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CSNS靶站谱仪T0信号扇出设备研制

朱鹏 李嘉杰 张文翔 张玉亮 金大鹏 雷革 吴煊 何泳成 郭凤琴 康明涛 王林

朱鹏, 李嘉杰, 张文翔, 张玉亮, 金大鹏, 雷革, 吴煊, 何泳成, 郭凤琴, 康明涛, 王林. CSNS靶站谱仪T0信号扇出设备研制[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(2): 199-208. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020
引用本文: 朱鹏, 李嘉杰, 张文翔, 张玉亮, 金大鹏, 雷革, 吴煊, 何泳成, 郭凤琴, 康明涛, 王林. CSNS靶站谱仪T0信号扇出设备研制[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(2): 199-208. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020
Peng ZHU, Jajie LI, Wenxiang ZHANG, Yuliang ZHANG, Dapeng JIN, Ge LEI, Xuan WU, Yongcheng HE, Fengqin GUO, Mingtao KANG, Lin WANG. Design of CSNS Spectrometer T0 Signal Fan-out Equipment[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(2): 199-208. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020
Citation: Peng ZHU, Jajie LI, Wenxiang ZHANG, Yuliang ZHANG, Dapeng JIN, Ge LEI, Xuan WU, Yongcheng HE, Fengqin GUO, Mingtao KANG, Lin WANG. Design of CSNS Spectrometer T0 Signal Fan-out Equipment[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(2): 199-208. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020

CSNS靶站谱仪T0信号扇出设备研制

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020
基金项目: 中国科学院青年创新促进会资助项目(Y9291420K2)
详细信息
    作者简介:

    朱鹏(1984–),男,湖北广水人,高级工程师,硕士,从事加速器定时及快速机器保护等技术研究;zhup@ihep.ac.cn

    通讯作者: 雷革,E-mail:leige@ihep.ac.cn
  • 中图分类号: TL50

Design of CSNS Spectrometer T0 Signal Fan-out Equipment

Funds: Project of Youth Innovation Promotion Association, Chinese Academy of Sciences (Y9291420K2)
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图(13) / 表 (3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-13
  • 修回日期:  2020-04-30
  • 刊出日期:  2020-06-20

CSNS靶站谱仪T0信号扇出设备研制

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020
    基金项目:  中国科学院青年创新促进会资助项目(Y9291420K2)
    作者简介:

    朱鹏(1984–),男,湖北广水人,高级工程师,硕士,从事加速器定时及快速机器保护等技术研究;zhup@ihep.ac.cn

    通讯作者: 雷革,E-mail:leige@ihep.ac.cn
  • 中图分类号: TL50

摘要: 中国散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)靶站谱仪T0信号的高准确性和高可靠性是CSNS高效运行的重要条件之一。基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)和PMC(Peripheral Mezzanine Card)子母板组合,设计了满足分布式架构的T0信号扇出设备,自主研制了24 V电平触发的中子斩波器专用触发信号接收插件;在1.6 GeV质子束首次打靶前,对T0信号延迟及信号调理做了优化。T0信号扇出设备接口信号灵活多变,具有较强的可维护性和可扩展性,已投入使用近三年,系统稳定可靠,为今后二期谱仪更高需求的T0信号扇出设备的研发积累了宝贵的建设经验。

English Abstract

朱鹏, 李嘉杰, 张文翔, 张玉亮, 金大鹏, 雷革, 吴煊, 何泳成, 郭凤琴, 康明涛, 王林. CSNS靶站谱仪T0信号扇出设备研制[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(2): 199-208. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020
引用本文: 朱鹏, 李嘉杰, 张文翔, 张玉亮, 金大鹏, 雷革, 吴煊, 何泳成, 郭凤琴, 康明涛, 王林. CSNS靶站谱仪T0信号扇出设备研制[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(2): 199-208. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020
Peng ZHU, Jajie LI, Wenxiang ZHANG, Yuliang ZHANG, Dapeng JIN, Ge LEI, Xuan WU, Yongcheng HE, Fengqin GUO, Mingtao KANG, Lin WANG. Design of CSNS Spectrometer T0 Signal Fan-out Equipment[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(2): 199-208. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020
Citation: Peng ZHU, Jajie LI, Wenxiang ZHANG, Yuliang ZHANG, Dapeng JIN, Ge LEI, Xuan WU, Yongcheng HE, Fengqin GUO, Mingtao KANG, Lin WANG. Design of CSNS Spectrometer T0 Signal Fan-out Equipment[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(2): 199-208. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020020
    • 中子是人们了解物质微观结构的重要探针之一,常见的中子源有放射性核素中子源、反应堆中子源及散裂中子源三种,其中散裂中子源具有独特性,备受人们关注[1-3]。中国散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)是我国首台散裂中子源,主要由一台负氢离子直线加速器、一台快循环同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)、两条束流输运线、一个靶站、多台谱仪以及相关配套设施组成[4-6]。CSNS一期立项的小角散射谱仪(Small Angle Neutron Scattering, SANS)、通用粉末衍射谱仪(General Purpose Powder Diffractometer, GPPD)和多功能反射谱仪(Multi-purpose Reflectometer, MR)已完成工程建设并投入运行,三台谱仪各自均配置有多台中子斩波器和众多中子探测及中子测量电子学[7-8]。中子斩波器采用机械转动的方式选择各谱仪中子物理需求的中子波长,所以必须以RCS引出的1.6 GeV质子束流时间结构为参考依据精确控制并调整其工作时序[9-10];中子探测及中子测量电子学主要功能在于接收散射中子、统计中子通量、记录中子飞行时间及测量中子波长(能量)等[9-10],是中子科学研究与数据分析的重要基础,其触发信号的优越性能是高效探测和高可靠测量的基本保障。基于上述分析可知,精准、稳定的CSNS靶站谱仪T0信号扇出是靶站谱仪高质量运行的前提和基础。

