1、ADS质子加速器束流质子加速器束流位置及相位位置及相位测量测量电子电子学研究进展学研究进展核探测与核电子学国家重点实验室核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会年年会胡晓芳胡晓芳核探测与核电子学国家重点实验室（筹）核探测与核电子学国家重点实验室（筹） 2013-5-3Page 2University of Science and Technology of China立项背景立项背景加速器驱动次临界洁净核能系统（Accelerator Driven Sub-critical System，ADS）是利用加速器加速的高能质子与重靶核发生散裂反应，一个质子引起的散裂反应可产生几十个中子，用散裂
2、产生的中子作为中子源来驱动次临界包层系统，使次临界包层系统维持链式反应以便得到能量和利用多余的中子增殖核材料和嬗变核废物。ADS项目被认为是最具前景的解决能源和核废料安全处理问题的措施之一。项目被认为是最具前景的解决能源和核废料安全处理问题的措施之一。我国于19961999 年间在中国核工业集团公司和国家自然科学基金会的支持下开始开展ADS 概念研究和物理可行性研究。1999 年在科技部的国家重点基础研究发展规划项目（“973 计划”）中立项，开展为期五年的“ADS 物理和技术基础研究”；2007年，“973 计划”中继续支持了ADS 的研发至今。2010 年，国家自然科学基金委员会实施了“先
3、进核裂变能的燃料增殖与嬗变”重大研究计划，支持ADS 等研究。中科院在2010 年3 月31 日向国务院第105 次常务会议汇报了“创新2020”方案，得到原则同意。在“创新2020”方案中，“未来先进核裂变能”作为战略性先导科技专项进行部署。Page 3University of Science and Technology of China立项背景立项背景作为ADS系统中核心组成部分，强流质子加速器的束流诊断方法是整个系统的关键科学技术之一。此课题针对ADS质子加速器束流位置与相位测量需求束流位置与相位测量需求，基于高速模数变换和实时数字化处理方法，进行的束流测量技术研究。此课题属于中国科
4、学院战略性先导科技专项中国科学院战略性先导科技专项 “未来先进核裂变能-ADS嬗变系统”中的子课题子课题 ，并受到国家自然科学基金青年科学基金项目国家自然科学基金青年科学基金项目的支持。ADS系统结构组成示意图Page 4University of Science and Technology of China第三代第三代国内外技术现状国内外技术现状更高程度的数字化技术乃至全数字化技术是目前国内外研究的热点。国外甚至出现公司专门研究设计此类仪器，如斯洛文尼亚的Instrumentation Technologies公司研制了系列数字束流测量仪器Libera和Single Pass H等系列，上
5、海同步辐射光源一次性的就从此公司购置了200台Libera Electron系列束流位置测量系统（每台约1万欧元）。第二代第一代模拟信号处理领域模拟信号处理领域数字信号处理领域数字信号处理领域Page 5University of Science and Technology of China研究目标研究目标针对ADS质子加速器实际的束流相位及位置测量需求，研究全数字化的束流测量技术方法。在进行方法研究的基础上，实现原理样机一套，通过实际系统测试验证原理方法并评估性能： 动态范围：10 mV至1 V 相位测量指标： 分辨：0.1 精度：好于0.5 位置测量指标： 分辨：0.03 mm 精度：好
6、于0.2 mmPage 6University of Science and Technology of China研究内容研究内容研究出的原理样机可以直接应用于直接应用于ADS质子直线加速器质子直线加速器RFQ后的BPM探头信号处理分析。ADS质子加速器束流频率为162.5 MHz，束团宽度为大概为1ns，相宽60 度，束流流强范围约为0.5mA-10mA。ADS质子加速器束流结构BPM束流信号处理系统原理框图0123456-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81Phase calculation through IQAmplitudeTimeIQQIarctanIQ
7、22AmplitudeIQ()BDXoffsetBDACYoffsetACIABCDoffsetVVXKXVVVVYKYVVIKVVVVI相位测量相位测量位置测量位置测量Page 7University of Science and Technology of China研究内容研究内容传统的I，Q计算方法基于全模拟或半模拟的处理方法，需先将输入RF信号进行模拟下变频。最新的技术是基于数字IQ解调的方法，其算法复杂。在此课题中我们计划在束流测量中引入新型方法： - 束流束流RF信号直接正交欠采样技术信号直接正交欠采样技术。基本技术原理基本技术原理束流RF信号 - 图中绿色细线数字中频信号 -
8、图中紫色粗连线，方块表示采样点），对应于I和Q序列。最大程度简化- 模拟电路复杂度 - 数字信号处理算法复杂度可同时实现束流相位及位置测量RF信号正交欠采样方案基本原理示意图00.10.20.30.40.50.60.7-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81waveform of f2 signal direct RF under-samplingIQ-I-Q-I-QIQPage 8University of Science and Technology of China研究内容研究内容束流感应信号的基频分量往往会受到加速器其他部分（如RF场）的干扰，因此，本课题主要基
9、于二次谐波进行测量系统的设计。同时也设计了基于基频分量的测量系统，以作对比。在二次谐波系统中需要对325MHz的RF信号和162.5MHz的MO信号同时进行测量。BPM束流信号处理系统原理框图Page 9University of Science and Technology of China原理方法的仿真确认原理方法的仿真确认通过Matlab仿真确认了系统方法的可行性：通过仿真确认可通过射频信号欠采样的方式获得正交的I和Q序列。通过仿真确认可同时实现基频和二次谐波信号的测量。在重复上电的情况下，此方法可正确获得基频和二次谐波信号的相位差。00.10.20.30.40.50.60.7-1-0.
