加速器高频自动频率调谐系统的设计与实现
摘要
兰州重离子加速器(HIRFL)是一台组合加速器装置,它自1988年建成至今,为众多的离子核物理和应用实验提供了多种束流。而高频系统是为加速器提供能量的关键系统。加速器运行时,高频电压加在高频腔体上,用来实现对粒子的加速。
高频腔体热变形,腔体的机械震动等都会造成腔体失谐从而引起腔体电压的下降以及高频电压的相位漂移。因此,频率调谐系统既是保证腔体正常运行的关键部分之一,自动调谐系统能够实现对高频腔调谐的远程控制,能够快速、准确的进行调谐。
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。特别适用于控制领域。近年来单片机的应用正在不断地走向深入,已越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等很多领域。单片机突出的特点是体积小,功耗低,可靠性高。
本文的工作就是设计一个能很好满足要求的自动频率调谐系统,从硬件设计、软件设计、抗干扰设计方面对系统的实现进行了描述。总体设计以简单和经济为基本出发点,尽量选用低价的高性能芯片以节省设计成本。设计了单片机控制单元的软件,主要包括初始化子程序、采集数据子程序、移相子程序、方向识别子程序、调谐子程序和显示子程序,并完成了整个软、硬件系统的调试。
Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL) is an equipment, which is combined by some sub-accelerator. Since 1988, when it was built, it has supplied a lot of beam for both ion nuclear physics and applications experiments. Radio frequency systems are the critical systems for energy accelerator. In order to accelerate the particles, radio frequency voltage will be added to the RF cavity when the accelerator is running.
The factors, such as thermal deformation and mechanical vibrating of the cavity, will result in cavity detuning which led to the decline in cavity voltage, and phase drift. Therefore, the frequency tuning system is the key part of the accelerator to ensure the cavity work normally.Auto-tuning system can tune the radio frequency cavity, remotely, fast and accurately.
Single-chip micro-computer is an important branch of micro-computer, and also quite viable models. It is particularly applicable to control fields. In recent years, MCU applications are continually deepening, more and more widely used in smart instruments, industrial control, and many other areas of daily life. MCU prominent feature is the small size, low power consumption and high reliability.
The purpose of this paper is to design an automatic frequency tuning system, which can well meet the requirements of the accelerator, and to describe the system in several aspects, such as hardware design, software design, and anti-interference design. The overall design with simple and economy as the starting point, try to choose low-cost, high-performance chips in order to save design costs. The MCU control unit, including data sample procedures, initial subroutine, phase shift subroutines, direction identify subroutines, tuning subroutine and display subroutine, has been designed. And the debugging of hardware and software of this system has been completed.
高频腔体热变形,腔体的机械震动等都会造成腔体失谐从而引起腔体电压的下降以及高频电压的相位漂移。因此,频率调谐系统既是保证腔体正常运行的关键部分之一,自动调谐系统能够实现对高频腔调谐的远程控制,能够快速、准确的进行调谐。
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。特别适用于控制领域。近年来单片机的应用正在不断地走向深入,已越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等很多领域。单片机突出的特点是体积小,功耗低,可靠性高。
本文的工作就是设计一个能很好满足要求的自动频率调谐系统,从硬件设计、软件设计、抗干扰设计方面对系统的实现进行了描述。总体设计以简单和经济为基本出发点,尽量选用低价的高性能芯片以节省设计成本。设计了单片机控制单元的软件,主要包括初始化子程序、采集数据子程序、移相子程序、方向识别子程序、调谐子程序和显示子程序,并完成了整个软、硬件系统的调试。
Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL) is an equipment, which is combined by some sub-accelerator. Since 1988, when it was built, it has supplied a lot of beam for both ion nuclear physics and applications experiments. Radio frequency systems are the critical systems for energy accelerator. In order to accelerate the particles, radio frequency voltage will be added to the RF cavity when the accelerator is running.
The factors, such as thermal deformation and mechanical vibrating of the cavity, will result in cavity detuning which led to the decline in cavity voltage, and phase drift. Therefore, the frequency tuning system is the key part of the accelerator to ensure the cavity work normally.Auto-tuning system can tune the radio frequency cavity, remotely, fast and accurately.
Single-chip micro-computer is an important branch of micro-computer, and also quite viable models. It is particularly applicable to control fields. In recent years, MCU applications are continually deepening, more and more widely used in smart instruments, industrial control, and many other areas of daily life. MCU prominent feature is the small size, low power consumption and high reliability.