    • 中国散裂中子源(CSNS)靶站谱仪一期工程建设有3台谱仪,每一台谱仪对T0信号需求如图1所示,主要涉及信号有3种:

      图  1  (在线彩图)CSNS靶站谱仪T0信号扇出需求示意图

      (1) 标准定时信号(EPREF:Experiment Reference):CSNS是脉冲式中子源,加速器束流最高重复频率为25 Hz[11]。3台谱仪获得的中子能谱波段范围由中子斩波器决定,其主要原理是通过转盘的机械式阻挡来对中子束流进行斩波,选择到达样品的中子波长范围[9-10]。中子斩波器属于机械装置,且质量较大,为了获取稳定的运行角动量,采用标准定时25 Hz信号。

      (2) RCS引出脉冲磁铁电源触发信号(RCSXT:RCS Extraction Kicker Trigger):为了高效引出1.6 GeV质子束流,RCS引出脉冲磁铁电源触发信号与RCS高频频率信号严格同步[11-12],因此,RCS引出脉冲磁铁电源触发信号与引出时的束流时间结构紧密相关,将其作为各谱仪的中子探测器和中子测量电子学系统触发信号。

      (3) 实时束流信号(RTBT-Beam):RCS引出脉冲磁铁电源以25 Hz恒定频率工作[13-14],因此,当谱仪各设备收到“RCS引出脉冲磁铁电源触发信号”时,并不表明“质子束流已从RCS引至RTBT(RCS to Target Beam Transfer Line)轰击靶生成中子束流”一定成立。为了提高中子探测及中子测量效率,将“加速器束流模式时序信号”和“RCS引出脉冲磁铁电源触发信号”做逻辑“与”,得到“实际束流信号”,它真实表征“质子束流已从RCS引至RTBT轰击靶生成中子束流”的正确性。

      为了保证CSNS靶站谱仪高质量运行,T0信号经扇出设备远距离传输后的长期性能设计指标及电平接口如表1所列。

      表 1  T0信号传输性能设计指标

      信号种类传输抖动(pk-pk)电平标准
      EPREF <5 ns 24 V
      RCSXT<5 ns 3.3 V/5 V TTL
      RTBT-Beam<5 ns3.3 V/5 V TTL

      基于RCS引出脉冲电源的响应时间及1.6 GeV高能质子束流飞行时间计算,T0信号必须满足如下时序关系:

      (1)快中子束流到达中子斩波器前的3.5 μs收到标准25 Hz定时信号;

      (2)快中子束流到达谱仪前的5 μs收到质子束流打靶信号。

      根据上述需求调研了国内外相关的脉冲信号传输技术,主要有如下几种方法:(1)采用同轴电缆直接铺设,最简单也可靠,但是链路抗干扰能力差,信号稳定性弱;(2)采用光纤传输信号,经“电-光-电”转换,链路抗干扰能力强,信号质量有保障。目前,基于光纤传输的商业设备如Stanford Research Systems的DG535系列产品,功能强大,能够很好满足信号传输需求,但价格较高,且灵活性不足。因此,基于实际需求分析及调研情况,我们决定自主研发整套T0信号扇出设备,在保障信号传输质量的基础上,降低工程费用,并提高其可维护性和可扩展性。

    • 靶站谱仪T0信号扇出采用分布式架构,主要考虑基于如下三点:(1) 3台谱仪地域分布相对分散,而每台谱仪所属设备相对集中;(2)每一台谱仪都需要3种T0信号,且每种信号都有多路需求;(3)针对CSNS靶站谱仪二期新增谱仪的T0信号需求做好预先规划。

      靶站谱仪T0信号扇出分布式架构设计如图2所示,图中各站主要功能如下:

      图  2  (在线彩图)CSNS靶站谱仪T0信号扇出传输分布式架构设计

      (1)CSNS定时系统采用分布式事件定时,LRBT (LINAC to RCS Transport Beam Line)定时主站产生并行的8位分布式总线时钟信号和8位事件码,加上4位校验码共20位,经过并/串编码为事件流,通过电光转换,经由光扇出模块和光纤将事件流发送到一系列定时子站。RTBT定时子站负责收集RCS引出脉冲磁铁电源触发信号、生成标准定时25 Hz信号和实时束流信号,采用等长多模光缆分别传输至靶站谱仪中央站。

      (2)靶站谱仪中央站负责T0信号一级收集,并将每一种T0信号尽可能低失真1:8扇出;以每3种T0信号为1组(依此可以形成8组),选取3组,通过光纤分别传输至每一台谱仪本地站。

      (3)谱仪本地站负责T0信号二级收集,并将每一种T0信号尽可能低失真1:8扇出;经光纤跳线传输至谱仪本地终端设备的光-电转换插件(或3.3/5 V TTL触发电平转换,或24 V触发电平转换),提供满足本地终端设备输入电平标准的T0信号,如中子斩波器需要24 V触发电平的标准25 Hz信号,中子探测和中子测量电子学插件需要3.3/5 V的RCS引出脉冲磁铁电源触发信号及实时束流信号。同时,为了满足新的需求,在谱仪中央站和每台谱仪本地站均预留T0信号扇出设备安装空间。

      根据图2中各站主要功能的详细介绍,结合分布式系统架构具有的优越性能,总结出CSNS靶站谱仪T0信号扇出分布式架构有如下优点:

      (1)靶站谱仪T0信号扇出架构设计简洁、清晰明了,可同时满足24台谱仪需求;

      (2)靶