束流收集器的熱計(jì)算

初級(jí)束流收集器是ISOL靶室系統(tǒng)的重要部件。它位于靶的后方，主要作用是對(duì)回旋加速器注入進(jìn)靶室的剩余束流進(jìn)行收集，并在靶被打穿的極端情況下，對(duì)束流進(jìn)行收集以確保系統(tǒng)其他部件不受損害。收集器采用高熔點(diǎn)的材料作為接受束流轟擊的部分，利用高導(dǎo)熱性的銅基將熱量傳遞給水冷系統(tǒng)。中心區(qū)域采用錐面以增大束流的分布面積。本工作對(duì)收集器的主要部分進(jìn)行了熱分析計(jì)算。計(jì)算假定注入束流為100MeV的質(zhì)子束，總功率20kW，束流分布滿足σ=5mm的正態(tài)分布。計(jì)算中考慮了質(zhì)子在鎢靶不同深度能量沉積的布拉格效應(yīng)。通過銅基和冷卻水之間的流體動(dòng)力學(xué)模擬，在冷卻水流速<5m/s，冷卻水管分布在距離束流中心約100mm時(shí)，水管壁的溫度約110?C。收集器中心接受束流轟擊的部分采用φ30mm的鎢芯時(shí)中心區(qū)域的溫度分布示，其中心最高溫度2215?C(2485K)，遠(yuǎn)低于鎢的熔點(diǎn)3680?C。此時(shí)，銅基部分最高溫度為677?C(950K)，同樣低于銅的熔點(diǎn)1054?C。從溫度分布計(jì)算結(jié)果來看，束流收集器的結(jié)構(gòu)方案是可行的。

束流收集器需能可靠地吸收電子束轟擊到其表面產(chǎn)生的能量，且能承受長(zhǎng)時(shí)間工作所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，因此，采用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱率好、熱膨脹系數(shù)小的銅制作束流收集器的內(nèi)筒，外筒采用不銹鋼制作，內(nèi)外筒之間為冷卻水通道，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。束流收集器內(nèi)表面采用倒圓錐結(jié)構(gòu)，使電子束在傳輸過程中逐漸被內(nèi)表面吸收，以擴(kuò)大束流收集器受到轟擊的面積，減小單位面積上的能量密度?？紤]到電子束傳輸和擴(kuò)散等因素，初步將收集器設(shè)計(jì)為入口直徑為160mm、長(zhǎng)度為1.2m的倒圓錐。內(nèi)筒厚度為10mm，以阻止電子束穿透，并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。收集器末端采用3個(gè)成120°的支撐柱對(duì)內(nèi)筒進(jìn)行支撐，在有足夠支撐強(qiáng)度的同時(shí)減小對(duì)冷卻水的阻力，出水口位于收集器的頂端，便于排除冷卻水中的氣泡，防止收集器局部過熱。

為防止電子束能量過于集中而損壞束流收集器，電子束在進(jìn)入束流收集器前需用四級(jí)磁鐵對(duì)其擴(kuò)束。電子束達(dá)到收集器內(nèi)表面時(shí)的束斑直徑為120mm，并且在傳輸過程中逐漸被內(nèi)表面吸收。通過束流光學(xué)模擬軟件，優(yōu)化四級(jí)磁鐵參數(shù)，并計(jì)算收集器上各位置沉積的電子數(shù)，得到收集器內(nèi)表面沿軸線的能量密度(P)分布曲線，如圖2所示。電子束橫向分布采用正態(tài)分布，電子集中在束團(tuán)中心，因此能量密度分布在收集器末端較大。計(jì)算中忽略了電子束轟擊到收集器內(nèi)表面產(chǎn)生二次電子和X射線而損失的能量，并直接將電子束能量考慮為熱量施加在收集器內(nèi)表面，不考慮電子束在材料中的穿透深度。通過優(yōu)化，將能量密度控制在100W/cm以內(nèi)，但在圓錐尖端出現(xiàn)峰值，達(dá)到130W/cm，這主要是圓錐尖端面積較小所致，由于能量并不高，該峰值在可接受范圍內(nèi)。

