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中国散裂中子源(CSNS)是生命科学、材料科学和核物理等诸多学科的研究平台。加速器驱动次临界系统(ADS)是嬗变核废料的有效途径,也是下一代核能开发采用的主要技术。本论文以CSNS和ADS-RFQ束晕研究为应用背景,设计并开发了一套先进的束流损失监测(BLM)系统测量电子学功能样机。
BLM系统作为加速器束流测量系统的重要组成部分,由探测器和测量电子学系统组成。BLM测量电子学系统从两方面实现对加速器设备的保护:①快速响应大束流损失,在极短时间内提供机器保护信号,尽量避免大束流损失对设备造成的损伤;②对束流损失造成的加速器设备长期低活化和低束流损失进行监测,当剂量超过一定辐射水平时提供报警信号。
本文从束流损失的基本原理出发,分析了电离室探头信号的形成机制及性能指标,归纳了BLM电离室探头引出微弱电流信号的特点,明确了BLM测量电子学系统的设计目标。通过调研多种微弱电流信号测量方案及注意事项,结合加速器物理要求,最终确定了BLM测量电子学系统的解决方案。
BLM系统测量电子学系统按照功能可划分为两部分:模拟前端(AFE)和数字前端(DFE)。AFE是测量电子学的核心,其设计与功能实现也是本课题的重点和难点。AFE包含了九大功能模块,其中详细介绍了I-V转换模块、机器保护系统(MPS)模块、增益可调快速跟随模块和50Hz陷波器模块的设计与实现。本文结合传输电缆对响应时间的影响,利用机器保护信号的响应时间与束流损失的关系式分析了AFE的响应时间;从电路稳定性分析、噪声计算与仿真、PCB设计三方面介绍了微弱电流信号测量电路的设计。DFE用于实现模数转换、为AFE提供控制信号及完成数据通信,包含了AFE配置系统、串口通信和模数转换(ADC)三部分,本文从硬件设计和软件开发两个方面进行了详细论述。
通过课题背景调研、方案分析、系统仿真、电路设计、电路调试等一系列工作,BLM测量电子学功能样机实现了对低占空比、低重复频率、微弱束流损失(<100pA)信号的测量,同时实现了对大束流损失信号的快速响应。各项性能与指标均达到了设计要求,为CSNS束流损失监测(BLM)系统工程奠定了良好的基础。