10、8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81waveform of f2 signal direct RF under-sampling00.10.20.30.40.50.60.7-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81waveform of f1 signal direct RF under-sampling基频信号采样时域波形图二次谐波信号采样时域波形图Page 10University of Science and Technology of China原理方法的仿真确认原理方法的仿真确认1）固定基频信号初始相位，改变二次谐波信号相位，测量相位差。仿真结
11、果表明测量值与设置值完全吻合，表明测量方法是正确的。2）其次考虑不同的起始采样时刻对测量结果的影响。固定两信号相位，改变起始采样时刻，测量相位差的变化。仿真结果表明测量值与起始采样时刻无关。0501001502002503003500200400600phase difference by setting/ phase difference caculated/phase difference caculated from frist sample point 0501001502002503003500200400600phase differenc by setting/ phase di
12、fference caculated/phase difference caculated from second sample point 基频相位二次谐波相位相位差基频相位二次谐波相位相位差00.050.10.150.20.250.30.350100200300400500600start time of sample: t0 phase difference/phase difference caculated from frist sample point 00.050.10.150.20.250.30.350100200300400500600start time of sample
13、: t0phase difference/phase difference caculated from second sample point 基频相位二次谐波相位相位差基频相位二次谐波相位相位差不同相位差值情况下测量结果不同采样起始时间下测量结果Page 11University of Science and Technology of China关键技术关键技术 低噪声大动态范围低噪声大动态范围RF信号处理电路设计信号处理电路设计 高高速高速高精度模拟数字变换精度模拟数字变换技术技术 高精度时钟系统设计高精度时钟系统设计 高速数字信号处理算法研究高速数字信号处理算法研究Page 12Un
14、iversity of Science and Technology of China电子学系统的设计与制作电子学系统的设计与制作Page 13University of Science and Technology of China电子学系统的设计与制作电子学系统的设计与制作AFE BoardDPB Board进行电路原理图、PCB的设计及硬件电路制作。二次谐波系统实物图二次谐波系统实物图Page 14University of Science and Technology of China系统的模拟电路设计包括两部分，电极检测信号（RF信号）的模拟调理电路和MO Reference信号的模
15、拟调理电路。如图所示，电极检测信号BPF提取325 MHz频率信号，并通过AGC电路实现可调增益的信号放大，最后通过BPF滤除噪声和谐波后输出给ADC进行采样。模拟调理电路部分的设计模拟调理电路部分的设计系统RF信号模拟调理电路结构示意图系统MO信号模拟调理电路结构示意图电子学系统的设计与制作电子学系统的设计与制作Page 15University of Science and Technology of China模拟调理电路部分的设计模拟调理电路部分的设计模拟调理电路幅频响应曲线电子学系统的设计与制作电子学系统的设计与制作Page 16University of Science and T
16、echnology of China模拟数字变换模拟数字变换电路的设计电路的设计ADC前端耦合电路阻抗匹配仿真结果电子学系统的设计与制作电子学系统的设计与制作高速高精度模拟数字变换电路为此电子学系统的核心部分之一。高性能的前端耦合电路。高性能的采样时钟产生电路。Page 17University of Science and Technology of China模拟数字变换模拟数字变换电路的设计电路的设计 - 采样时钟产生电路采样时钟产生电路电子学系统的设计与制作电子学系统的设计与制作103104105106107108-160-150-140-130-120Offset frequency
17、 (Hz)Phase noise (dBc/Hz)Broad band jitter: 274 fsSNR = -20log(2fintjitter) 10.5 ENOB （fin=325 MHz） 11.5 ENOB （fin=162.5 MHz）Jitter仿真结果：274 fs (宽带jitter) PLL1：近端低相噪PLL2：远端低相噪Page 18University of Science and Technology of China主FPGA接收来自AFE板的5路ADC采样数据，然后对数据进行运算处理，得到所需的位置和相位等信息，并存储在板载存储器DDR SDRAM中；CPLD
