基于MTCA的HLS-Ⅱ直线加速器低电平系统改造

合肥光源(HLS-Ⅱ)在重大维修改造之后,其光源性能有了很大的提升。为了进一步实现连续、平稳地供光,需要对其进行恒流改造。恒流运行要求直线加速器的微波功率源有长期的稳定性与可靠性,旧的模拟低电平控制系统满足不了要求。本文基于微型电信计算平台(MTCA)设计实现了数字低电平控制系统,控制微波功率源的幅度和相位,它由以FPGA为核心的数字板卡、射频板卡、 MTCA机箱以及频率合成系统组成。该数字低电平系统工作在2 856 MHz的S波段,在线运行幅度稳定度达到0.04%,相位稳定度达到0.2°,满足恒流改造对直线加速器数字低电平系统0.25°相位抖动RMS值的相位精度要求。     

BEPCⅡ高频系统的建造

北京正负电子对撞机二期(BEPCⅡ)的高频系统已于2006年11月投入运行,它包括了3个子系统:超导腔、发射机和低电平控制系统.与以前的高频系统相比,工作频率由200MHz变为499.8MHz,超导腔取代了常温腔.在过去一年的运行中,高频系统表现良好,达到了设计指标.     

快循环同步加速器射频加速电压幅度的数字化控制

 中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器（RCS）中的射频低电平控制系统是基于FPGA的全数字控制系统,旨在完成对射频频率、加速电压和同步加速相位的控制。介绍了CSNS/RCS射频系统的低电平数字化控制设计方案,并着重对射频加速电压幅度控制回路进行了分析与讨论。电压幅度控制环路通过射频电压幅度信号与电压幅度设定值的比较,得到误差信号。误差信号经过控制器来控制输入到射频腔的功率,以达到稳定和改变腔压的目的。通过对控制对象的分析和建模,得到了满足系统要求的控制器。详细介绍了数字系统的实现,尤其是信号的解调和控制算法的实现。用ALTERA公司的DSP builder进行数字控制系统开发,系统仿真结果表明,环路误差信号大约于10 μs（400个系统时钟）后归于0,整个电压幅度控制环路能稳定运行。     

强流质子RFQ加速器高频数字低电平控制系统

强流质子RFQ加速器加速场的频率为352.2 MHz,加速场幅度和相位的精度分别要求控制在±1%和±1°的范围,为了达到这一要求,设计了一套数字低电平控制系统,该系统包括加速场的幅度和相位控制、腔体的谐振频率控制和高功率射频连锁保护3个部分。腔体采样信号的下变频及反馈激励信号的上变频由模拟器件来完成。幅相实时反馈处理过程采用数字I/Q解调的方法,在1块stratixⅡ的FPGA板上实现,板上另有3块DSP用于通信和协助FPGA进行数据处理。系统完成后与RFQ加速器进行联机调试,测试结果基本满足控制精度的要求。     

HWR010超导腔提取耦合器的优化设计

我国自主研发的超导加速器CAFe是ADS加速器的前端示范装置,其对加速器的运行稳定性有非常高的要求。在CAFe的运行中存在场致发射效应干扰超导腔提取信号的问题,是造成超导腔运行故障最频繁的问题之一,这严重降低了加速器的稳定性。这一问题是由于超导腔内的场致发射电子在相关微波传输器件上引起了放电现象,干扰了信号的传输并造成低电平控制系统对超导腔的错误控制,最终导致超导腔失谐和加速器停机故障。本文通过优化提取天线的结构,避免场致发射电子进入提取耦合器,从而解决传输信号异常的问题。优化后的天线在线运行效果良好,解决了超导腔这种提取信号异常的问题,提高了加速器运行的稳定性。     

LLRF超导腔体控制系统的测试

中国科学院近代物理研究所自主研发的ADS注入器Ⅱ第一代高频低电平(LLRF)控制系统,工作频率为162.5 MHz;LLRF系统是由基于I/Q采样的正交解调技术构成的全数字闭环反馈控制系统,其主要功能是实现超导腔腔体电压幅值稳定控制、相位稳定控制与腔体谐振频率控制;LLRF控制系统在液氦温区超导腔上进行了系统稳定度和性能的在线测试,根据实验数据计算得超导腔体电压幅度稳定度为±3.4‰,相位稳定度为±0.3°,腔体表面峰值电场(Epk)能长时间稳定在25.1 MV/m。通过实验测试,检验了LLRF控制系统的性能,并对测试过程中出现的问题进行了分析,为将来超导腔LLRF控制系统运行积累了经验。     

基于新型超导电荷量子比特的几何量子门

超导量子系统被认为是最可能用于实现大规模量子计算、量子信息、以及量子存储等的物理系统之一.本文在一种特别设计的超导电荷比特的基础上,通过微波腔与超导比特的相互作用,探讨了在此系统中实现几何相单门以及非常规几何相两量子门的途径,并讨论了制备多量子比特最大纠缠态的方法.     

