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1、第19卷第10期强激光与粒子束Vol.19,No.102007年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2007文章编号:100124322(2007)10217272043基于现场可编程门阵列的束流快引出控制系统设计111,21郭玉辉,乔卫民,李桂花,王彦瑜(1.中国科学院近代物理研究所,兰州730000;2.中国科学院研究生院,北京100049)摘要:为实现兰州重离子冷却储存环主环束流的快引出,采用一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的引出控制系统。在FPGA单元设计中,采用数字倍频技
2、术来实现对Kicker磁铁在1个高频周期内充放电时间的精度控制。经测试,该控制系统对存储环中运行束流位置的跟踪可调节时间步长为5ns。当高频频率为114MHz时,在0～360°范围内可实现约2.5°相位精度的Kicker触发。关键词:快引出;现场可编程门阵列;I/O控制器;冷却储存环;踢轨磁铁中图分类号:TP273.5文献标识码:AHIRFL2CSR(兰州重离子冷却储存环)是国家大科学工程项目的主要组成部分,CSR控制系统是保证CSR正常运行的重要环节。束流在主环CSRm内首先累积、冷却和加速,然后引出到实验环CSRe或外靶
3、实[1]验终端。对于引出到实验环CSRe及高温高密度实验终端的束流,需要以短脉冲快引出实现。由于受踢轨磁铁Kicker电源本身设计参数的限制,其输出高电流脉冲宽度具有一定的长度范围(实验环Kicker电源的电流脉宽约0.43μs),这就需要对Kicker电源的放电触发信号在时间上做一些调整,以使高电流脉冲宽度可以包络环中束团的长度,以产生束流轨道偏转所需要的快脉冲磁场,使束流高效引出。为此,我们将设计一套基于FPGA技术的束流快引出控制系统,通过跟踪环中束流的位置,借助高频相位信号对Kicker磁场电源的充放电信号在时间上做
4、一些调整与同步。1束流引出系统的实现磁场是约束粒子行为的主要手段,而磁场电源系统的作用是向磁铁提供励磁电流。CSR主环束流的引出,实验环束流注入和引出都需要一种以快速脉冲方式工作的特殊二级磁铁,即Kicker磁铁。在兰州重离子加速器冷却储存环中共需要两套Kicker磁铁。根据物理设计要求,通过对控制系统的操作来形成加速器运行所需要的各种磁场操作模式或实现各类工作模式的过渡转换。Kicker电源是一种较为特殊的磁铁电源,它为Kicker磁铁提供励磁电流,具有较高的脉冲电压和电流。整个Kicker系统可实现将束流从原轨道引出,同
5、时注入另一轨道,以完成束流在各实验环内的各项实验,在加速器系统中起一个中转站的作用。为提高束团的引出注入效率,储存环对Kicker磁铁电源引出信号的触发时间精度要求严格。参考德国GSI的ECR实验储存环的快引出系统,它的Kicker触发时间由数字逻辑延时电路构建,可调节时间步长约5ns。本Kicker控制系统采用基于现场可编程门阵列(FPGA)技术的数字鉴相移相部件对束流引出控制信号的步长调节定时达到5ns级,其控制过程如图1所示。Fig.1ProcesschartofKickerpowersupplycontrolsyst
6、em图1Kicker电源系统控制过程3收稿日期:2007204224;修订日期:2007208202基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:郭玉辉(1978—),男,甘肃兰州人,工程师,博士,研究方向为计算机控制与核物理实验数据处理技术;guoyuhui@impcas.ac.cn。乔卫民(1954—),男,甘肃,研究员,从事计算机系统结构及核物理实验数据获取研究。王彦瑜(1960—),男,陕西,副研究员,研究方向为计算机控制、嵌入式系统及核物理实验数据获取研究。1728强激光与粒子束第19卷Kicker系统的触发事例是
7、单独发送的,当同步服务器通过光纤发送触发事例到I/O部件后,通过DSP板上的事例解析单元接收、解码和比较。若事例符合,则发送Kicker充电信号,驱动Kicker电源进入充电状态。经过大约16ms(t2=t1+16ms),Kicker电源触发系统进入高频鉴相、锁相跟踪及高频相位移相环节。通过高频移相在0～360°范围内可实现约2.5°相位角Kicker触发。若事例不符合,则丢弃所接收到的事例代码,等待下一个触发事例的到来。2基于FPGA的相位移相系统束流快引出控制系统的关键在于束流在储存环中加速完毕后,以尽可能短的时间在一个
8、高频周期内,通过跟踪高频相位信号来定位束团到达Kicker磁铁的时间,通过调节Kicker放电触发时间使束团高效率引出。FPGA是1984年由美国Xilinx公司发明的基于SRAM工艺以查找表(LUT)为基本单元的新型可编程逻辑器件(PLD)。FPGA可由用户自定义其内部的逻辑和功能,同时