18、实现与PXI总线的接口逻辑，接受PXI控制器的命令，并实现主FPGA与PXI总线间的数据传输；其中主FPGA的数据处理时钟由模拟板提供，与ADC采样时钟同源；CPLD与FPGA的数据传输同步时钟使用PXI总线提供的33 MHz时钟。所有数字信号处理的算法，都集成在主FPGA中。数字信号处理电路的设计数字信号处理电路的设计数字信号处理电路结构图电子学系统的设计与制作电子学系统的设计与制作Page 19University of Science and Technology of China数字信号处理电路的设计数字信号处理电路的设计数字信号处理逻辑电子学系统的设计与制作电子学系统的设计与制作Pa
19、ge 20University of Science and Technology of China模拟前端电路的测试模拟前端电路的测试q在实验室环境中进行了模拟前端电路模块的滤波特性测试、增益线性等测试。典型增益线性测试结果Gainmax=67dB010203040506010203040506070Ideal Attenuation (dB)Gain (dB)Channel B Gain vs. Ideal Attenuation Page 21University of Science and Technology of China02004006008001000-120-100-80
20、-60-40-200Input Frequency (MHz)Gain (dB)02004006008001000-120-100-80-60-40-200Input Frequency (MHz)Gain (dB) Channel AChannel BChannel CChannel D模拟前端电路的测试模拟前端电路的测试 滤波性能滤波性能二次谐波通道基频信号通道110120130140150160170180190200-120-100-80-60-40-200Input Frequency (MHz)Gain (dB)280290300310320330340350360370-120-
21、100-80-60-40-200Input Frequency (MHz)Gain (dB) Channel AChannel BChannel CChannel D带外抑制大于80dBPage 22University of Science and Technology of China实验室系统测试实验室系统测试AFEDPBPXI 6U CratePage 23University of Science and Technology of Chinaa）系统原理验证测试）系统原理验证测试基频和二次谐波采样波形测试结果与matlab仿真结果相同，该测量方案可行24681012141605x
22、104RF signal sampling waveform24681012141605x 104MO signal sampling waveform实验室系统测试实验室系统测试Page 24University of Science and Technology of Chinab）数字）数字FIR低通滤波对于系统测量性能的提升：低通滤波对于系统测量性能的提升：实验室系统测试实验室系统测试未使用FIR LPF使用FIR LPF幅度频谱幅度分辨01234567-250-200-150-100-500The figure of the frequence domain (Spectrum Av
23、eraging) -172.104dBAnalog Input Frequency(MHz) 137.5023MHzAmplitude(dB)2 3 4 5 6 7 8 901234567-350-300-250-200-150-100-500The figure of the frequence domain (Spectrum Averaging) -177.639dBAnalog Input Frequency(MHz) 137.5107MHzAmplitude(dB)2 3 4 5 6 7 8 9-60-50-40-30-20-10000.20.40.60.81input amplit
24、ude (dBm)Amplitude (%)Amplitude resolusion (12.5MHz update,without LPF) chAchBchCchD-60-50-40-30-20-10000.050.10.150.20.25input amplitude (-dBm)Amplitude (%)Amplitude resolusion (12.5MHz update,with LPF) chAchBchCchDPage 25University of Science and Technology of Chinac）系统相位测试结果（）系统相位测试结果（-10 dBm输入，输
25、入，12.5 MHz更新率）更新率）二次谐波信号相位直方图分析结果通道A实验室系统测试实验室系统测试39.139.239.339.439.539.639.700.511.52x 104Phase ()Poits numberch1 Phase distribution DataGauss fit-29.3-29.2-29.1-29-28.9-28.8-28.700.511.522.5x 104Phase ()Poits numberch2 Phase distribution DataGauss fit-26-25.9-25.8-25.7-25.6-25.5-25.400.511.522.5x
