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。     

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。     

基于波形采样的PPAC数据处理

数字化波形采样技术在实验核物理中得到了广泛的应用,选取合适的采样频率非常重要。本文使用脉冲幅度甄别定时方法和恒比定时方法对采样频率为100 MHz~5 GHz的平行板雪崩计数器(PPAC)信号进行了模拟分析,采样频率为250~500 MHz时,使用脉冲幅度甄别定时方法可得到比较精确的位置信息,与传统获取系统定位的位置分辨的差别Sigma小于0.15 mm,采样频率低于100 MHz时信号定位误差较大。使用高速采样数字化仪可对信号幅度小于20 mV的信号进行定时分析,与传统的PPAC获取系统相比,探测效率提升了4.3%。     

基于IC的数字化低电平射频前端设计与测试

介绍了基于IC的上海光源储存环新一代集成数字化低电平控制器的射频前端接收器设计、制造和性能测试。用L-C滤波电路在保证性能的基础上显著减小了系统的体积;用有源混频器使本振需求仅为-10dBm,减小了系统对本振信号放大器的需求。前端接收器通道的线性度范围达到30dB;采用可变放大器有利于通道内的电平匹配;RMS幅度误差在±0.15%以内,RMS相位误差在±0.2°以内;各个通道间的耦合干扰小于-70dB。     

高能同步辐射光源逐束团束流位置测量电子学研制

基于高能同步辐射光源（HEPS）储存环,研制了一套逐束团束流位置测量（BPM）电子学系统,电子学的硬件部分由模拟信号采集板卡和数字信号处理板卡组成,软件部分由底层固件和顶层应用软件组成。系统的采样频率为500 MHz,带宽为1 GHz,对来自储存环BPM探头的4路模拟信号进行数字化,得到束团幅度数据,利用ZYNQ芯片计算出每个束团在真空管道中的位置。逐束团BPM电子学在实验室的测试结果为：输入信号峰峰值小于1.8 V时ADC通道非线性度小于1%,无杂散动态范围约60 dB,灵敏度系数取8.26 mm时位置分辨率优于10 μm,测试结果满足HEPS逐束团BPM的需求。     

新型核电子学教学实验平台设计

介绍了新型核电子学教学实验平台的设计。平台的设计采用高速电路设计和数字可重构技术,在原有实验的基础上引入新的实验内容和测试手段。性能测试表明:前端电路增益可以在输出线性动态范围为±2.98 V内实现0~10倍线性可调,其中2倍和10倍增益的3 d B带宽分别大于350 MHz和280 MHz;数字成形技术使数字多道的分辨率相对提高了30.39%;10小时稳定性测试显示数字多道系统的峰位在625.69上下0.43%范围内浮动,分辨率在10.97%上下0.55%范围内浮动,基线基本保持不变。实验平台已经通过测试并应用于教学实验中。     

碳离子全身辐照对小鼠血清及肝脏中超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量和脑组织中还原性谷胱甘肽浓度的影响

用12C6 离子束对小鼠进行吸收剂量分别为0.05、0.1、0.3、0.5、0.75、1、1.5、2Gy的一次性全身照射,5d后测定血清及肝脏中超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性和丙二醛(Maleic dialdehyde,MDA)含量,以及脑组织中还原性谷胱甘肽(Glutathione,GSH)的浓度.结果显示,吸收剂量小于0.75 Gy小鼠的血清及肝脏中SOD活性高于对照组,大于0.75 Gy则低于对照组;吸收剂量小于0.3 Gy小鼠的血清及肝脏中MDA含量小于对照组,大于0.3 Gy则大于对照组;吸收剂量小于0.5 Gy小鼠的脑组织GSH浓度大于对照组,大于0.5 Gy则小于对照组.低剂量的重离子全身辐照对小鼠的抗氧化系统有一定的激活作用,随着照射剂量的增大,抗氧化酶活性明显降低,脂质过氧化水平增高.     

10cm×30cm矩形射频离子束源的研制

本文介绍了射频(Radio frequency,RF)感应耦合等离子体(Inductive couple plasma,ICP)离子束源的设计研究.该射频离子束源可工作于Ar,在使用四栅引出系统时,可获得100-1000 eV的离子束.当射频功率为900 W,在Ar为工作气体时,束流可达到600 mA.在束流为120 mA时,距源26 cm处,在主轴方向27 cm的范围内不均匀性小于±6%.该离子束源可作为大面积离子束刻蚀、离子束抛光等的离子束源.     