磁偏置高温超导限流器监控系统设计

针对磁偏置高温超导限流器并网运行实验要求,设计了具有高压隔离、快速采集及故障录波功能的监控系统。该监控系统采用现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)双重硬件架构设计模式,其中,FPGA用于快速采集实时数据和快速开关控制;DSP从FPGA获取状态量和模拟量等采集信号,集成超导限流器监控系统核心控制器的快速控制算法,实现超导单元保护指令的输出。给出了超导限流器监控系统的设计原理、核心控制器软硬件设计和上位机软件设计,并进行10 kV并网运行实验验证。监控系统运行结果表明,所设计的磁偏置高温超导限流器监控系统可以很好地实现对电网及限流器运行状态的实时、可靠监测与控制。     

基于软核的超导腔失效在线补偿系统的研究

利用遗传算法较强的鲁棒性以及FPGA在并行计算方面的巨大优势，以中国加速器驱动次临界系统（C-ADS）注入器II的第四个超导加速组元（CM4）为例，开发了超导腔失效在线补偿FPGA程序，并使用束流动力学软件TRACEWIN对FPGA计算结果的可靠性进行验证。然后将其封装为IP核，以更通用的形式在嵌入式Linux系统中使用；同时，针对未来超导腔失效补偿系统的独立性、低延时的要求，应用MicroBlaze软核处理器编译了Linux系统和EPICS组件，在搭建的仿真通讯环境中验证了超导腔失效补偿系统的通信功能。     

MoRe合金超导微波平面腔的制备

超导微波平面腔作为多种量子比特的读出方式及实现多比特长程耦合的媒介，已成为固态量子信息处理领域的研究热点。相比于传统的Al腔，MoRe腔不容易氧化，使得MoRe腔能够更加方便地用于机械振子、石墨烯超导结等实验研究中。同时由于第二类超导体MoRe合金具有临界温度高、临界磁场大等优异性质，这使得MoRe合金超导微波平面腔可以在4.2 K的液氦环境下工作，而且这种腔能够工作在更高磁场的环境下。因此本文设计并且仿真了MoRe合金微波平面腔的结构，探索了MoRe微波平面腔的微纳加工工艺（包括磁控溅射镀膜、光刻及干法刻蚀），解决了制备过程中出现的金属孤岛等工艺问题，成功制备出在20 mK的环境下Q值高达28000的MoRe合金超导微波平面腔。     

基于FPGA的通用开放式星载陀螺模拟器设计

陀螺是小卫星平台上姿轨控制分系统中的重要敏感元件,而陀螺模拟器是小卫星姿轨控制分系统地面测试过程模拟陀螺仪的数据流向和时序关系的必要设备。针对通用化的小卫星陀螺模拟器的设计需求,开发了一种基于FPGA和CAN总线接口的陀螺模拟器,采用了FPGA作为主控芯片,实现了支持多类常用星载陀螺数据通信协议的实时接口,并配置了具备电平隔离功能的CAN、RS-485等总线接口电路,实际配置一种工作状态的测试和实验验证表明,所设计的陀螺模拟器具有较高的可靠性和良好的通用性。     

半导体超常媒质矩形谐振腔(英文)

设计并研究了两个有不同各向异性参数的半导体超常媒质矩形谐振腔,其中填充了部分右手半导体超常媒质和部分左手半导体超常媒质。通过作图法研究了充满非色散的右手半导体超常媒质和色散的左手半导体超常媒质的谐振腔中谐振模式的解。结果显示,谐振腔的谐振模式取决于半导体超常媒质的色散关系。讨论了每种谐振腔中包含的六种情况,分别表示两个区域的传播常数为实数和虚数的不同的组合,并且揭示了构建具有无相差特性的谐振腔的几何参数要求。     