26、 104Phase ()Poits numberch3 Phase distribution DataGauss fit-48.3-48.2-48.1-48-47.9-47.800.511.522.5x 104Phase ()Poits numberch4 Phase distribution DataGauss fit通道B通道C通道DPage 26University of Science and Technology of China改变输入信号幅度，测试在不同输入下的相位测量精度指标。上两图显示了二次谐波信号和基频信号（MO）处理通道相位精度随输入信号幅度变化的曲线。从图中可以看到在在
27、12.5 MHz更新率下，在60dB的输入信号动态范围内相位精度小于0.3，在-44-4dBm输入信号范围内精度好于0.1。系统相位精度测试结果系统相位精度测试结果二次谐波信号相位精度测试结果相位差精度测试结果实验室系统测试实验室系统测试-60-50-40-30-20-1000.050.10.150.20.250.3input amplitude (-dBm)Phase resolution ()Phase resolusion (12.5MHz update,with LPF) chAchBchCchD-60-50-40-30-20-10000.050.10.150.2input ampli
28、tude (dBm)Phase resolution ()Phase resolusion no LPFLPFPage 27University of Science and Technology of China幅度精度对应于流强测量精度，并影响位置测量精度结果。从图中可以看到在12.5 MHz更新率下，在-60 dBm至0dBm的输入信号动态范围内幅度测量精度小于0.25%，在系统需求的40dB动态范围内精度好于0.05%。d）原理验证电路幅度精度测试结果）原理验证电路幅度精度测试结果实验室系统测试实验室系统测试-60-50-40-30-20-10000.050.10.150.20.25i
29、nput amplitude (-dBm)Amplitude (%)Amplitude resolusion (12.5MHz update,with LPF) chAchBchCchD二次谐波信号幅度精度测试结果Page 28University of Science and Technology of Chinae）原理验证电路位置测试结果（）原理验证电路位置测试结果（-10 dBm输入）输入）二次谐波信号位置直方图分析结果(12.5 MHz更新率)实验室系统测试实验室系统测试-165 -164.5 -164 -163.5 -163 -162.5 -162 -161.50200040006
30、000800010000Position (um)Poits numberch1 Position distribution DataGauss fit-8.5-8-7.5-7-6.5-6-5.50200040006000800010000Position (um)Poits numberch2 Position distribution DataGauss fitY方向RMS： 0.3325umX方向RMS： 0.3119umPage 29University of Science and Technology of China上两图显示了二次谐波信号四个通道的位置测量精度随输入信号幅度变化
31、的曲线。可见，在12.5 MHz更新率下，在60dB动态范围内，位置测量精度好于30 um；在-44-4dBm的需求动态范围内，位置精度好于5 um，远好于应用需求。e）原理验证电路位置精度测试结果）原理验证电路位置精度测试结果二次谐波信号位置精度测试结果实验室系统测试实验室系统测试-60-50-40-30-20-100051015202530Input amplitude (dBm)Position resolution (um)Position resolusion,(12p5MHz update) Xpos with LPFYpos with LPFPage 30University o
32、f Science and Technology of China研究进展研究进展已完成二次谐波系统的设计制作和测试，测试结果表明指标好于系统需求。基频系统的设计和制作已经完成，目前正在进行实验室系统测试。Page 31University of Science and Technology of China工作创新性工作创新性在国际上首次基于新型的射频信号直接正交欠采样技术进行数字化束流测量，同时简化了模拟调理和数字信号处理部分的复杂度，提高了系统的稳定性。基于全数字化束流测量方案，最大限度提高系统简洁性、稳定性。进行新技术突破，在单个系统中同时实现束流的相位和位置测量。束流测量系统基于新一代集成构架，将工业界的智能仪器总线PXI构架引入加速器束流测量领域中。研究出的原理样机将可大规模应用于ADS质子加速器的束流相位和位置测量中。在此课题中研究的新型技术方法有望进一步推广应用于其他升级中和新建的加速器系统束流测量中，如未来的北方光源等。Page 32University of Science and Technology of China谢谢 谢！谢！