束流收集器水冷設(shè)計(jì)需防止收集器溫度過高導(dǎo)致冷卻水沸騰，沸騰產(chǎn)生的氣泡將使冷卻水與筒壁分離，在收集器壁形成熱點(diǎn)，從而使收集器溫度得不到有效控制。初步估算采用室溫(300K)的冷卻水在水流量為3.0k/s時(shí)，帶走由電子束轟擊產(chǎn)生的40kW熱量，溫升僅為3.2K。

使用流體力學(xué)模擬軟件Fluent對(duì)收集器水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，水流量為3.0kg/s，入口壓強(qiáng)為0.1MPa。冷卻水通道入口寬度為10mm，出口寬度為5mm，越靠近通道出口半徑越大，通道的截面積也越大，因此在冷卻水流動(dòng)過程中，流速將逐漸減緩。冷卻水通道內(nèi)水流速度分布如圖3所示，入口處的水流速度為4.6m/s，在向出口流動(dòng)過程中流速逐漸下降至1.2m/s。在水流過收集器內(nèi)筒末端時(shí)，被阻礙并分向四周形成水流速度較小的回流區(qū)，如圖3b、c所示，但該處未直接受到電子束轟擊，熱量來自于前端的熱傳導(dǎo)不會(huì)產(chǎn)生過熱。

經(jīng)過計(jì)算得到束流收集器內(nèi)筒靠近冷卻水表面的溫度分布和兩表面沿軸線的溫度分布，如圖4所示，收集器溫度從0.2m開始上升，在0.6m時(shí)達(dá)到平頂并一直延續(xù)到1.1m，與收集器上能量密度分布曲線相符合;在1.1m至末端區(qū)間，溫度迅速下降，與能量密度分布曲線趨勢(shì)相反。電子束能量主要沉積在收集器的0.6~1.1m范圍內(nèi)，末端雖然能量密度較高，但由于面積較小，能量沉積也較小，因此溫度較低。收集器兩表面之間的溫差隨溫度升高而增大，在收集器溫度最高處(355K)溫差最大，為10K?？拷鋮s水表面，最高溫度達(dá)到345K，遠(yuǎn)低于冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)，能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

對(duì)FEL-THz束流收集器進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，收集器內(nèi)筒采用入口直徑160mm、長(zhǎng)1.2m的倒圓錐結(jié)構(gòu)對(duì)電子束進(jìn)行吸收。采用室溫(300K)冷卻水對(duì)其進(jìn)行冷卻，冷卻水流量為3.0k/s，壓強(qiáng)為0.1MPa，可將收集器內(nèi)壁溫度冷卻至355K，遠(yuǎn)低于冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)，能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，滿足高平均功率FEL-THz裝置的使用要求。

蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)(HIRFL-CSR)由主環(huán)(CSRm)和實(shí)驗(yàn)環(huán)(CSRe)組成,每個(gè)環(huán)有一套電子冷卻裝置。電子冷卻是通過以相同平均速度運(yùn)動(dòng)的離子束與強(qiáng)流電子束的庫(kù)侖碰撞將離子束的橫向振蕩與縱向振蕩能量轉(zhuǎn)移到電子束,從而降低儲(chǔ)存環(huán)中離子束橫向發(fā)射度和縱向動(dòng)量散度、提高束流品質(zhì)目的的方法。CSRm電子冷卻裝置能夠提供能量低于35keV、最大流強(qiáng)3A的準(zhǔn)直性及單色性很好的電子束流,用于冷卻能量低于64MeV/u的重離子束。

