本文在對重離子加速器電源系統(tǒng)的功能及控制目標研究的基礎(chǔ)上,論述了重離子加速器電源實時控制系統(tǒng)的特點、實現(xiàn)目標及設(shè)計思想。借助重離子治癌專用裝置數(shù)字電源的研發(fā),研究了基于FPGA的電源數(shù)字控制器硬件、軟件的設(shè)計與研制方法,包括研發(fā)過程中碰到的問題及其解決方法,如以太網(wǎng)絡(luò)通訊的不穩(wěn)定問題,控制器長期工作不可靠等問題;論述了研制數(shù)字電源實時控制系統(tǒng)需要注意的一些軟硬件問題;以重離子加速器系統(tǒng)的性能優(yōu)化為目標,結(jié)合數(shù)字電源可靠、多功能、集成度高的特點,論述了重離子加速器電源數(shù)字控制器的軟硬件協(xié)同化設(shè)計、集成化控制等。在研究重離子加速器數(shù)字電源控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計并實現(xiàn)了重離子治癌專用裝置中一些特殊電源的實時控制算法。首先,研究了重離子加速器數(shù)字電源的同步控制問題�；诳删幊唐舷到y(tǒng)(SOPC),運用硬件描述語言設(shè)計并實現(xiàn)了一套重離子加速器數(shù)字電源同步定時觸發(fā)系統(tǒng),通過該系統(tǒng)對數(shù)字電源進行同步觸發(fā)測試實驗及實時控制研究。其次,在基于FPGA控制器的數(shù)字電源上首次對兩種典型的實時控制進行了深入研究,一種是重離子同步加速器軌道校正電源的實時控制,另外一種是重離子治癌照射野形成系統(tǒng)中數(shù)字電源的主動點掃描控制。根據(jù)系統(tǒng)的運行原理及系統(tǒng)對數(shù)字電源的特殊控制要求,研究了這兩種控制問題,設(shè)計了控制算法,并運用VHDL、NIOSII嵌入式軟件在電源數(shù)字控制器上編程實現(xiàn)了這兩種控制算法。特別地,采用兩種方法實現(xiàn)了主動點掃描控制,即實時響應(yīng)法和集成化控制法。最后,在數(shù)字電源上對所實現(xiàn)的算法進行測試,得到實驗數(shù)據(jù),驗證了控制算法的可行性。本論文的工作為重離子治癌項目的順利進行提供了技術(shù)保障,同時為重離子加速器數(shù)字電源實時控制的進一步研究提供了有價值的技術(shù)參考。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院研究生院（近代物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：TL56
【部分圖文】：

言 第一章 引言器科學(xué)背景州重離子加速器（HIRFL-CSR）是一個大科學(xué)工程裝置，一種國際上、核科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域進行研究的重要平臺，該裝置的布局如圖 1束流不僅種類多、品質(zhì)高，而且能量范圍寬可調(diào)。該裝置的科學(xué)目，包括：滴線核的研究、高溫高密度條件下核物質(zhì)性質(zhì)研究;介子物理研究、高離化態(tài)(高 Z)原子物理研究、重離子束相關(guān)的應(yīng)用研究[1]用研究包括了重離子束深層治癌研究，材料輻照等領(lǐng)域。

方案一 方案二 方案三圖 2-1 加速器數(shù)字電源控制系統(tǒng)方案圖 2-1 所示方案一，是一種集成化的控制方案，位于電源上的控制器集成了本地控制、上層控制的功能，直接接入以太網(wǎng)絡(luò)，減少了通信環(huán)節(jié)。控制器上一般包含嵌入式操作系統(tǒng)，F(xiàn)PGA 可編程邏輯電路。本課題中，治癌專用裝置及 ADS 項目的數(shù)字電源控制方案選擇方案一，其電源控制器是一種基于 Altera公司 FPGA 并嵌入 32bit 處理器（NIOSII 軟核）的可編程偏上系統(tǒng)（SOPC）方案�？删幊唐舷到y(tǒng)是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴充、可升級，具備軟硬件在系統(tǒng)編程能力。ALTERA 公司的 SOPC 技術(shù)提供以NIOSII（32-bit 處理器）和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)為中心的軟件設(shè)計技術(shù)及豐富的 IP Core，這使 FPGA 靈活的硬件設(shè)計與處理器的強大軟件功能有機地結(jié)合在一起，從而可實現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計。作為一種集成化的控制方案，方案一的優(yōu)點：1）集成了電源本體控制、

提高加速器技術(shù)、提升加速器性能必須要解決的問題。 同步性同步性是指多臺重離子加速器脈沖電源在加速運行需要的時刻同時號并同時輸出所需電流波形的能力，其時間同步誤差一般在 us 級別2。由于加速器電源不是單個運行的個體，而是需要由加速器控制系統(tǒng)夠統(tǒng)一運行的整體，所以電源的同步控制對于整個加速器電源系統(tǒng)非常關(guān)鍵。重離子加速器電源的主要作用是用來形成偏轉(zhuǎn)磁場的，性能也直接影響束流品質(zhì)。例如：注入引出電源，注引 BUMP 等電源性不好，就會損失束流或影響束流的品質(zhì)。與傳統(tǒng)的模擬電源不同 FPGA 的電源數(shù)字控制器能接收同步觸發(fā)信號，也就是說能把同步觸為電源主體的一部分，由電源數(shù)字控制器實現(xiàn)。對于重離子同步加統(tǒng)而言，電源的同步性能一般要求不大于 10us。
【共引文獻】

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本文編號：2878949