基于CSNS壁電流探測器數(shù)據(jù)采集的定制示波器的研制

李 芳，孫紀(jì)磊，徐韜光，徐智虹，李 鵬，黃蔚玲，曾 磊，孟 鳴，邱瑞陽，田建民，楊 濤

(1.散裂中子源科學(xué)中心，廣東 東莞 523803；2.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049)

作為中國散裂中子源(CSNS)[1]加速器的重要組成部分之一，加速器束流測量系統(tǒng)在加速器的調(diào)束、運(yùn)行及機(jī)器研究過程中起重要作用。運(yùn)動(dòng)的帶電粒子束在金屬真空盒內(nèi)壁上會感應(yīng)出壁電流，形成一正比于束流流強(qiáng)的壓降，被用來測量束團(tuán)縱向尺寸以及流強(qiáng)的相關(guān)信息。壁電流探測器(WCM)被廣泛應(yīng)用于世界各大加速器實(shí)驗(yàn)室中[2]，如美國FERMI實(shí)驗(yàn)室和歐洲核子中心CERN。FERMI實(shí)驗(yàn)室的壁電流測量基于集總電路模型，測量信號頻率寬度為3 kHz～4 GHz；而歐洲核子中心的基于微波網(wǎng)絡(luò)原理的WCM，頻帶范圍可到30 GHz。CSNS快循環(huán)同步加速器(RCS)使用WCM的有效工作頻率為10 kHz～300 MHz。WCM探測加速器束流信號的微結(jié)構(gòu)，微脈沖均是ns級別，宏脈沖從百μs到幾十ms，故對測量設(shè)備的采樣率以及存儲深度有很高的要求，且加速器束流測量系統(tǒng)主要用于機(jī)器研究，不要求實(shí)時(shí)性，因此各大實(shí)驗(yàn)室多采用高端示波器來完成測量。本文介紹壁電流測量系統(tǒng)的軟件開發(fā)，對比傳統(tǒng)示波器在存儲深度、垂直分辨率、性價(jià)比等方面的局限性，提出一種定制示波器進(jìn)行壁電流的信息讀取，以完成20 ms束流信息的宏脈沖讀取及微脈沖結(jié)構(gòu)的分析，并使用同步的環(huán)高頻信息對束流的相位、圈數(shù)、流強(qiáng)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 RCS中的束流結(jié)構(gòu)和WCM設(shè)置

CSNS一期工程包括了1臺束流能量為80 MeV的直線加速器、RCS、2條輸運(yùn)線、1個(gè)靶站、3臺譜儀。來自直線加速器的粒子通過剝離注入的方式將H-轉(zhuǎn)化為質(zhì)子注入到RCS環(huán)中，RCS將質(zhì)子束流從80 MeV加速至1.6 GeV，束團(tuán)寬度從500 ns變化至100 ns左右，在此期間束團(tuán)的縱向分布也在變化。為能全面、高性能地觀測到束流的變化，束測系統(tǒng)根據(jù)束流在加速器沿線的不同表現(xiàn)放置了不同的束測探測器。為觀察束團(tuán)在注入、加速、引出過程中束團(tuán)長度的變化，需在RCS上放置WCM[3-5]。

1.1 束流狀態(tài)分析

CSNS RCS環(huán)有2個(gè)WCM，其中在RCS 2區(qū)有1個(gè)用于束測系統(tǒng)觀測及物理分析，另1個(gè)供環(huán)高頻系統(tǒng)使用。CSNS RCS上束流的時(shí)間結(jié)構(gòu)特征[6]如圖1所示。CSNS工作重復(fù)頻率為25 Hz(即宏脈沖周期為40 ms)，RCS環(huán)上束流占空比為50%，在20 ms的加速周期內(nèi)，質(zhì)子束團(tuán)的回旋頻率從501 kHz升至1.22 MHz，高頻諧波數(shù)h=2，即環(huán)內(nèi)可有2個(gè)束團(tuán)同時(shí)加速。束流進(jìn)環(huán)后被涂抹成2個(gè)束團(tuán)進(jìn)行加速，當(dāng)能量達(dá)到1.6 GeV，即在環(huán)內(nèi)被加速近20 000圈后引出。束團(tuán)在RCS環(huán)運(yùn)行的時(shí)間為20 ms，被引出的2個(gè)束團(tuán)單束團(tuán)脈寬為90 ns左右，兩束團(tuán)間距約為409 ns。

圖1 RCS束流時(shí)間結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Time structure of RCS beam

1.2 物理需求

為能全面并細(xì)致分析束流，需將整個(gè)20 ms束團(tuán)信息進(jìn)行采集并能詳細(xì)看到100 ns束團(tuán)細(xì)節(jié)，因此要求微脈沖有效點(diǎn)10～20個(gè)，數(shù)據(jù)的垂直分辨位數(shù)大于10位。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

