【摘 要】
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强流重离子加速器装置(HighIntensityheavy-ionAcceleratorFacility,简称HIAF)是《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》确定的“十二五”建设重点内容之一,将建设一台具有国际领先水平的下一代强流重离子加速器装置。HIAF集成加速器系统、实验终端系统及配套设施,是一台束流指标领先、多学科用途的重离子科学研究
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所
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强流重离子加速器装置(HighIntensityheavy-ionAcceleratorFacility,简称HIAF)是《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》确定的“十二五”建设重点内容之一,将建设一台具有国际领先水平的下一代强流重离子加速器装置。HIAF集成加速器系统、实验终端系统及配套设施,是一台束流指标领先、多学科用途的重离子科学研究装置,为重离子束应用研究提供先进的实验平台。束流强度测量系统是加速器的重要组成部分,为研究人员提供加速器各位置的流强信息。流强测量系统由束流探头、前端电子学和数据采集系统等几个部分组成。以单丝探测器为例,重离子束流轰击在直径50微米的镀金钨丝上,带电粒子的电荷会在单丝上积累并输出微弱的电流信号,电流信号反映了单丝所处位置的束流强度。在测量中心流强100uA的束流时,探测器输出最大电流为1uA～1.5uA,输出电流是束流强度的1/100。加速器束流强度探测器输出信号具有电流强度较小,动态范围较大的特点。本文为HIAF设计了一套基于XilinxFPGA(FieldProgrammableGateArray)的加速器流强数据采集系统,该系统包括前端电子学、校准电流源、模数转换电路、数字信号处理电路和相应的供电电路。该系统使用可编程跨阻放大器(Trans-ImpedanceAmplifier,TIA)和贝塞尔滤波器来实现对单丝探测器输出的微弱电流信号的转换和放大;使用18bit高精度ADC(AnalogtoDigitalConverter)实现模数转换;通过部署在XilinxXC7Z015芯片(ARM FPGASOC,SystemonChip)上的程序实现数字滤波、系统控制、网络通信、多路触发等功能。该系统既支持科研人员远程测量加速器流强,又可以与装置上其他设备联锁,实现触发采样、触发输出等操作。通过合理的功能区分和布局,本系统在一块14cm×20cm的电路板上实现了传统束流强度数据获取系统中多台设备的功能。本文首先在第一章介绍了束流强度传感器数据获取系统的应用背景和意义。第二章介绍了国内外常见的束流强度测量方法,根据HIAF的物理需求给出了电子学对应的技术指标,进而确定了系统设计方案。第三章详细介绍了本系统的硬件设计:针对前端电子学进行了噪声来源分析与计算,并设计了与采样电路配套的低噪声低压差线性电源(LowDropoutRegulator,LDO)供电电路和前端控制电路;通过对模数转换芯片工作原理的分析,结合接口标准、抗干扰能力、采样精度、采样速度等要求选择合适的ADC芯片;根据运算能力和功能需求选择FPGA芯片和外部接口,并设计配套的供电电源组电路。第四章主要介绍了本系统的软件算法设计:在ZYNQ的可编程逻辑部分部署ADC驱动程序、前端电子学控制程序和FIR(FiniteImpulseResponse)滤波降噪程序,在处理系统部分部署嵌入式Linux操作系统和LWIP(LightWeightIP)网络通信协议。前端电子学和ADC芯片在数字电路的控制下对模拟信号进行采集和模数转换,数据在本地进行滤波降噪后通过千兆以太网上传到上位机。最后在第五章对该系统进行了功能验证和性能测试,测试结果证明本系统可以实现预想功能,能够较好地满足单丝探测器的信号测量需求。在第六章中进行了简要总结,指出了本系统相对于传统束流强度测量系统的创新之处,也分析了通过实验暴露出的不足,并规划了下一阶段的改进计划和建议。测试结果显示,全系统功能正常,前置放大器实现100倍到10~8倍可调节信号增益,输入电流信号范围为40pA-4mA,采样率1Msps,积分非线性误差为0.185%,能够满足束流强度测量需求。下一阶段的重点是提高ADC芯片采样率,降低电路本底噪声。本工作的创新点主要有三点:第一,相较于多板结构的传统束流强度测量系统,本系统将前端电子学、校准电流源、模数转换电路和数据处理模块集成在一块电路板上,实现了体积和功耗的双重压缩;第二,相较于传统流强测量系统使用的固定增益前端电子学和低位数ADC芯片,本系统通过设计可变增益前置放大器,选择高精度ADC芯片,增加抗干扰设计等措施提高了信号采集质量,扩大了信号采集范围;第三,本系统软硬件均为自主研发产品,相较于部分使用商业设备的传统流强测量系统具有更好的扩展性和升级潜力。
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