SLED模型的完善和3dB耦合器性能研究

采用通用的非理想3d B耦合器散射矩阵进行模型完善。利用这一完善的模型对3d B误差进行了分析,研究了3d B耦合器误差对能量倍增器的倍增因子、输出信号峰值和反射信号峰值的影响。为制造和加工3d B耦合器的所允许的误差及其控制提供了理论参考。结果表明:功率分配不平衡误差及其相位关系偏差均可导致能量倍增因子的下降和部分功率发射回速调管。在能量倍增因子的平坦度要求控制在0.02%以内时,3d B耦合器的功率不平衡因子δ0.035,相位偏差θ10。     

慢化球中子探测器的有效中心

本文按三种不同形式的微分响应函数计算了球探测器对点源的响应。结果表明,探测器的有效中心在近源半球内,相对几何中心的位移小于1/3球半径。当源与探测器中心之间的距离 D 大于球半径γ约1倍时,对点源响应的实测值乘以1/(1+δγ~2/D~2),将与宽平行束的响应一致;此处δ是依赖于中子能量的系数,其值在1/6—1/4之间。在多数情况下,可忽略探测器的有效中心与几何中心的差异,例如D/γ大于3、5和7时,所引入的误差分别小于3%、1%和0.5%。理论值与利克计数器对~(241)Am-Be 源响应的实验值作了比较,二者在实验误差范围内较好地符合。     

基于CompactRIO的数据采集模块设计

CompactRIO广泛应用于各类嵌入式控制和检测应用系统,但现有CompactRIO采集模块中缺少高集成度、高精度的采集模块,为解决高精度采样的需求,设计了基于NI CompactRIO的带自校准功能的高精度数据采集模块。模块在73.38 mm×66.04 mm面积内实现6通道24位的数据采集,THD优于108 dB,噪声RMS低于1.2μV。模块还根据内部精确参考源对ADC进行偏移和增益校准,经内部增益校准可将通道的幅度一致性从1.5%提高到5×10 6。     

Research on the method of dual-frequency microwave diagnosis of plasma for solving phase integer ambiguity

In this work,microwaves and terahertz waves have performed a dual-frequency combineddiagnosis in high-temperature,large-scale plasma.According to the attenuation and phase shift of electromagnetic waves in the plasma,the electron density and collision frequency of theplasma can be inversely calculated.However,when the plasma size is large and the electron density is high,the phase shift of the electromagnetic wave is large (multiple times 2π period).Due to the limitations of the test equipment,the true phase shift is difficult to test accurately or to recover reality.That is,there is a problem of phase integer ambiguity.In order to obtain a phase shift of less than 180°,a higher electromagnetic wave frequency (terahertz wave with 890 GHz)is used for diagnosis.However,the attenuation of the terahertz wave diagnosis is too small (less than 0.1 d B),only the electron density can be obtained,and the collision frequency cannot be accurately obtained.Therefore,a combined diagnosis was carried out by combining twofrequencies (microwave with 36 GHz,terahertz wave with 890 GHz) to obtain electron density and collision frequency.The diagnosis result shows that the electron density is in the range of(0.65–1.5)×10~(19)m~(-3),the collision frequency is in the range of 0.65–2 GHz,and the diagnostic accuracy is about 60%.     

两个不同原理的延时功能NIM插件的研制

介绍了两套不同原理的延时功能NIM插件的设计。总延时量1μs的短延时插件采用它激同步时钟计数和可编程延时器件的设计方案,延时步长小于30ps,晃动小于50ps总延时量10ms的长延时插件采用基于FPGA,对外部100MHz的有源晶振计数的设计方案,延时步长10ns,晃动10ns。     

Development of Bunch-by-bunch Beam Position Measurement Electronics for High Energy Photon Source

A bunch-by-bunch beam position measurement (BPM) electronics for High Energy Photon Source (HEPS) storage ring was designed. The hardware of electronics consists of analog signal acquisition board and digital signal processing board. The software consists of underlying firmware and application software. The sampling frequency is 500 MHz, and the bandwidth is 1 GHz. The electronics digitizes four analog signals from BPM probe of storage ring, and obtains the amplitude of beam signal. ZYNQ chip was used to process the beam data and calculate the position of each bunch. Electronics test results in the laboratory is that the nonlinearity of ADC channels is less than 1% when the peak-to-peak value of input signal is less than 1.8 V, and spurious-free dynamic range is about 60 dB. When the sensitivity coefficient is 8.26 mm, the beam position resolution is less than 10 μm. The test results meet the needs of HEPS.     

