时间测量技术在Barrier Bucket踢轨控制中的应用研究

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1 时间测量技术在Barrier Bucket踢轨控制中的应用研究
王彦瑜 2019/4/5

2 1. Barrier Bucket束流引出\注入技术
1983 年美国费米加速器国家实验室的 J. E. Griffin 提出了 Barrier Bucket 理论；通过对纵向相空间的操作实现束流多次注入和累积，结合电子冷却装置可以实现远大于传统 bucket to bucket 注入方法的累积增益[1]。 费米实验室利用 Barrier Bucket 理论结合电子冷却的方法使得质子 - 反质子的亮度提高了近 3 倍[2] 。 俄罗斯NICA工程和德国FAIR工程，都将采用 Barrier Bucket 理论用于累积粒子[3]。 近代物理研究所的 HIAF工程，准备将该理论应用到重离子的累积、预压缩、内靶实验的能量补偿等领域，其最终目的就是实现束流的灵活操作，提高储存环的流强，为物理实验和应用提供强流离子束。 [1]. J. E. Griffin et al., IEEE, Trans. Nucl. Sci., NS-30, 3502 (1983). [2] . C. M. Bhat, Applications of barrier bucket RF systems at Fermilab, Fermilab-Conf AD, 2006. [3]. M. Steck, The FAIR Accelerator Facility, Proc. of STORI’2008.

3 1. Barrier Bucket束流引出\注入技术
HIAF Barrier Bucket束流快引出与注入工作模式图 2019/4/5

4 2.目前已有的研究条件 束流注入 为了将累积在CSRm的高流强束流引出到CSRe中，CSR控制系统需要一套先进、有效的用于快引出/注入的踢轨控制系统(Kicker控制系统)来检测束流在环中的相位信息，以准确的判断引出、注入的精确时刻[1]。 CSR的高频系统中的高频信号相对应于束流的位置。 束流引出 CSR踢轨磁铁位置分布 [1] 罗金富. 用于控制系统的高精度控制器研制 . 硕士论文 2019/4/5

5 2.目前已有的研究条件（单频双环结构） CSR储存环是基于事例驱动机制，踢轨系统处于对束流的引出阶段。 接收到事例码 踢轨磁铁电源充电
踢轨系统的工作时间点 接收到事例码 踢轨磁铁电源充电 判断CSRm高频相位 输出方电信号 准备下一循环 踢轨系统的工作流程 CSR工作时序图 2019/4/5

6 2.目前已有的研究条件（单频双环结构） 现有的踢轨控制系统采用基于ARM+FPGA的单板结构，ARM负责建立Web服务器客户端，提供远程访问，延迟时间预置；FPGA负责事例判断，高频顶频频率捕获，高精度数字时间延迟调节功能（2.5ns精度）。 ARM+FPGA ARM+FPGA CSR踢轨控制系统结构 2019/4/5

7 3. Barrier Bucket踢轨控制技术难点
双环双频相位匹配符合，相位差≤1°； 基于数字逻辑单元的时间调节精度≤1.0 ns， 高精度数字延迟信号抖动≤150ps； 高频信号每个周期信号实时检测，并实现数据传输。 2019/4/5

8 4.踢轨控制器硬件结构设计 主控器件采用Xilinx公司的ZYNQ系列 SOC芯片，ARM与FPGA之间通讯采用内部AXI总线，ZYNQ的ARM端做web客户端和小型soc数据库记录系统；FPGA端实现复杂的数字逻辑信号的处理及高精度时间延迟单元设计。 2019/4/5

9 4.踢轨控制器硬件结构设计 Micro SD Card GPIO RJ45 LED 拨码开关 电源接口 RS232 JTAG
XC7Z015核心板 SFP 光纤接口 硬件实物图 2019/4/5

10 5.粗时间+细时间高精度数字延时模块 精密延时量程/精度 Ttap=1/(fref64106)
基于计数器与IO delay精密延时的相位调节模块 2019/4/5

11 5.粗时间+细时间高精度数字延时模块 Tektronix MDO3104，带宽1GHz，采样率2.5GS/s示波器 高精度延时测试
2019/4/5

12 6.双环高频相位符合 双频相位符合模块示意图 双频任意相位点符合示意图 2019/4/5

13 6.双环高频相位符合 双环高频零相位捕获图 2019/4/5

14 7.高频频率测量 直接计数法测量 优点： 结构简单 动态范围大 易于集成 缺点：精度不易提高 1GHz时钟频率LSB=1ns
可通过多次测量求平均提高精度 2019/4/5

15 7.高频频率测量 直接计数法测量时间的改进： 高频脉冲前沿时间差=>束团相位差 1.利用直接计数法 完成粗时间测量。
2.FPGA内部锁相环 模块产生内插时钟， 对一个周期以内作 时间内插测量。 高频脉冲前沿时间差=>束团相位差 2019/4/5

16 7.高频频率测量 单个时钟周期多相位采样： C0： C90： C180： C270： 1 2 3 信号前沿处于不同 时钟相位 多相位时钟
1 2 3 C0： C90： C180： C270： 多相位时钟 2019/4/5

17 7.高频零相位时间测量 多相位采样结果编码/解码： ： ： ： ： “1 0 0 0” “1 1” 1 1 1 0 0 0 0
1 2 3 C0： Q0 Q4 C90： Q1 Q5 Q2 Q6 C180： Q3 C270： Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 ： “ ” “1 1” 3 ： “ ” “1 0” 2 ： “ ” “0 1” 1 ： “ ” “0 0” 2019/4/5

18 7.高频零相位时间测量 时间测量仿真（图1）及在线测试（图2、图3） ： 图1 图2 图3 待测脉冲： 时钟信号： 信号前沿时间：
信号宽度时间： 数据有效信号： 图1 待测脉冲宽度设置为16ns： 待测脉冲： 信号宽度时间： 信号前沿时间： 图2 待测脉冲： 脉冲宽度测量误差为1ns 信号宽度时间： 信号前沿时间： 2019/4/5 图3

19 谢谢！ 2019/4/5