基于CSNS壁电流探测器数据采集的定制示波器的研制

李 芳，孙纪磊，徐韬光，徐智虹，李 鹏，黄蔚玲，曾 磊，孟 鸣，邱瑞阳，田建民，杨 涛

(1.散裂中子源科学中心，广东 东莞 523803；2.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049)

作为中国散裂中子源(CSNS)[1]加速器的重要组成部分之一，加速器束流测量系统在加速器的调束、运行及机器研究过程中起重要作用。运动的带电粒子束在金属真空盒内壁上会感应出壁电流，形成一正比于束流流强的压降，被用来测量束团纵向尺寸以及流强的相关信息。壁电流探测器(WCM)被广泛应用于世界各大加速器实验室中[2]，如美国FERMI实验室和欧洲核子中心CERN。FERMI实验室的壁电流测量基于集总电路模型，测量信号频率宽度为3 kHz～4 GHz；而欧洲核子中心的基于微波网络原理的WCM，频带范围可到30 GHz。CSNS快循环同步加速器(RCS)使用WCM的有效工作频率为10 kHz～300 MHz。WCM探测加速器束流信号的微结构，微脉冲均是ns级别，宏脉冲从百μs到几十ms，故对测量设备的采样率以及存储深度有很高的要求，且加速器束流测量系统主要用于机器研究，不要求实时性，因此各大实验室多采用高端示波器来完成测量。本文介绍壁电流测量系统的软件开发，对比传统示波器在存储深度、垂直分辨率、性价比等方面的局限性，提出一种定制示波器进行壁电流的信息读取，以完成20 ms束流信息的宏脉冲读取及微脉冲结构的分析，并使用同步的环高频信息对束流的相位、圈数、流强进行系统分析。

1 RCS中的束流结构和WCM设置

CSNS一期工程包括了1台束流能量为80 MeV的直线加速器、RCS、2条输运线、1个靶站、3台谱仪。来自直线加速器的粒子通过剥离注入的方式将H-转化为质子注入到RCS环中，RCS将质子束流从80 MeV加速至1.6 GeV，束团宽度从500 ns变化至100 ns左右，在此期间束团的纵向分布也在变化。为能全面、高性能地观测到束流的变化，束测系统根据束流在加速器沿线的不同表现放置了不同的束测探测器。为观察束团在注入、加速、引出过程中束团长度的变化，需在RCS上放置WCM[3-5]。

1.1 束流状态分析

CSNS RCS环有2个WCM，其中在RCS 2区有1个用于束测系统观测及物理分析，另1个供环高频系统使用。CSNS RCS上束流的时间结构特征[6]如图1所示。CSNS工作重复频率为25 Hz(即宏脉冲周期为40 ms)，RCS环上束流占空比为50%，在20 ms的加速周期内，质子束团的回旋频率从501 kHz升至1.22 MHz，高频谐波数h=2，即环内可有2个束团同时加速。束流进环后被涂抹成2个束团进行加速，当能量达到1.6 GeV，即在环内被加速近20 000圈后引出。束团在RCS环运行的时间为20 ms，被引出的2个束团单束团脉宽为90 ns左右，两束团间距约为409 ns。

图1 RCS束流时间结构特征Fig.1 Time structure of RCS beam

1.2 物理需求

为能全面并细致分析束流，需将整个20 ms束团信息进行采集并能详细看到100 ns束团细节，因此要求微脉冲有效点10～20个，数据的垂直分辨位数大于10位。

2 总体设计

2.1 硬件设计

鉴于物理需求，束测系统相关人员对传统示波器进行调研，发现大多数示波器的存储深度、垂直分辨率(一般都是8 bit)难以满足要求，需价格昂贵的高端示波器才能满足要求。因此，结合性价比，使用一种基于PXIe总线的定制示波器：NI-PXIe机箱+PXI-5124板卡+8115控制卡+显示器架构。该定制示波器选取的示波卡采样率为200 MHz，垂直分辨率为12 bit，存储深度为256 MB，在硬件方面满足物理对数据量的需求；示波器功能方面需自行进行软件的开发来实现数据波形的显示以及数据的处理分析。

2.2 软件设计

软件使用基于Windows的LabVIEW2015进行功能实现并使用DSC2015(Datalogging and Supervisory Control Module)实现数据的EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System) PV量的发布。

数据采集软件使用LabVIEW编程软件实现了对RCS 20 ms束流信息[7]以及环高频频率的两路信号采集，根据当前的束流状况，采集到从注入到引出共20 ms的束流信息，最小微脉冲为90 ns左右，间隔为409 ns。示波器参数设置采用100 MHz的采样率，保证每个微脉冲有10个点描述，能较清晰描述每个微脉冲的形状；将采样点数设置为2 500 000，以保证能完整获取到RCS环从注入到引出20 ms的束流信息，如图2所示。束流信号经过衰减器衰减后，电压范围控制在10 V以内。

图2 WCM测量界面Fig.2 Measurement interface of WCM

3 系统应用

在调束过程中应用WCM，测到了20 ms内的束流微脉冲细节信息，监测到了RCS环注入和引出的束流信息。

本文使用LabVIEW图形化编程语言实现了基于环高频信息的20 ms内束流的后处理功能[8-11]，以便对束流进行逐圈分析以及鉴定。鉴于周围环境、电缆等对信号有影响，需对高频信息增加窗口调节功能实现将每个微束团落在高频窗口内。RCS环射频信号的高频范围为1.02～2.44 MHz，用于将高强度质子从80 MeV加速到1.6 GeV，谐波数为2，因此利用高频信息提取出20 ms的相位和圈数信息，用于得到环内双束团的纵向震荡三维分析；还可得到束团关于相位中心的抖动以及圈数和时间之间的关系图，用以评价每圈束团的品质；并可协同其他束测探测器来分析束流在某团的丢束情况；另外，该后处理程序给出了双束团每圈的波形，可输入圈数自动显示，每次可显示n(n>0)圈，以便与RCS后双束团的形状加以对比，分析引出后双束团的变化，各界面如图3所示。

4 结论

经过前期的实验室测试和工程期间的调束使用，针对散裂中子源工程定制的RCS环WCM数据采集及处理示波器在硬件和软件实现方面均已圆满实现了工程所需，成功测量出质子束流从环注入到引出20 ms内的情况，并能利用高频信息及其他束测探测器测量信息对束流进行相互校核分析，满足了物理人员的分析需求，且经过长时间的出束检验，该设备运行稳定，成为RCS调试不可或缺的工具。

a——束流与环高频关系图；b——流强、相位及圈数三维显示图；c——双束团相位抖动图；d——圈数及时间关系图；e——n圈双束团显示图；f——三维现象分析图图3 WCM后处理程序界面Fig.3 Post-processor interface of WCM