CSRm電子冷卻裝置的冷卻作用使重離子束的橫向尺寸顯著縮小,為束流重復(fù)注入提供空間,從而實(shí)現(xiàn)重離子束流的累積。累積增益取決于電子冷卻過程的冷卻時(shí)間τ:其中,Qi和Ai為離子的電荷態(tài)和質(zhì)量數(shù),βi和γi為相對(duì)論因子,θi和θe為冷卻段內(nèi)離子束和電子束相對(duì)于儲(chǔ)存環(huán)真空管道中心軸的張角,ηec為冷卻段長(zhǎng)度和儲(chǔ)存環(huán)周長(zhǎng)的比值,je為電子束密度。裝置冷卻段內(nèi)離子束與電子束的相對(duì)位置決定了兩者之間的夾角,進(jìn)而影響束流的冷卻時(shí)間。據(jù)此,在CS-Rm的電子冷卻裝置上建立了用于同時(shí)測(cè)量電子束和離子束位置的測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量各種校正線圈對(duì)電子束和離子束位置的影響,優(yōu)化裝置運(yùn)行中束流的相對(duì)位置,提高對(duì)重離子束的冷卻效率。

在電子冷卻裝置冷卻段兩端各裝有一套圓筒形束流位置探針,每套探針由4個(gè)彼此絕緣、電學(xué)特性相同的圓筒形極板組成。極板由半徑100mm、長(zhǎng)度8mm和壁厚1mm的圓筒形不銹鋼材料沿對(duì)角面對(duì)稱切割而成,并按照相對(duì)于束流的上下左右關(guān)系對(duì)稱安裝在真空管道內(nèi)。因?yàn)闃O板為圓筒形且沿對(duì)角面對(duì)稱切開,所以有較大的感應(yīng)面積,感應(yīng)靈敏度高,線性度好。當(dāng)束團(tuán)通過時(shí),極板可等效為一電流源,探針極板上產(chǎn)生感應(yīng)電荷,進(jìn)而產(chǎn)生極板對(duì)地的電壓,該電壓受帶電粒子與極板之間距離的影響:包括前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及電子束調(diào)制、離子束測(cè)量觸發(fā)、計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理軟件)系統(tǒng)。前置放大器選用PET公司P/NAM-4A-000110-11030N型寬帶放大器,對(duì)探針極板感應(yīng)的弱信號(hào)進(jìn)行線性放大,之后送入60MS/s實(shí)時(shí)采樣率、12位垂直分辨率的PXI-51058通道高精度數(shù)字化儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換、頻譜信號(hào)強(qiáng)度分析獲得束流位置信息。

由于容式位置探針只能感應(yīng)束團(tuán)信息,故不能測(cè)量直流電子束在極板上的感應(yīng)信號(hào);而且冷卻過程中直螺線管冷卻段內(nèi)電子束與離子束同時(shí)存在,電子束和離子束流強(qiáng)相差3個(gè)量級(jí),使得電子束和離子束團(tuán)感應(yīng)在極板上的信號(hào)疊加,時(shí)域信號(hào)分析不能得出電子束與離子束團(tuán)信息。為此,位置測(cè)量時(shí)需要對(duì)電子束進(jìn)行頻率調(diào)制,通過傅里葉變換將探針極板上感應(yīng)的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),頻譜中不同的頻率信號(hào)表示電子束、離子束團(tuán)的不同感應(yīng)信號(hào)。調(diào)制方法是在電子槍端對(duì)電子束發(fā)射控制極電源進(jìn)行頻率調(diào)制,調(diào)制頻率要求區(qū)別于離子束團(tuán)的回旋頻率,以便于后期分析頻譜信號(hào)。根據(jù)離子束團(tuán)在CSRm回旋頻率范圍為0.2-1.6MHz的條件,系統(tǒng)選擇由外部信號(hào)源提供的頻率為3MHz的正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。頻譜分析時(shí)3MHz頻率信號(hào)為電子束感應(yīng)信號(hào),相應(yīng)能量的離子回旋頻率信號(hào)為離子束團(tuán)感應(yīng)信號(hào)。針對(duì)各極板上束流頻率信號(hào)強(qiáng)度,按照公式(3)和(4)獲得束流位置信息。為了防止電子槍端35kV高壓對(duì)調(diào)制信號(hào)的電磁干擾,外部調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)經(jīng)光纖傳送至調(diào)制模塊。