半导体激光Fabry-Perot干涉波长的微位移测量仪

摘要设计了一种基于Fabry-Perot干涉波长测量仪.这种测量仪使用两个Fabry-Perot干涉腔,其中一个作为测量腔、另一个作为参考腔,测量腔的一个反射面与被测对象安装在一起,参考腔的一个反射面与压电陶瓷安装在一起.根据透射光谱中心波长与其干涉腔长之间的关系,当参考腔与测量腔的透射光谱中心波长完全重合时,对纳米级微位移实现实时测量.光源采用半导体激光器,可获得所需要的波长值和波长变化范围.实验结果表明,这种测量仪测量误差不大于1.5 nm,该精度可以满足精密机械加工、光电子和微电子加工以及纳米级测量技术等领域的精度要求.     

水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究

两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.     

Analysis of superconducting cavity quench events at SSRF

Quench is important and dangerous to superconducting RF cavities. This paper illustrates the mechanism of quench and how a quench detector works, and analyzes the quench events happening during beam operations and cavity conditioning. We find that the quench protection is mostly triggered by some reasons such as fluctuation of cavity voltage, multipacting or arc, rather than a real cavity thermal breakdown. The results will be beneficial to optimize the operation parameters of superconducting cavities, to discover the real reasons for beam trip by quench interlock, and to improve the operation stability of superconducting RF systems.     

Analysis of superconducting cavity quench events at SSRF

Quench is important and dangerous to superconducting RF cavities. This paper illustrates the mechanism of quench and how a quench detector works, and analyzes the quench events happening during beam operations and cavity conditioning. We find that the quench protection is mostly triggered by some reasons such as fluctuation of cavity voltage, multipacting or arc, rather than a real cavity thermal breakdown. The results will be beneficial to optimize the operation parameters of superconducting cavities, to discover the real reasons for beam trip by quench interlock, and to improve the operation stability of superconducting RF systems.     

射频超导谐振腔中的电磁场研究

由高纯铌制成的射频超导谐振腔在高场时会出现Q值下降现象，这是高场下超导腔表面局部磁场增强所致. 为研究高场下超导腔表面的电磁场特性，用单cell超导腔设计了腔表面峰值磁场的研究实验. 通过对单cell超导腔表面峰值磁场的测量，可以确定超导腔焊缝及iris附近表面是否存在缺陷，以便进一步进行腔的处理来改进腔的性能.     

强流直线感应加速腔微波特性

 介绍了确定不同加速间隙形状和设计结构的强流直线感应加速腔微波特性的方法,即确定频域中加速腔横向阻抗值的方法,包括数值模拟和实验测试。 横向阻抗测试实验中采用了两种测试方法:一种为同轴线束流模拟法,另一种为对加速腔形状因子的测试。实验中测试了3种不同的腔型,并和数值模拟结果进行了比较。两种横向阻抗的测试方法所得结果都与计算结果基本符合,从测试过程的繁简程度和多次实验结果的重复性来看,对于强流直线感应加速腔来说,形状因子值测试方法优于双芯同轴线束流模拟法。实验测试和数值模拟结果显示,确定直线感应加速腔横向阻抗值,测试实验和数值模拟是相辅相成的,缺一不可。     

感应加速腔横向阻抗测量

 描述了采用脉冲双线法测量感应加速腔横向阻抗的原理、方法和步骤。测量结果显示,新设计的真空腔和绝缘腔的横向阻抗特性优于以前设计的原形腔,而且加速间隙由于采用了类同轴结构,绝缘腔的低频模式被有效抑制,在753MHZ测得其横向阻抗为820W /m。     

A novel multi-cavity Helmholtz muffler

A novel multi-cavity Helmholtz muffler is proposed. The multi-cavity Helmholtz muffler is composed of steel structures and silicone membranes. With suitable construction, the Helmholtz muffler can be designed to exhibit negative mass density in low frequency, and the muffling frequency can be adjusted when we change the internal structure of the cavity,which will be very attractive for noise control. In this paper, we investigate the influence of the membranes and the cavities on noise reduction characteristics with theoretical calculations and simulations. The results show that the numbers of membranes and the volumes of the cavities can have a great effect on the position of the muffling frequency. The number of cavities can have a great effect on the width of the muffling frequency(reduce the noise by 10 dB). With different combinations of the membranes and cavities, we can get different muffling frequencies, which can meet different muffling demands in practical applications and is more flexible than the traditional Helmholtz cavity.