兰州重离子加速器的束流快引出和注入关键控制技术研究

Kicker system is used to implement beam transmission, acceleration and storage between two storage rings in Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL).So the Kicker control system plays an important role in this process. The beam transmission efficiency and quality was determined by the beam extraction and injection timing, magnetic field intensity setting. Two Kicker systems were used in HIRFL, one is for beam fast extraction of CSRm and the other is for beam injection of CSRe. Simultaneous control of multiple magnetic field power supply or a single power supply can be implemented based on this project research. In this project, the beam position can be determined by real-time measurement of the sweep frequency signal of the high-frequency acceleration electric field, Kicker pulse magnetic field intensity was set according to the beam energy. Total digital timing control and delay regulatory function was achieved based on new ARM + DSP + FPGA technology with 2.5ns precision. This project will have better anti-interference capability. The beam extraction efficiency will be increased by about 15%. 0.1% accuracy will be achieved by using high-precision DCP technology to set the base of the Kicker power supply. Because of the low time swimming precise trigger signal provided by this project, the nuclear mass measurement accuracy will be increased.

兰州重离子加速器(HIRFL)通过束流快引出和注入(Kicker)系统来实现两个存储环间束流的传输、加速和储存，而快引出与注入控制系统在此起着关键作用。束流引出和注入时机的判定、引出和注入磁场强度的设定决定了束流传输效率和品质。HIRFL配备的两套Kicker系统,分别用于CSRm(主环)束流的快引出和CSRe(实验环)束流的注入。本项目通过实时测量同步加速器高频加速电场的扫频信号来获知束团位置、根据束流能量设定Kicker脉冲磁场强度、采用全新的ARM+DSP+FPGA技术实现2.5ns精度的全数字化时序控制和延迟调节功能，既可对多台磁场电源触发时刻实现同时控制，也可对单台电源实现单独控制。本研究的实施将提高系统的抗干扰能力，并预期将束流引出效率提高15%左右。采用高精度DCP技术将使Kicker电源输入基准达到0.1%精度。预期本系统提供的低时间游动触发信号也将提高核质量测量的精度。

"兰州重离子加速器的束流快引出和注入关键控制技术研究"通过细致的调研与讨论，制定了明确的研究计划，研制成功了以ARM+FPGA+DSP为核心的单板结构的新kick控制器，其时间分辨达到了2.5ns精度，满足了踢轨控制系统的总体需求。在ARM11内部移植Boa嵌入式web服务器，以提供对客户端浏览器访问的支持，界面采用HTML+CSS+JavaScript开发，方便了调束人员操作。并申请到HIRFL束流时间，利用该控制器成功完成了束流快引出和注入，包括C束和Sn束。将时间控制精度提高到了2.5ns，提高了束流相位扑捉精度和扑捉率；实现了对多台KICK电源的单独时间控制，从而避免了原KICK系统中用单个充放电时间信号经过扇出后用双稳态电路进行调节而导致的时间游动；为束诊系统、随机冷却和核物理实验提供了稳定的预触发信号；为了满足加速器物理需求，通过3次改版，进行不断的改进完善，提高了系统的稳定性和可靠性，降低了维护和运行的复杂性。在实验进行过程中，当调节好延迟时间后，没有观察到“漏踢”或“踢空”现象，且置入的数据具有良好的重复性。目前，该研究成果已经成功的应用于HIRFL现场，取代了原KICK控制器和延迟器，为HIRFL调束以及终端物理实验提供着重要的保障，成功的支持了在HIRFL上进行的随机冷却实验以及核质量测量实验。通过该关键技术的研究，培养了一名博士研究生和两名硕士研究生，在国际刊物上发表3篇SCI文章，1篇EI文章，国内核心刊物上发表1篇。经过3年的努力，解决了HIRFL高精度和高效率的快注入引出的关键科学技术问题，实现了预期的研究目标，并为HIAF（强流重离子加速器装置）项目的进一步研究打下了技术基础。这些成果的取得离不开联合基金对本项目的经费支持。