離子束測(cè)量觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)使用儲(chǔ)存環(huán)加速腔產(chǎn)生的回旋頻率信號(hào)或者加速器事例觸發(fā)系統(tǒng)提供的事例觸發(fā)脈沖,觸發(fā)脈沖經(jīng)光纖傳送至高精度數(shù)據(jù)采集卡觸發(fā)數(shù)據(jù)采集,以保證離子束團(tuán)位置測(cè)量同步。

由于位置探針已安裝于電子冷卻段真空管道內(nèi),系統(tǒng)不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室離線測(cè)試,為了檢查測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,需要進(jìn)行電子束校正線圈偏移能力的在線測(cè)試。校正線圈是沿電子束運(yùn)動(dòng)方向安裝在電子束真空管道四周的22組線圈,參數(shù)不同的線圈對(duì)電子束有不同的偏移能力。其中4組線圈(CX1,CX2,CY1,CY2)在電子槍區(qū)域?qū)﹄娮邮M(jìn)行偏移;6組線圈(CX3,CX4,CX5,CY3,CY4,CY5)在電子槍端彎曲螺線管區(qū)域?qū)﹄娮邮M(jìn)行偏移;2組線圈(CX6,CY6)在直螺線管冷卻段區(qū)域?qū)﹄娮邮M(jìn)行偏移;CX表示電子束水平方向的線圈,CY表示電子束垂直方向的線圈。

測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量線圈在不同電流下電子束的位置,進(jìn)而統(tǒng)計(jì)、擬合獲得相應(yīng)線圈的實(shí)驗(yàn)偏移能力。通過比較線圈理論偏移能力和實(shí)驗(yàn)偏移能力的差別,判斷測(cè)量系統(tǒng)位置測(cè)量的準(zhǔn)確性。圖4給出了電子束水平(a)和垂直方向(b)的線圈CX6和CY6在不同電流下電子束位置測(cè)量和偏移能力線性擬合結(jié)果。表1給出了部分校正線圈理論偏移能力、實(shí)驗(yàn)偏移能力和它們的偏差量。結(jié)果表明,線圈理論偏移能力和實(shí)驗(yàn)偏移能力差別小于0.5mm/A,即測(cè)量系統(tǒng)有較好的位置測(cè)量準(zhǔn)確性。

離子束在7-25-175MeV/u的加速過程中一個(gè)注入、累積、加速周期流強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖。首先離子在7.0MeV/u經(jīng)過持續(xù)9.5s的注入冷卻累積至110μA;接著進(jìn)行高頻捕獲(a點(diǎn))、第一次加速,離子束能量提高到25MeV/u,流強(qiáng)達(dá)到180μA;然后進(jìn)行第二次高頻捕獲(b點(diǎn))、加速,12.5s時(shí)刻加速結(jié)束(c點(diǎn)),這時(shí)離子束能量提高到175MeV/u,流強(qiáng)達(dá)到400μA;最后束流儲(chǔ)存2s后慢引出。每個(gè)周期中離子束在高頻捕獲、加速過程中,離子束團(tuán)回旋頻率改變,探針極板上感應(yīng)信號(hào)頻譜發(fā)生改變,位置信息可獲得。電子束感應(yīng)信號(hào)在3MHz調(diào)制頻率有類似頻譜信號(hào),電子束位置信息也可獲得。X表示水平方向,Y表示垂直方向。