鑒于物理需求，束測系統(tǒng)相關(guān)人員對傳統(tǒng)示波器進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)示波器的存儲深度、垂直分辨率(一般都是8 bit)難以滿足要求，需價(jià)格昂貴的高端示波器才能滿足要求。因此，結(jié)合性價(jià)比，使用一種基于PXIe總線的定制示波器：NI-PXIe機(jī)箱+PXI-5124板卡+8115控制卡+顯示器架構(gòu)。該定制示波器選取的示波卡采樣率為200 MHz，垂直分辨率為12 bit，存儲深度為256 MB，在硬件方面滿足物理對數(shù)據(jù)量的需求；示波器功能方面需自行進(jìn)行軟件的開發(fā)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)波形的顯示以及數(shù)據(jù)的處理分析。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件使用基于Windows的LabVIEW2015進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)并使用DSC2015(Datalogging and Supervisory Control Module)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System) PV量的發(fā)布。

數(shù)據(jù)采集軟件使用LabVIEW編程軟件實(shí)現(xiàn)了對RCS 20 ms束流信息[7]以及環(huán)高頻頻率的兩路信號采集，根據(jù)當(dāng)前的束流狀況，采集到從注入到引出共20 ms的束流信息，最小微脈沖為90 ns左右，間隔為409 ns。示波器參數(shù)設(shè)置采用100 MHz的采樣率，保證每個(gè)微脈沖有10個(gè)點(diǎn)描述，能較清晰描述每個(gè)微脈沖的形狀；將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為2 500 000，以保證能完整獲取到RCS環(huán)從注入到引出20 ms的束流信息，如圖2所示。束流信號經(jīng)過衰減器衰減后，電壓范圍控制在10 V以內(nèi)。

圖2 WCM測量界面Fig.2 Measurement interface of WCM

3 系統(tǒng)應(yīng)用

在調(diào)束過程中應(yīng)用WCM，測到了20 ms內(nèi)的束流微脈沖細(xì)節(jié)信息，監(jiān)測到了RCS環(huán)注入和引出的束流信息。

本文使用LabVIEW圖形化編程語言實(shí)現(xiàn)了基于環(huán)高頻信息的20 ms內(nèi)束流的后處理功能[8-11]，以便對束流進(jìn)行逐圈分析以及鑒定。鑒于周圍環(huán)境、電纜等對信號有影響，需對高頻信息增加窗口調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)將每個(gè)微束團(tuán)落在高頻窗口內(nèi)。RCS環(huán)射頻信號的高頻范圍為1.02～2.44 MHz，用于將高強(qiáng)度質(zhì)子從80 MeV加速到1.6 GeV，諧波數(shù)為2，因此利用高頻信息提取出20 ms的相位和圈數(shù)信息，用于得到環(huán)內(nèi)雙束團(tuán)的縱向震蕩三維分析；還可得到束團(tuán)關(guān)于相位中心的抖動(dòng)以及圈數(shù)和時(shí)間之間的關(guān)系圖，用以評價(jià)每圈束團(tuán)的品質(zhì)；并可協(xié)同其他束測探測器來分析束流在某團(tuán)的丟束情況；另外，該后處理程序給出了雙束團(tuán)每圈的波形，可輸入圈數(shù)自動(dòng)顯示，每次可顯示n(n>0)圈，以便與RCS后雙束團(tuán)的形狀加以對比，分析引出后雙束團(tuán)的變化，各界面如圖3所示。

4 結(jié)論

經(jīng)過前期的實(shí)驗(yàn)室測試和工程期間的調(diào)束使用，針對散裂中子源工程定制的RCS環(huán)WCM數(shù)據(jù)采集及處理示波器在硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方面均已圓滿實(shí)現(xiàn)了工程所需，成功測量出質(zhì)子束流從環(huán)注入到引出20 ms內(nèi)的情況，并能利用高頻信息及其他束測探測器測量信息對束流進(jìn)行相互校核分析，滿足了物理人員的分析需求，且經(jīng)過長時(shí)間的出束檢驗(yàn)，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，成為RCS調(diào)試不可或缺的工具。

a——束流與環(huán)高頻關(guān)系圖；b——流強(qiáng)、相位及圈數(shù)三維顯示圖；c——雙束團(tuán)相位抖動(dòng)圖；d——圈數(shù)及時(shí)間關(guān)系圖；e——n圈雙束團(tuán)顯示圖；f——三維現(xiàn)象分析圖圖3 WCM后處理程序界面Fig.3 Post-processor interface of WCM