB电压预失真前馈控制方案,并详细描述了该方案的原理、仿真、软硬件设计以及实际测试结果。研究成果将应用于HIRFL-CSRe的BB束流堆积实验以及十二五强流重离子加速器（HIAF）的BB堆积模式。     

上海光源数字化低电平控制系统的硬件设计与实现

 设计了上海光源高频低电平控制系统,它是以数字化技术为基础,采用上下变频和IQ调制解调技术,实现幅度、频率和相位的反馈控制。上海光源储存环的束流设计流强为300 mA,为了抑制由此带来的Robinson不稳定性和纵向零模束流振荡,加入了高频直接反馈和零模束流反馈环路。从上下变频技术、IQ调制解调技术、时钟分配及锁相技术等方面对上海光源数字化低电平系统的硬件设计及其实现进行了阐述,给出了该系统试验、高功率下运行的测试结果,实现了设计要求的幅度控制精度±1%、频率控制精度 ±10 Hz和相位控制精度± 1°的技术指标。     

Design of a low level radio frequency control system for the direct current-superconductive photocathode injector at Peking University

A digital low level radio frequency (LLRF) control system based on a high precision field-programmable gate array (FPGA) is being developed for the stable operation of the upgraded direct current-superconductive (DC-SC) photocathode injector at Peking University. The design of this LLRF control system is described, including both the hardware and the internal algorithm. Analysis of disturbances shows that the system can achieve the requirement of ±0.1% for amplitude stability and ±0.1° for phase stability. Through experiments, preliminary results are presented in the paper.     

HIRFL-CSR实验环高频同轴谐振腔设计原理

介绍了同步加速器高频铁氧体加载腔体的设计原理和设计计算过程。 详细说明了腔体加载铁氧体材料的作用和意义, 并对传统的传输线理论计算结果、 CST(Computer Simulation Technology)软件模拟计算结果和实际腔体测量结果进行了比较。 In this paper, the principle and the process of design and calculation based on RF ferrite loaded coaxial cavity in synchrotron are presented. The function and significance of cavity loaded by ferrite are elaborated in detail. Then the calculated results by traditional transmission line theory, software simulated results by Computer Simulation Technology(CST ) and the actual cavity measured results are compared.     

重离子加速器实验环内靶控制系统

介绍了国家大科学工程项目——兰州重离子加速器冷却储存环实验环团簇内靶装置的控制系统.该系统基于VAC800,VAC600和TC硬件平台,集成了温度测量与控制、真空与阀门监控及分子泵监控等功能,能够实时实现对温度、真空度的远程监控,满足了内靶实验的需求.在该控制系统的支持下,成功地完成了Me54+离子与氮气靶碰撞实验.该...     

基于AD9854重离子治癌加速器高频控制器设计

介绍了兰州重离子治癌加速器治疗装置的高频控制系统原理、软件设计、硬件配置和布局。提出并实现了对重离子治癌加速器高频控制系统的高频腔体的精确控制。在硬件上,重离子治癌加速器高频控制系统硬件平台由监视控制板和数据分析板两部分构成,采用双FPGA+DSP+DDS+PXI 结构,此结构具有强大的数据处理能力,其核心器件是FPGA和DDS。通过设计编写FPGA VHDL代码实现对DDS芯片的配置,产生的IQ两路信号,分别发送到高频腔、幅度调制器以及偏流电源上,完成幅相同调和频率调制。通过该设计,实现与DAC和ADC操作配合进行高速高效的数据传输,产生高品质束流。     

基于MTCA的HLS-Ⅱ直线加速器低电平系统改造

合肥光源(HLS-Ⅱ)在重大维修改造之后,其光源性能有了很大的提升。为了进一步实现连续、平稳地供光,需要对其进行恒流改造。恒流运行要求直线加速器的微波功率源有长期的稳定性与可靠性,旧的模拟低电平控制系统满足不了要求。本文基于微型电信计算平台(MTCA)设计实现了数字低电平控制系统,控制微波功率源的幅度和相位,它由以FPGA为核心的数字板卡、射频板卡、 MTCA机箱以及频率合成系统组成。该数字低电平系统工作在2 856 MHz的S波段,在线运行幅度稳定度达到0.04%,相位稳定度达到0.2°,满足恒流改造对直线加速器数字低电平系统0.25°相位抖动RMS值的相位精度要求。     

CAN总线在组合导航系统中的应用

基于DSP FPGA结构的石油仪器组合导航系统中CAN总线系统设计,为了使数据能够在整个CAN总线网络协调、有效、快速、稳定的传输,提出了一种使用FPGA作为CAN总线节点结构中的核心处理器的设计方法。CAN控制器采用具有SPI接口的MCP2515,利用FPGA实现MCP2515的初始化、数据的发送和接收,实现了DSP处理器的CAN总线扩展应用。该方法由于把CAN节点控制的大量的工作交给FPGA实现,DSP只需要对FPGA中CAN数据接收FIFO和CAN数据发送FIFO进行读写操作,即可完成CAN总线的数据读写操作,大大减轻了DSP的数据处理压力。试验测试及产品应用表明,本设计有效、稳定可靠、可扩展性好,易于修改和移植,具有较强的工程实用价值。