可知,在電子冷卻裝置4m長(zhǎng)的冷卻段內(nèi)電子束與離子束存在夾角,水平方向電子束與離子束夾角為0.825mrad,垂直方向電子束與離子束夾角為1.025mrad,垂直方向離子束比電子束低大約11mm(如圖6所示)。由于電子束在冷卻段內(nèi)的直徑為59mm,電子束能夠包裹離子束,這時(shí)電子束對(duì)離子束仍有高的冷卻效率。當(dāng)然,通過電子冷卻裝置內(nèi)的校正線圈以及儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)的校正磁鐵可分別對(duì)電子束和離子束進(jìn)行位置調(diào)節(jié),最終使得離子束與電子束相互平行且束流中心位置重合。

束流位置信息是控制束流軌道的必要參數(shù)，它對(duì)環(huán)的閉軌校正等物理過程具有重要作用。中科院高能所為研究強(qiáng)流束的束流損失問題，在"973計(jì)劃"支持下建立了973-RFQ束流測(cè)量線整個(gè)束流測(cè)量線共有6個(gè)BPM。為了控制束流軌道，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)束流位置狀態(tài)，需要對(duì)此6個(gè)BPM制作一套束流位置讀出系統(tǒng)，將束流位置信息實(shí)時(shí)顯示。制作完成的系統(tǒng)將移植到中國(guó)散裂中子源(CSNS)的束流位置測(cè)量系統(tǒng)中。

公司的對(duì)數(shù)比處理模塊，輸出束流水平、垂直方向的位置信號(hào)X、Y各6路，和信號(hào)的對(duì)數(shù)和(SUM)共3路，因此制作的束流位置讀出系統(tǒng)需要讀出此15路信號(hào)。X、Y和SUM信號(hào)都是脈寬為50~1200μs，重復(fù)頻率為1~125Hz，幅值動(dòng)態(tài)范圍為±2V的脈沖信號(hào)。

1.系統(tǒng)布局

該系統(tǒng)用來采集X、Y、SUM信號(hào)到軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中。CSNS工程的控制系統(tǒng)是基于EPICS(ExperimentalPhysicsandIndustrialControlSys-tem，實(shí)驗(yàn)物理和工業(yè)控制系統(tǒng))的，所以973-RFQ的BPM信號(hào)采集系統(tǒng)也采用EPICS作為軟件平臺(tái)，便于移植。EPICS是用來開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)的一組軟件工具，它的基本組成部分為OPI(操作員接口)層---采用UNIX、Linux等操作系統(tǒng)的工作站，運(yùn)行各種EPICS工具;IOC(輸入輸出控制器)層---一般采用VME/VXI系統(tǒng)，包括機(jī)箱、處理器和各種I/O插件;網(wǎng)絡(luò)通訊模塊層(通道訪問CA)---為IOCs和OPIs提供基于TCP/IP協(xié)議的CA訪問通信，它提供CAClient和任意數(shù)目的CAServ-er之間的透明通信。

OPI采用了BEPCII工程的bepc21工作站，在Solaris操作系統(tǒng)下已安裝EPICS3.13.8開發(fā)環(huán)境，已有MEDM/EDM/StripTool(顯示界面繪制工具)、ChannelArchiver(歷史數(shù)據(jù)存檔工具)等豐富的OPI工具。IOC層選用了VME系統(tǒng)，由VME64x機(jī)箱，Motorola公司的MVME5100機(jī)箱控制器，Hytec公司的A/D卡、載板、信號(hào)轉(zhuǎn)接板組成。實(shí)驗(yàn)中采用PC機(jī)來遠(yuǎn)程訪問EPICS服務(wù)器和終端調(diào)試IOC。