The purpose of this paper is to design an automatic frequency tuning system, which can well meet the requirements of the accelerator, and to describe the system in several aspects, such as hardware design, software design, and anti-interference design. The overall design with simple and economy as the starting point, try to choose low-cost, high-performance chips in order to save design costs. The MCU control unit, including data sample procedures, initial subroutine, phase shift subroutines, direction identify subroutines, tuning subroutine and display subroutine, has been designed. And the debugging of hardware and software of this system has been completed.
引文
[1]赵籍九,尹兆升,粒子加速器技术,高等教育出版社,北京,2006.11：1-2
[2]徐建铭,加速器原理,修订版,科学出版社,北京,1981.10：1-3
[3]孙立莹,方春红,加速器发展简史,安庆医学2009年,第30卷,第1期
[4]方芳,刘战存,劳伦斯对回旋加速器的研究,大学物理,2007年,03期
[5]肖国青,李振中,兰州重离子研究装置,中国科学院院刊,2009年,第24卷,01期
[6]刘乃泉,加速器理论,第二版,清华大学出版社,北京,2004：1-7
[7]张会,鲍淑清,回旋加速器之父劳伦斯,物理,1996年04期
[8]唐靖宇,魏宝文,回旋加速器理论与设计,中国科学技术大学出版社,合肥,2008.10：20-21
[9]曹养书, 孙官清,回旋加速器的应用,物理,2001年06期
[10]戴岩伟,回旋加速器的原理及应用,濮阳职业技术学院学报,2005年01期
[11]卫增泉,圆形加速器在医学、生物学和农学中的应用,圆形加速器及其应用学术交流会,兰州,2000.5
[12]靳根明,圆形加速器与物理研究,圆形加速器及其应用学术交流会,兰州,2000.5
[13]侯明东,孙友梅,刘杰,刘昌龙,李长林,兰州重离子加速器辐照终端与快重离子辐照效应研究核技术,1996年10期
[14]雷苏文,重离子辐射生物效应的实验研究,国外医学放射医学核医学分册,2002年06期
[15]范西江,RDS111回旋加速器RF系统简介,中国医学装备,2007年01期
[16]李智慧,唐靖宇,黄廷泽,王胜利,HIRFL新B1聚束器冷却系统设计,强激光与料子束,2000年06期
[17]WANG Fang, WANG GuangWei LU JianFa, Low Level RF Control System for SSRF, HIGH ENERGY PHYSICS AND NUCLEAR PHYSICS, Jan.2004 No.1
[18]王芳,王光伟,SSRF高频低电平系统预制研究,核技术,2004年01期
[19]汤长岭,李伟,高功率发射机结构及其动力学分析,现代雷达,2009年1月
[20]Mihai Albulet. RF Power Amplifier. American. NOBEL publishing.2001
[21]SU Xueming, WANG Xianwu, Measurement and Display of Short-plate Position of SFC RF Cavity, IMP&HIRFL Annual Report,2004:157
[22]赵建民,苏学明,王世贤,王贤武,杨维青,张智明,HIRFL注入器高频腔体与高频机的匹配,强激光与粒子束,2005年01期
[23]郑启文,张生虎,高宜海,李智慧,郁奇,俞鸣峰,HIRFL高频腔体功率耦合匹配实验研究,强激光与粒子束,2003年05期
[24]Zhao Jianmin, ect. Power Matching of Injector RF System in HIRFL, IMP&HIRFL Annual Report,2004:158
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[26]闫聪,频率微调系统操作说明,近物所技术档案,1986.12
[27]唐靖宇,对HIRFL几个主要参数的稳定性要求,原子核物理评论,1998年01期
[28]刘红,嵌入式系统技术发展趋势浅析,中国建设教育,2006年10期
[29]程保炜,刘文坷,嵌入式系统及其开发应用概述,长江大学学报(自科版),2004年04期
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[36]吴曼荔,齐志艺,单片机的开发技巧及其应用,硅谷,2009年08期
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[47]National Semicondutor, ADC0809 Datasheets
[48]National Semicondutor, DAC0832 Datasheets
[49]启东市微机应用研究,QTH系统高级单片机开发系统使用说明书
[50]北京市鑫润电子科技有限公司,RF系列智能编程器使用说明书
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[54]翟晓华,单片机软件抗干扰技术分析与设计,山西科技,2008年第6期
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