离子阱电源系统的研制

发布时间：2017-09-19 11:46

  本文关键词：离子阱电源系统的研制

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【摘要】：离子阱技术被普遍使用在对原子频标、量子计算、质谱学等微观粒子领域的研究。离子阱种类繁多,Paul阱由于其先进性能被广泛使用。而Paul阱基础上发展来的线形Paul阱减小了Paul阱中囚禁多离子的“射频加热”问题,同时可通过调节轴向束缚势改变被囚离子轴向位置,具有更广泛的应用。线形Paul阱正常工作离不开电源系统,本文正是为中国科学院武汉物理与数学研究所的线形Paul阱设计一套完整电源系统,即离子阱电源系统。所设计的离子阱电源系统包括直流电源和射频电源,结合嵌入式平台,实现电脑程控。本文分析了线形Paul阱的阻抗特性、工作特点以及对电源的关键参数要求,完成了电源的设计指标、实现方案、电源系统研制、电源系统测试等。主要进行了如下工作:(1)电源设计指标的提出。根据线形阱囚禁原理、离子运动方程、势阱深度,提出射频电源的设计指标:两路对称输出,频率2MHz~4MHz,电压Vpp为0~800V,失真度小于1%。直流电源指标:12路独立输出,有10V、500V、1000V三个量程,各量程内电压纹波小于1‰,电压误差不超过1%。同时电源系统必须程控,并具有显示功能。(2)方案设计。分析了离子阱的负载阻抗特性,结合电源指标和操作简单等设计原则,设计出由精密程控电源和程控射频电源组成的电源系统。软件系统和硬件系统是构成所研制的线形阱电源系统的两大主体。软件系统由上位机用户层软件和下位机控制软件组成,通过PC机和单片机的通信来完成对电源的程控。精密程控电源硬件实现基于线性稳压电源电路结合PI调节原理,达到输出电压可调节、纹波较小的要求。程控射频源设计方案是将DDS输出的小信号通过三级功率放大电路进行功率放大,并通过宽频匹配网络、滤波器网络,最后输出频谱干净的对称正弦波。(3)电源系统的研制。基于MFC框架技术设计了用户操作界面,并以dsPIC30F4011单片机为控制核心,搭建了电源的控制平台,并设计出单片机控制的软件系统。根据方案设计出精密程控电源的电路原理图,器件选型,最后制作出电源。在射频放大电路的基本理论上,搭建了DDS信号产生电路,设计了三级放大电路结构,讨论了各级的原理图、工作特点、功能、功率放大与合成手段,设计并制作了两个级联的1:4传输线变压器阻抗变换电路,达到了宽带匹配网络和升压变换的目的,并且通过7阶切比雪夫滤波器得到了失真小的正弦波。射频电源制作时考虑了电磁兼容性、辐射屏蔽、大功率元件散热、PCB布局布线等问题。(4)电源系统测试。在搭建好的电源平台上进行了软件系统和硬件系统连机整体测试,检测了由人工从上位PC机发出指令,单片机控制系统动作的可操作性和正确率。中国科学院武汉物理与数学研究所实际使用情况表明,本离子阱电源系统能很好的工作在线形Paul阱上,成功囚禁了40Ca+离子,得到的离子信号为结晶态,达到了设计指标。
【关键词】：线形Paul阱 射频放大器 线性稳压电源 MFC 单片机
【学位授予单位】：中南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 离子阱技术研究背景10
• 1.2 离子阱技术发展简介10-11
• 1.3 线性Paul阱囚禁原理11-13
• 1.4 线形Paul阱对电源要求13-14
• 1.5 本文课题来源及主要内容14-16
• 第二章 离子阱电源系统的总体设计方案16-20
• 2.1 线形Pual的极杆分布和阻抗特性16-17
• 2.2 精密程控电源总体设计17-18
• 2.2.1 精密程控电源设计指标17
• 2.2.2 精密程控电源总体设计17-18
• 2.3 程控射频电源总体设计18-19
• 2.3.1 程控射频电源设计指标18
• 2.3.2 程控射频电源总体设计18-19
• 2.4 本章小结19-20
• 第三章 精密程控电源电路设计20-26
• 3.1 基于dsPIC30F4011处理器的控制系统组成20-23
• 3.1.1 dsPIC30F4011芯片介绍20-21
• 3.1.2 dsPIC30f4011控制核心电路结构21
• 3.1.3 单片机的外围电路21-23
• 3.2 精密程控电源模拟板电路设计23-25
• 3.2.1 模拟板电路设计23-25
• 3.2.2 元器件选择25
• 3.3 本章小结25-26
• 第四章 射频放大电路的基本理论26-35
• 4.1 二端口网络S参数26-27
• 4.2 直流偏置电路设计27-28
• 4.3 匹配网络设计28-31
• 4.3.1 集总式匹配技术29
• 4.3.2 传输线变压器匹配技术29-31
• 4.4 稳定性设计31-32
• 4.5 功率放大器的电路结构32-34
• 4.6 本章小结34-35
• 第五章 程控射频电源电路设计35-49
• 5.1 基于dsPIC30f4011处理器的控制系统35-36
• 5.1.1 dsPIC30f4011控制器的电路结构35
• 5.1.2 闭环控制系统设计35-36
• 5.2 DDS模块设计36-39
• 5.2.1 AD9850芯片简介36-37
• 5.2.2 AD9850的控制字与控制时序37-38
• 5.2.3 DDS信号产生38-39
• 5.3 功率放大电路设计39-44
• 5.3.1 功率放大电路设计分析39-40
• 5.3.2 各级放大电路设计40-44
• 5.3.2.1 第一级放大电路40-41
• 5.3.2.2 第二级放大电路41-42
• 5.3.2.3 第三级放大电路42
• 5.3.2.4 变压器功率合成42-44
• 5.4 传输线变压器宽带匹配设计44-46
• 5.4.1 磁芯设计44-45
• 5.4.2 磁芯选择45
• 5.4.3 变压器制作45-46
• 5.5 滤波器设计46-48
• 5.5.1 切比雪夫低通滤波器原理46-47
• 5.5.2 滤波器参数设计47-48
• 5.6 峰值检测电路设计48
• 5.7 本章小结48-49
• 第六章 离子阱电源系统的软件设计49-55
• 6.1 数据链路层协议49-50
• 6.2 下位机程序模块50-52
• 6.2.1 精密程控电源下位机程序50-52
• 6.2.2 程控射频电源下位机程序52
• 6.3 用户层软件设计52-54
• 6.3.1 精密程控电源软件用户界面53-54
• 6.3.2 程控射频电源软件设计54
• 6.4 本章小结54-55
• 第七章 电源系统的制版和调试55-63
• 7.1 电源系统制版的原则55
• 7.1.1 程控射频电源制版原则55
• 7.1.2 精密程控电源制版55
• 7.2 电源系统调试55-61
• 7.2.1 精密程控电源调试55-58
• 7.2.2 程控射频电源调试58-61
• 7.2.2.1 第三级放大电路调试58-59
• 7.2.2.2 波形失真度测试59-60
• 7.2.2.3 输出电压峰峰值测试60-61
• 7.3 离子阱电源系统的工作实效61
• 7.4 本章小结61-63
• 总结与展望63-64
• 参考文献64-66
• 致谢66-67
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录67-68
• 附录B 离子阱电源系统实物图68

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