2.硬件性能

選定各硬件產(chǎn)品的性能指標(biāo)如下:MVME5100---主頻450MHz;內(nèi)存512MB;運(yùn)行VxWorks5.4操作系統(tǒng)。A/D卡---型號(hào)為Hytec公司的ADC8411U;采樣頻率1Hz~100kHz可選，實(shí)驗(yàn)中選定100kHz;通道數(shù)16;分辨率16位;量程±5V;采樣時(shí)間2μs，轉(zhuǎn)換時(shí)間8μs;IP(In-dustrialPackage)結(jié)構(gòu)，需配合VME總線的載板使用。載板---型號(hào)為Hytec公司的VCB8002;VME64x標(biāo)準(zhǔn);支持IP接口，可以同時(shí)搭載4塊IP板;需配合信號(hào)后轉(zhuǎn)接板使用。信號(hào)后轉(zhuǎn)接板---型號(hào)為Hytec公司的VTB8307;VME64x標(biāo)準(zhǔn);有4個(gè)SCSI50路接口。信號(hào)連接線---DB15轉(zhuǎn)SCSI，一端是6個(gè)DB15口，一端是1個(gè)SCSI口。0.3IOC數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)IOC層是EPICS控制系統(tǒng)中最重要的部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，IOC數(shù)據(jù)庫(kù)是IOC層的核心，它的基本單位是記錄(Record)，每個(gè)數(shù)據(jù)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)記錄，這樣一個(gè)個(gè)的記錄就構(gòu)成了模塊化的IOC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。在EPICS環(huán)境下，一個(gè)I/O設(shè)備的IOC實(shí)例開發(fā)包括兩部分內(nèi)容:主機(jī)上IOC數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)及交叉編譯和IOC數(shù)據(jù)庫(kù)下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行。而IOC數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)又包括Record(用戶應(yīng)用程序)、RecordSupport、DeviceSupport以及DeviceDriver的開發(fā)。

本系統(tǒng)的A/D卡和載板的RecordSup-port、DeviceSupport以及DeviceDriver都由生產(chǎn)廠家提供。實(shí)驗(yàn)中結(jié)合實(shí)際采集需求，在應(yīng)用環(huán)境下對(duì)它們進(jìn)行了刪減、編譯、調(diào)試，發(fā)現(xiàn)了A/D卡用戶手冊(cè)中2個(gè)缺少的內(nèi)容和A/D卡驅(qū)動(dòng)程序中2個(gè)bug，進(jìn)行了修正及完善。整個(gè)IOC數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)過程包括以下內(nèi)容:

(1)運(yùn)行A/D卡和載板驅(qū)動(dòng)于應(yīng)用環(huán)境下通過建立應(yīng)用目錄，修改Makefiles文件內(nèi)容，使用gmake命令編譯，并下載應(yīng)用到目標(biāo)機(jī)，使A/D卡和載板的驅(qū)動(dòng)程序能在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下運(yùn)行。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題如下:AD卡對(duì)MVME5100來說有一個(gè)內(nèi)存偏移量，在設(shè)置載板的下載參數(shù)時(shí)應(yīng)將此參數(shù)設(shè)置上，否則MVME5100將讀不到A/D卡。A/D卡手冊(cè)上沒有寫明此內(nèi)容，給的驅(qū)動(dòng)程序中也沒有定義此參數(shù)。后經(jīng)過跟廠商交流解決此問題，MVME5100讀到A/D卡。

(2)選定A/D卡工作模式并編寫應(yīng)用程序選定的A/D卡有2種工作模式:寄存器模式，觸發(fā)模式。根據(jù)BPM位置信息是脈沖信號(hào)特點(diǎn)，選定觸發(fā)工作模式，其工作過程為:當(dāng)A/D卡被觸發(fā)時(shí)，信號(hào)被A/D卡采集，經(jīng)過ADC變換被儲(chǔ)存到A/D卡的FIFO內(nèi)存中(每個(gè)通道有自己獨(dú)立的一個(gè)FIFO內(nèi)存，一次最多可存儲(chǔ)256個(gè)位的樣本);當(dāng)FIFO已滿時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷;之后FIFO保持不變直到它的值被完全讀取，才能進(jìn)行下一次的觸發(fā)。根據(jù)A/D卡驅(qū)動(dòng)內(nèi)容編寫A/D卡數(shù)據(jù)讀出的應(yīng)用程序，用15個(gè)waveform記錄實(shí)現(xiàn)對(duì)15個(gè)BPM位置信號(hào)的讀出，其記錄掃描方式選為中斷掃描。將應(yīng)用程序下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問題如下:只能讀取A/D卡1個(gè)通道采集到的數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)多通道讀取。通過跟廠商交流找出原因是由于A/D卡的固件程序中存在bug，返回廠商進(jìn)行修改。修改后發(fā)現(xiàn)問題:讀不到A/D卡所有通道的數(shù)據(jù);VME超級(jí)終端一直顯示FIFO已滿。通過閱讀A/D卡驅(qū)動(dòng)程序找出原因是由于驅(qū)動(dòng)程序中存在bug，沒有在中斷函數(shù)中使能waveform記錄開始讀取數(shù)據(jù)的標(biāo)志變量。通過修改驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒋藛栴}解決。

