ADS質(zhì)子直線加速器束流位置和相位測量研究.pdf

1、隨著核能在軍事、生產(chǎn)和生活中的廣泛應(yīng)用，如何安全利用核能以及處理核廢料成為各國科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)(ADS:Accelerator Driven Sub-critical System，)，因其核能產(chǎn)生過程的安全性以及可以嬗變核廢料的特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具前景的解決能源和核廢料安全處理問題的措施之一。強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器(LINAC: Linear Accelerator)是ADS的關(guān)鍵組成部分，其束流診斷方法是整

2、個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)之一。本課題即是針對LINAC的束流測量需求，對高精度束流位置和相位測量進(jìn)行的研究。
　　 質(zhì)子直線加速器的BPM探測器輸出4路電極檢測信號，用于束流位置和相位測量;另外加速器還輸出一路MO信號作為束流相位測量的參考。電極檢測信號是162.5 MHz的周期窄脈沖信號，幅度為0.01～1 V，經(jīng)過電纜衰減后對應(yīng)本系統(tǒng)的輸入幅度范圍為-44～-4 dBm;MO參考信號是恒定幅度的162.5 MHz正弦波信號。AD

3、S束測指標(biāo)要求為:在-38～-4 dBm輸入范圍內(nèi)，位置和相位測量精度分別為0.2 mm和±0.5°。為了減小加速器射頻（RF: Radio Frequency）場對電子學(xué)的影響，本課題設(shè)計(jì)了基于二次諧波信號的測量系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了基頻信號測量系統(tǒng)用于系統(tǒng)性能對比測試。
　　 傳統(tǒng)的束測方法基于全模擬電路實(shí)現(xiàn)，由于噪聲和非線性的影響，很難實(shí)現(xiàn)高精度測量;隨著數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字化成為束測技術(shù)的發(fā)展方向，

4、但主流的數(shù)字IQ解調(diào)方案數(shù)字信號處理非常復(fù)雜;本課題采用新型射頻信號正交欠采樣技術(shù)，同時(shí)簡化模擬電路設(shè)計(jì)和數(shù)字信號處理復(fù)雜度。本課題在單系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)束流位置和相位的測量，簡化束測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的集成度。由于單電極信號的相位存在束流位置依賴性，為了避免此問題，本系統(tǒng)通過四路電極信號的和信號進(jìn)行束流相位的測量。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對二次諧波系統(tǒng)和基頻系統(tǒng)進(jìn)行了電子學(xué)聯(lián)合測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)的指標(biāo)好于應(yīng)用需求。
　　 本論文第一章

5、介紹了加速器束流測量的概念、分類和意義，以及ADS的概念、意義和目前國內(nèi)外的研究進(jìn)展，并引出了束流位置和相位測量的重要性。
　　 第二章主要對束流位置和相位測量技術(shù)進(jìn)行探討，包括其前端探測器、信號處理電子學(xué)等環(huán)節(jié)的討論，通過對數(shù)比、幅度相位轉(zhuǎn)換及差和比方法的比較，確定了本課題的電子學(xué)信號處理方法。接著回顧了加速器束流位置和相位測量的發(fā)展歷史并給出了其發(fā)展方向;最后介紹了國際上典型的加速器束流測量系統(tǒng)，作為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的參考。

6、r>　　 第三章詳述了系統(tǒng)輸入信號的特點(diǎn)以及ADS束流位置和相位測量指標(biāo)需求;通過第二章的技術(shù)對比，本課題采用基于新型RF信號正交欠采樣方法的全數(shù)字化技術(shù)，并針對輸入信號特點(diǎn)進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。在確定了基本測量技術(shù)后，分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，并給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。
　　 第四章和第五章介紹了具體的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。研究工作中進(jìn)行了低噪聲射頻信號處理電路和高精度時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì);探討了ADC前

7、端耦合電路對高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換性能的影響，并根據(jù)信號頻率特點(diǎn)設(shè)計(jì)了優(yōu)化的前端耦合匹配電路;考慮到信號完整性，對高速數(shù)據(jù)傳輸和PCB布局布線進(jìn)行了仔細(xì)設(shè)計(jì);同時(shí)對模數(shù)電路電源系統(tǒng)的隔離以及系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。第五章詳細(xì)介紹了數(shù)字信號處理算法和數(shù)據(jù)傳輸接口邏輯的設(shè)計(jì)。
　　 第六章給出了關(guān)鍵電路模塊和實(shí)驗(yàn)室電子學(xué)系統(tǒng)測試結(jié)果。測試結(jié)果表明:在12.5 MHz更新率下，在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的-44～-4 dBm的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，二次諧

8、波系統(tǒng)的束流相位、位置以及流強(qiáng)的測量精度分別好于0.03°、5um和0.02％，基頻系統(tǒng)對應(yīng)的測量精度分別好于0.03°、3um和0.012％，好于應(yīng)用需求。此外，系統(tǒng)的工作動(dòng)態(tài)范圍最大可以達(dá)到60 dB（對應(yīng)-60～0 dBm輸入信號動(dòng)態(tài)范圍），在此范圍內(nèi)二次諧波系統(tǒng)對應(yīng)的精度分別好于0.14°、30um和0.1％，基頻系統(tǒng)對應(yīng)精度也分別好于0.15°、15um和0.06％。
　　 最后在第七章中對本論文工作進(jìn)行了總結(jié)，并給出