250MHz固态功率放大器的设计

固态功率源代替真空管功率源设备是目前射频功率源系统的发展趋势。本文介绍了一台工作在250 MHz的固态功率放大器模块的设计过程。放大器模块使用荷兰恩智浦半导体公司生产的BLF578XR型号晶体管,并且采用传输线匹配和集总元件匹配相结合的方式进行设计。通过理论计算得到匹配网络的初始值,并利用ADS(Advanced Design System)软件对匹配电路进行仿真和优化。测试结果表明,该功率放大器模块输出功率达到了850 W,功率增益达到了26 d B,功率附加效率达到60%。结果表明,该设计完全达到了系统设计要求的性能指标,并具有较强的实用性。     

基于导频的储存环束流位置测量处理器研制

稳定的束流轨道对于同步辐射光源的性能至关重要,规划中的合肥先进光源是第四代衍射极限储存环,其亚微米级的束流轨道稳定度需要束流位置测量精度达到100 nm级别。本文基于国产化芯片,研制了带有导频补偿机制的束流位置测量处理器,主要包括导频模块、模拟前端模块、数字处理模块和嵌入式工控模块。输入信号经过导频模块和模拟前端模块调理,在数字处理模块通过带通欠采样原理实现模数转换,数字信号在现场可编程门阵列（FPGA）内经过下变频、滤波抽取、坐标旋转数字计算（CORDIC）模块以及差比和算法等处理后获得束流位置信息,嵌入式工控模块实时传输束流位置信号,与加速器控制系统通信。目前设计的束流位置处理器完成了实验室离线测试和束流测试,测试结果表明,当输入信号幅度在-55～5 dBm范围时,束流位置测量处理器的快获取数据（FA data）和慢获取数据（SA data）分辨率分别好于120 nm和70 nm,满足设计要求。     

基于FPGA和MCU的低成本地震信号数字滤波器设计

针对地震数据采集系统提出一种低成本、高灵活性的数字滤波设计方案。不仅对于地震数据采集系统有很大的实用意义,对于其它传感器网络也是可供参考的解决方案。设计的目的是在保持优秀的低通性能的同时实现高度抽取。该滤波器系统由四级CIC滤波和两级FIR滤波构成,分别在FP-GA和MCU内部实现。滤波器有着良好的低通性能,在430 Hz～500 Hz范围内幅度响应下降了137 dB。采用实际信号测试,信噪比好于110 dB,能够很好地满足地震数据采集的需求。     

A 16-Channel high-resolution time and charge measurement module for the external target experiment in the CSR of HIRFL

High precision time measurement is required in the readout of the neutron wall and TOF walls in the ex- ternal target experiment of the Cooling Storage Ring （CSR） project in the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou （HIRFL）. Considering the time walk correction, both time and charge are measured in the readout electronics. In this 16-channel measurement module, time and charge information are digitized by TDCs at the same time based on the Time-Over-Threshold （TOT） method; meanwhile, by employing high-density ASIC chips, the electronics complexity is effectively reduced. Test results indicate that this module achieves a time resolution better than 25 ps and a charge resolution better than 5% over the input amplitude range from 50 mV to 3V.     

HLS直线加速器条带束流位置检测器基于对数比方法的标定

对合肥光源（HLS）直线加速器（LINAC）的束流位置测量系统进行改造，设计并加工了非拦截型、高精度的条带电极束流位置检测器（BeamPositionMonitor,BPM）。安装前，通过定位精度小于5μm的电控位移平台，采用具有更大动态范围和线性度的对数比而非传统的差和比的处理方法，对条带束流位置检测器进行标定。本文介绍了标定平台、对数比处理系统以及自动控制标定程序，给出了基于对数比方法的标定结果。该条带电极束流位置检测器的水平方向和垂直方向的灵敏度分别为1.55dB/mm和1.48dB/mm，束流位置分辨率为42μm，电中心相对于机械中心的偏差为（0.212，0.450）mm。