(3)制定A/D卡觸發(fā)方案由于采集的信號(hào)為窄脈沖信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中選定同步觸發(fā)方案進(jìn)行A/D卡采集，這樣每次都能將脈寬段信號(hào)采集到數(shù)組前端，便于舍去后面的無效點(diǎn)。

輸入同步觸發(fā)信號(hào)給A/D卡后，發(fā)現(xiàn)問題如下:實(shí)驗(yàn)中的A/D卡采用的是雙重使能觸發(fā)，先通過軟件啟動(dòng)硬件，然后通過硬件輸入外觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)采樣。廠商給的A/D卡用戶手冊(cè)中沒有寫明此內(nèi)容，導(dǎo)致沒有進(jìn)行軟件使能，輸入外觸發(fā)信號(hào)后，A/D卡不工作。通過閱讀驅(qū)動(dòng)代碼，并與廠商進(jìn)行交流后，編寫了ARM使能程序，并在EPICS終端輸入ARM使能命令，解決此問題。

3.測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中用信號(hào)源模擬出一個(gè)脈寬為500μs、周期為40ms的窄脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并模擬出它的同步信號(hào)觸發(fā)A/D卡進(jìn)行采樣。測(cè)試得到的數(shù)據(jù)如圖3所示。該信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)窄脈沖信號(hào)的100kHz同步觸發(fā)采樣(500μs脈寬內(nèi)50個(gè)采樣點(diǎn))。對(duì)脈寬內(nèi)數(shù)據(jù)求方差值，得到讀出系統(tǒng)分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于BPM全系統(tǒng)分辨的要求，符合設(shè)計(jì)要求。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)A/D卡采集到的束流位置信號(hào)進(jìn)行了數(shù)值平均濾波，濾除噪聲影響，具體算法:將脈寬段內(nèi)數(shù)據(jù)去掉一個(gè)最大和一個(gè)最小值，對(duì)剩余數(shù)據(jù)求平均。信號(hào)采集系統(tǒng)采集到的X、Y信號(hào)是電平信號(hào)，單位為V;而束流位置x、y是距離，單位為mm;要將X、Y通過一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換成x、y。對(duì)于973-RFQ的束流而言，束流在真空管道中的一定范圍內(nèi)，此系數(shù)是一個(gè)常數(shù)。實(shí)驗(yàn)中采用100mV=1mm進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這兩部分內(nèi)容通過添加在A/D卡的驅(qū)動(dòng)程序中來實(shí)現(xiàn)。

該束流位置讀出系統(tǒng)采用了EPICS客戶端軟件EDM(擴(kuò)展顯示管理器)來制作用戶界面。共制作了2種不同的顯示界面來展示束流位置信息，一種是沿時(shí)間軸將每個(gè)束團(tuán)的位置信號(hào)繪制成波形動(dòng)態(tài)顯示;另一種是在XY平面繪制束團(tuán)的動(dòng)態(tài)位置。用該束流位置讀出系統(tǒng)對(duì)973-RFQ調(diào)試階段的頻率為1Hz、脈寬為50μs的束流位置信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。由現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)果看出，973-RFQ中束流位置基本狀態(tài)，波動(dòng)很小。