中國散裂中子源質(zhì)子加速器束流相位及能量測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、中子散射具有非常廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是21世紀(jì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究的極為重要的手段。為滿足我國前沿重要領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)發(fā)展的需要，提升我國的創(chuàng)新研究工作的水平，迫切需要建設(shè)中國散裂中子源(CSNS，China Spallation Neutron Source)這一重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。CSNS一期總體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：打靶質(zhì)子束流功率100kW，脈沖重復(fù)頻率25Hz，每脈沖質(zhì)子數(shù)1.56×103，質(zhì)子動(dòng)能1.6GeV。CSNS建成出束

2、時(shí)，將與英國，美國，日本的散裂中子源相并列，稱為世界上四大主要脈沖散裂中子源科學(xué)中心之一。 CSNS主要由離子源，強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器，快循環(huán)同步加速器(RCS，Rapid Cycling Synchrotron)，靶站，中子譜儀和科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等部分組成。從離子源(IS，lon Source)產(chǎn)生的負(fù)氫離子束流，通過射頻四極加速器(RFQ，Radio-Frequency Quadruple)聚束和加速后，由漂移管直線加速器(DT

3、L，Drift Tube Linac)將能量進(jìn)一步提高，經(jīng)剝離后注入到快循環(huán)同步加速器中，使束流達(dá)到1.6GeV的能量。從RCS引出的質(zhì)子束流經(jīng)傳輸線打向鎢靶，靶上產(chǎn)生的散裂中子經(jīng)過慢化后供用戶開展實(shí)驗(yàn)研究。 ADS(Accelerator Driven Sub-critical System)涉及到強(qiáng)流加速器研制的核心問題，對(duì)控制束流損失進(jìn)行了深入的研究，相關(guān)技術(shù)及硬件設(shè)施可以方便的用于散裂中子源加速器部分的建設(shè)，從某種意義

4、上來說，ADS相關(guān)技術(shù)的研究可以看作CSNS的部分技術(shù)方案的預(yù)研。本DTL束流相位及能量測試系統(tǒng)首先用于ADS項(xiàng)目中，并在未來進(jìn)一步用于CSNS的DTL中。 從直線加速器部分的DTL中通過FCT(Fast Current Transformer)取出束流感應(yīng)信號(hào)，測試其相位及能量，用以實(shí)時(shí)監(jiān)控和進(jìn)一步的反饋。FCT輸出的信號(hào)為重復(fù)頻率352.2MHz(ADS，CSNS中324MHz)，前沿200～300ps的經(jīng)調(diào)制的射頻脈沖，F(xiàn)

5、CT響應(yīng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為5mV～900mV(peak-to-peak)，要求測量系統(tǒng)在該信號(hào)范圍內(nèi)經(jīng)過100米times LMR-400線纜傳輸能夠工作，并且在25mV～900mV(peak-to-peak)范圍內(nèi)達(dá)到相位分辨的要求。系統(tǒng)指標(biāo)要求整個(gè)系統(tǒng)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大于45dB，相位分辨小于±0.5°(33dB動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，1ms的更新時(shí)間)。 本論文第一章回顧了加速器的發(fā)展歷史，分類，及最新進(jìn)展，并由此引出對(duì)中國散裂中子源，

6、ADS系統(tǒng)及其與CSNS的聯(lián)系進(jìn)行了介紹。第二章介紹了束流測試的主要內(nèi)容，著重討論了束流相位和能量測試的基本原理與方法。CSNS中使用的對(duì)DTL束流調(diào)諧方案是KEK采用的“相位掃描法”(phase-scan method)。束流能量測試的方法使用的是飛行時(shí)間法(TOF，Time of Flight)，即通過相位差值反算出飛行時(shí)間，進(jìn)而求出粒子飛行速度。因此，本系統(tǒng)的核心測試內(nèi)容是相位測試。而就束流相位測試方法而言，主要分為正交解調(diào)和直接

7、中頻正交采樣兩種方法。正交解調(diào)又分為模擬正交解調(diào)和數(shù)字正交解調(diào)兩種方案。三種方法的原理技術(shù)，主要電路結(jié)構(gòu)及相關(guān)的仿真結(jié)果都在此章進(jìn)行了論述。 第三章介紹了目前國際上比較有名的束流相位測試系統(tǒng)，通過對(duì)它們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)原理的調(diào)研，對(duì)相關(guān)的核心技術(shù)進(jìn)行了歸類和對(duì)比。BEPCII中直線加速器相控系統(tǒng)相位測試模塊采用的基本技術(shù)是模擬正交解調(diào)技術(shù)，在20dB的輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，其相位分辨好于0.2度。LEDA束流相位測試系統(tǒng)則采用了

8、直接中頻正交采樣技術(shù)獲取束流的相位及能量信息，其相位分辨在輸入信號(hào)為10dBm至-30dBm的范圍內(nèi)小于0.1°，在-46dBm時(shí)則增大到了0.12°。SNS LLRF控制系統(tǒng)中的相位測試系統(tǒng)采用的是直接中頻欠采樣技術(shù)，核心模塊是Bergoz公司生產(chǎn)的AFE模塊。最后還介紹了Libera束流測試系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)。在以上介紹的基礎(chǔ)上對(duì)比了三種技術(shù)方案的特點(diǎn)：模擬正交解調(diào)模擬電路復(fù)雜，且器件不平衡性易導(dǎo)致相位值的偏差，修正復(fù)雜；數(shù)字正交解調(diào)

9、技術(shù)對(duì)于ADC的帶寬，高頻輸入信號(hào)下的性能，時(shí)鐘系統(tǒng)等很高，且算法復(fù)雜；直接中頻正交解調(diào)技術(shù)由模擬下變頻電路和正交采樣兩大部分組成，模擬部分相對(duì)模擬正交解調(diào)部分簡潔，而且對(duì)ADC的性能要求較低，同時(shí)算法簡潔，因此便于系統(tǒng)的集成和用于高電磁干擾的環(huán)境中。此系統(tǒng)基于VME6U的構(gòu)架，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了直接中頻正交采樣的技術(shù)路線。 第四章首先介紹了系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和相關(guān)的仿真結(jié)果。因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)輸入的是調(diào)制RF信號(hào)，因此頻譜成分相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)此

10、問題的討論和仿真結(jié)果在此章進(jìn)行了介紹，以確認(rèn)傳統(tǒng)的直接中頻正交采樣技術(shù)是否仍舊適用。同時(shí)，關(guān)鍵的信號(hào)處理模塊-基頻抽取，自動(dòng)增益放大，下邊頻，正交采樣及相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理算法都在本章進(jìn)行了介紹。第五章基于第四章的論述，詳細(xì)介紹了各功能模塊的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 為正確評(píng)估系統(tǒng)指標(biāo)和性能，正確而高效的測試是必不可少的。第六章介紹了整個(gè)系統(tǒng)的測試指標(biāo)，主要的測試手段與整個(gè)測試平臺(tái)的構(gòu)建。主要測試內(nèi)容包括輸入信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的相位分辨測試