ADS质子加速器束流位置及相位测量电子学研究进展 核探测与核电子学国家重点实验室2013年年会 ADS质子加速器束流位置及相位测量电子学研究进展 胡晓芳 核探测与核电子学国家重点实验室（筹） 2013-5-3

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。 我国于1996~1999 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。

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。

国内外技术现状 模拟信号处理领域 数字信号处理领域 第一代 第二代 第三代 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）。

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：好于0.2 mm

研究内容 相位测量 位置测量 BPM束流信号处理系统原理框图 ADS质子加速器束流结构 研究出的原理样机可以直接应用于ADS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。 相位测量 位置测量

研究内容 基本技术原理 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。 在此课题中我们计划在束流测量中引入新型方法： -- 束流RF信号直接正交欠采样技术。 I Q -I -Q 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 束流RF信号 -- 图中绿色细线 数字中频信号 -- 图中紫色粗连线，方块表示采样点），对应于I和Q序列。

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

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。 基频信号采样时域波形图 二次谐波信号采样时域波形图 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。

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。 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

关键技术  低噪声大动态范围RF信号处理电路设计  高速高精度模拟数字变换技术  高精度时钟系统设计  高速数字信号处理算法研究

电子学系统的设计与制作

电子学系统的设计与制作 进行电路原理图、PCB的设计及硬件电路制作。 AFE Board DPB Board 二次谐波系统实物图

电子学系统的设计与制作 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 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。

电子学系统的设计与制作 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 模拟数字变换电路的设计 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。 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 模拟数字变换电路的设计 -- 采样时钟产生电路 PLL1：近端低相噪 PLL2：远端低相噪 Jitter仿真结果：274 fs (宽带jitter) SNR = -20log(2πfintjitter) ~ 10.5 ENOB （fin=325 MHz） ~ 11.5 ENOB （fin=162.5 MHz）

电子学系统的设计与制作 数字信号处理电路的设计 数字信号处理电路结构图 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。

电子学系统的设计与制作 数字信号处理电路的设计 数字信号处理逻辑

模拟前端电路的测试 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=67dB 最小输入信号为-44 dBm，ADC FSR对应9 dBm，所需最大增益理想值为53 dBm。 典型增益线性测试结果 Gainmax=67dB

模拟前端电路的测试 – 滤波性能 带外抑制大于80dB 二次谐波通道 基频信号通道

实验室系统测试 PXI 6U Crate DPB AFE

实验室系统测试 a）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

实验室系统测试 b）数字FIR低通滤波对于系统测量性能的提升： 幅度频谱 幅度分辨 未使用FIR LPF 使用FIR LPF

实验室系统测试 c）系统相位测试结果（-10 dBm输入，12.5 MHz更新率） 通道A 通道B 通道C 通道D 二次谐波信号相位直方图分析结果

实验室系统测试 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 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°。

实验室系统测试 d）原理验证电路幅度精度测试结果 幅度精度对应于流强测量精度，并影响位置测量精度结果。 二次谐波信号幅度精度测试结果 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%。

实验室系统测试 e）原理验证电路位置测试结果（-10 dBm输入） 二次谐波信号位置直方图分析结果(12.5 MHz更新率) Y方向RMS： 0.3325um X方向RMS： 0.3119um 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 e）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 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。

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。

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。

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