基于CSNS壁電流探測器數據采集的定制示波器的研制

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

(1.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803；2.中國科學院 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在加速器的調束、運行及機器研究過程中起重要作用。運動的帶電粒子束在金屬真空盒內壁上會感應出壁電流，形成一正比于束流流強的壓降，被用來測量束團縱向尺寸以及流強的相關信息。壁電流探測器(WCM)被廣泛應用于世界各大加速器實驗室中[2]，如美國FERMI實驗室和歐洲核子中心CERN。FERMI實驗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絡原理的WCM，頻帶范圍可到30 GHz。CSNS快循環同步加速器(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構，微脈沖均是ns級別，宏脈沖從百μs到幾十ms，故對測量設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主要用于機器研究，不要求實時性，因此各大實驗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的軟件開發，對比傳統示波器在存儲深度、垂直分辨率、性價比等方面的局限性，提出一種定制示波器進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構的分析，并使用同步的環高頻信息對束流的相位、圈數、流強進行系統分析。

1 RCS中的束流結構和WCM設置

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條輸運線、1個靶站、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-轉化為質子注入到RCS環中，RCS將質子束流從80 MeV加速至1.6 GeV，束團寬度從500 ns變化至100 ns左右，在此期間束團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，束測系統根據束流在加速器沿線的不同表現放置了不同的束測探測器。為觀察束團在注入、加速、引出過程中束團長度的變化，需在RCS上放置WCM[3-5]。

1.1 束流狀態分析

CSNS RCS環有2個WCM，其中在RCS 2區有1個用于束測系統觀測及物理分析，另1個供環高頻系統使用。CSNS RCS上束流的時間結構特征[6]如圖1所示。CSNS工作重復頻率為25 Hz(即宏脈沖周期為40 ms)，RCS環上束流占空比為50%，在20 ms的加速周期內，質子束團的回旋頻率從501 kHz升至1.22 MHz，高頻諧波數h=2，即環內可有2個束團同時加速。束流進環后被涂抹成2個束團進行加速，當能量達到1.6 GeV，即在環內被加速近20 000圈后引出。束團在RCS環運行的時間為20 ms，被引出的2個束團單束團脈寬為90 ns左右，兩束團間距約為409 ns。

圖1 RCS束流時間結構特征Fig.1 Time structure of RCS beam

1.2 物理需求

為能全面并細致分析束流，需將整個20 ms束團信息進行采集并能詳細看到100 ns束團細節，因此要求微脈沖有效點10～20個，數據的垂直分辨位數大于10位。

2 總體設計

2.1 硬件設計

鑒于物理需求，束測系統相關人員對傳統示波器進行調研，發現大多數示波器的存儲深度、垂直分辨率(一般都是8 bit)難以滿足要求，需價格昂貴的高端示波器才能滿足要求。因此，結合性價比，使用一種基于PXIe總線的定制示波器：NI-PXIe機箱+PXI-5124板卡+8115控制卡+顯示器架構。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據量的需求；示波器功能方面需自行進行軟件的開發來實現數據波形的顯示以及數據的處理分析。

2.2 軟件設計

軟件使用基于Windows的LabVIEW2015進行功能實現并使用DSC2015(Datalogging and Supervisory Control Module)實現數據的EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System) PV量的發布。

數據采集軟件使用LabVIEW編程軟件實現了對RCS 20 ms束流信息[7]以及環高頻頻率的兩路信號采集，根據當前的束流狀況，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。示波器參數設置采用100 MHz的采樣率，保證每個微脈沖有10個點描述，能較清晰描述每個微脈沖的形狀；將采樣點數設置為2 500 000，以保證能完整獲取到RCS環從注入到引出20 ms的束流信息，如圖2所示。束流信號經過衰減器衰減后，電壓范圍控制在10 V以內。

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

3 系統應用

在調束過程中應用WCM，測到了20 ms內的束流微脈沖細節信息，監測到了RCS環注入和引出的束流信息。

本文使用LabVIEW圖形化編程語言實現了基于環高頻信息的20 ms內束流的后處理功能[8-11]，以便對束流進行逐圈分析以及鑒定。鑒于周圍環境、電纜等對信號有影響，需對高頻信息增加窗口調節功能實現將每個微束團落在高頻窗口內。RCS環射頻信號的高頻范圍為1.02～2.44 MHz，用于將高強度質子從80 MeV加速到1.6 GeV，諧波數為2，因此利用高頻信息提取出20 ms的相位和圈數信息，用于得到環內雙束團的縱向震蕩三維分析；還可得到束團關于相位中心的抖動以及圈數和時間之間的關系圖，用以評價每圈束團的品質；并可協同其他束測探測器來分析束流在某團的丟束情況；另外，該后處理程序給出了雙束團每圈的波形，可輸入圈數自動顯示，每次可顯示n(n>0)圈，以便與RCS后雙束團的形狀加以對比，分析引出后雙束團的變化，各界面如圖3所示。

4 結論

經過前期的實驗室測試和工程期間的調束使用，針對散裂中子源工程定制的RCS環WCM數據采集及處理示波器在硬件和軟件實現方面均已圓滿實現了工程所需，成功測量出質子束流從環注入到引出20 ms內的情況，并能利用高頻信息及其他束測探測器測量信息對束流進行相互校核分析，滿足了物理人員的分析需求，且經過長時間的出束檢驗，該設備運行穩定，成為RCS調試不可或缺的工具。

a——束流與環高頻關系圖；b——流強、相位及圈數三維顯示圖；c——雙束團相位抖動圖；d——圈數及時間關系圖；e——n圈雙束團顯示圖；f——三維現象分析圖圖3 WCM后處理程序界面Fig.3 Post-processor interface of WCM