重离子加速器数字电源实时控制方法的研究与实现

发布时间：2020-11-11 08:00

　　 本文在对重离子加速器电源系统的功能及控制目标研究的基础上,论述了重离子加速器电源实时控制系统的特点、实现目标及设计思想。借助重离子治癌专用装置数字电源的研发,研究了基于FPGA的电源数字控制器硬件、软件的设计与研制方法,包括研发过程中碰到的问题及其解决方法,如以太网络通讯的不稳定问题,控制器长期工作不可靠等问题;论述了研制数字电源实时控制系统需要注意的一些软硬件问题;以重离子加速器系统的性能优化为目标,结合数字电源可靠、多功能、集成度高的特点,论述了重离子加速器电源数字控制器的软硬件协同化设计、集成化控制等。在研究重离子加速器数字电源控制系统的基础上,根据系统需求设计并实现了重离子治癌专用装置中一些特殊电源的实时控制算法。首先,研究了重离子加速器数字电源的同步控制问题。基于可编程片上系统(SOPC),运用硬件描述语言设计并实现了一套重离子加速器数字电源同步定时触发系统,通过该系统对数字电源进行同步触发测试实验及实时控制研究。其次,在基于FPGA控制器的数字电源上首次对两种典型的实时控制进行了深入研究,一种是重离子同步加速器轨道校正电源的实时控制,另外一种是重离子治癌照射野形成系统中数字电源的主动点扫描控制。根据系统的运行原理及系统对数字电源的特殊控制要求,研究了这两种控制问题,设计了控制算法,并运用VHDL、NIOSII嵌入式软件在电源数字控制器上编程实现了这两种控制算法。特别地,采用两种方法实现了主动点扫描控制,即实时响应法和集成化控制法。最后,在数字电源上对所实现的算法进行测试,得到实验数据,验证了控制算法的可行性。本论文的工作为重离子治癌项目的顺利进行提供了技术保障,同时为重离子加速器数字电源实时控制的进一步研究提供了有价值的技术参考。
【学位单位】：中国科学院研究生院（近代物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TL56
【部分图文】：

言 第一章 引言器科学背景州重离子加速器（HIRFL-CSR）是一个大科学工程装置，一种国际上、核科学与技术等领域进行研究的重要平台，该装置的布局如图 1束流不仅种类多、品质高，而且能量范围宽可调。该装置的科学目，包括：滴线核的研究、高温高密度条件下核物质性质研究;介子物理研究、高离化态(高 Z)原子物理研究、重离子束相关的应用研究[1]用研究包括了重离子束深层治癌研究，材料辐照等领域。

方案一 方案二 方案三图 2-1 加速器数字电源控制系统方案图 2-1 所示方案一，是一种集成化的控制方案，位于电源上的控制器集成了本地控制、上层控制的功能，直接接入以太网络，减少了通信环节。控制器上一般包含嵌入式操作系统，FPGA 可编程逻辑电路。本课题中，治癌专用装置及 ADS 项目的数字电源控制方案选择方案一，其电源控制器是一种基于 Altera公司 FPGA 并嵌入 32bit 处理器（NIOSII 软核）的可编程偏上系统（SOPC）方案。可编程片上系统是一种特殊的嵌入式系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，具备软硬件在系统编程能力。ALTERA 公司的 SOPC 技术提供以NIOSII（32-bit 处理器）和实时多任务操作系统为中心的软件设计技术及丰富的 IP Core，这使 FPGA 灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起，从而可实现软硬件协同设计。作为一种集成化的控制方案，方案一的优点：1）集成了电源本体控制、

提高加速器技术、提升加速器性能必须要解决的问题。 同步性同步性是指多台重离子加速器脉冲电源在加速运行需要的时刻同时号并同时输出所需电流波形的能力，其时间同步误差一般在 us 级别2。由于加速器电源不是单个运行的个体，而是需要由加速器控制系统够统一运行的整体，所以电源的同步控制对于整个加速器电源系统非常关键。重离子加速器电源的主要作用是用来形成偏转磁场的，性能也直接影响束流品质。例如：注入引出电源，注引 BUMP 等电源性不好，就会损失束流或影响束流的品质。与传统的模拟电源不同 FPGA 的电源数字控制器能接收同步触发信号，也就是说能把同步触为电源主体的一部分，由电源数字控制器实现。对于重离子同步加统而言，电源的同步性能一般要求不大于 10us。
【共引文献】

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本文编号：2878949