于俊英 閆懷海 張 帥 周忠祖 原振棟

1（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所蘭州730000）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049）

蘭州重離子加速器（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou，HIRFL）是我國(guó)第一臺(tái)集加速、累積、冷卻、儲(chǔ)存、內(nèi)外靶實(shí)驗(yàn)及高分辨粒子探測(cè)于一體的大型重離子同步加速器裝置，主要由注入器（Sector Focusing Cyclotron，SFC）、束運(yùn)線（Beam Transport Line，BTL）、主 器（Separated Sector Cyclotron，SSC）、主環(huán)（The main Cooling Storage Ring，CSRm）、實(shí)驗(yàn)環(huán)（The Experimental Cooling Storage Ring，CSRe）及連接主環(huán)與實(shí)驗(yàn)環(huán)的次級(jí)放射性束流線（Radioactive Ion Beam Line 2，RIBLL2）等部分構(gòu)成，總長(zhǎng)約500 m［1-2］。其中，磁鐵電源系統(tǒng)是HIRFL重要組成部分，其主要為磁鐵提供特定的勵(lì)磁電流以產(chǎn)生加速器所需要的磁場(chǎng)。磁鐵電源內(nèi)部的直流電流傳感器（DC Current Transducer，DCCT）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）等器件難免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，這會(huì)影響電源電流的精度和一致性，進(jìn)而影響束流的穩(wěn)定性，所以有必要對(duì)電源的電流進(jìn)行標(biāo)定，以免產(chǎn)生這些誤差。

為了提高加速器電源輸出電流的輸出精度和回讀精度，國(guó)內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)行了電源電流標(biāo)定的研究。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所針對(duì)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)模擬電源，提出了一套直流電流傳感器的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，采用10點(diǎn)線性回歸標(biāo)定擬合方程的方法，實(shí)現(xiàn)了DCCT性能指標(biāo)的檢測(cè)以及對(duì)模擬電源電流的標(biāo)定［3-4］。中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所針對(duì)上海光源數(shù)字電源，提出了一套基于LabVIEW的數(shù)字化電源高精度DCCT穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)，采用線性回歸法進(jìn)行線性擬合方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DCCT穩(wěn)定度和線性度精準(zhǔn)測(cè)量［5-6］。中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所針對(duì)模擬電源，采用了旋轉(zhuǎn)平移坐標(biāo)系的方法，實(shí)現(xiàn)了電源了給定值、實(shí)際輸出值與回讀值一致性的電流標(biāo)定。

在HIRFL磁鐵電源系統(tǒng)中，高精度數(shù)字電源輸出的電流分為直流模式和脈沖模式。注入器、束運(yùn)線和主器上的電源主要工作在直流模式，采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到給定系數(shù)和回讀系數(shù)。而主環(huán)、實(shí)驗(yàn)環(huán)和RIBLL2上的電源主要工作在脈沖模式，脈沖時(shí)間短，電流上升下降速率快。因此，為了保證HIRFL主環(huán)、實(shí)驗(yàn)環(huán)上束流的品質(zhì)［7-8］，本文提出了一種新的高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定算法，并以主環(huán)四極鐵電源為樣機(jī)，對(duì)其電流進(jìn)行標(biāo)定，然后對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到給定系數(shù)和回讀系數(shù)，實(shí)際電源標(biāo)定結(jié)果表明該脈沖電源標(biāo)定算法的可行性。

1 高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定系統(tǒng)

1.1 脈沖標(biāo)定算法原理

數(shù)字電源模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DCCT存在不可避免的誤差，本文以電源輸入和輸出為對(duì)象，把數(shù)字電源中的ADC、反饋DCCT和回讀DCCT及其他環(huán)節(jié)引入的誤差集成為一個(gè)“黑盒子”。首先對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DCCT進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)DCCT測(cè)得的電流值對(duì)電源進(jìn)行給定電流標(biāo)定，得到給定系數(shù)（As、Bs）。然后再用此“標(biāo)準(zhǔn)”DCCT與回讀DCCT串接到一起進(jìn)行對(duì)回讀電流標(biāo)定，得到回讀系數(shù)（Ar、Br）。將所有電源的電流誤差統(tǒng)一為相對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)DCCT系統(tǒng)誤差。整個(gè)脈沖電源標(biāo)定原理可以以圖1所示，圖1中Rd2、Rd1分別為電源回讀DCCT采集脈沖波形的回讀平頂電流值和回讀平底電流值，Cref2、Cref1分別為電源標(biāo)準(zhǔn)DCCT采集脈沖波形的輸出平頂電流值和輸出平底電流值，Hset2、Lset1為上位機(jī)向電源數(shù)字控制器發(fā)送脈沖波形的給定平頂電流值和給定平底電流值。

圖1 高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定波形圖Fig.1 Pulse calibration waveform of high precision digital power supply

根據(jù)數(shù)字化電源的電流回讀值、電流輸出值、電流給定值一致性原理［9］，在一定的誤差范圍內(nèi)，電源具有很好的線性度，電流輸出值和電流給定值存在著線性關(guān)系。根據(jù)圖1中給定脈沖波形和輸出脈沖波形，建立給定方程組，如式（1）所示。計(jì)算出給定系數(shù)As、Bs，如式（2）所示。

同理，在一定的誤差范圍內(nèi)，電流輸出值和電流回讀值也存在著線性關(guān)系。因此，根據(jù)圖2中回讀脈沖波形和輸出脈沖波形，建立回讀方程組，如式（3）所示，計(jì)算出回讀系數(shù)Ar、Br，如式（4）所示。

1.2 脈沖標(biāo)定系統(tǒng)組成

高精度數(shù)字化電源脈沖電流標(biāo)定系統(tǒng)圖如圖2所示。該系統(tǒng)由NI（National Instruments）工控機(jī)、工控機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)DCCT（HITEC T20-8）、PXI/PCI-5922數(shù)據(jù)采集板卡、高精度數(shù)字化電源組成。根據(jù)高精度數(shù)字化電源脈沖電流標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)際需求和使用情況，工控機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電源發(fā)送給定脈沖波形和觸發(fā)事例，電源輸出脈沖電流。然后NI工控機(jī)控制PXI/PCI-5922數(shù)據(jù)采集板卡，同時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)DCCT和電源回讀DCCT的脈沖電流數(shù)據(jù)。

電流標(biāo)定系統(tǒng)的核心儀器是PXI/PCI-5922數(shù)據(jù)采集板卡和標(biāo)準(zhǔn)DCCT（HITEC T20-8）。PXI/PCI-5922使用NI Flex II ADC技術(shù)，具有靈活的、用戶(hù)自定義的分辨率，并可在24位（500×103s-1）～16位（15×106s-1）之間任何一點(diǎn)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)較大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)DCCT（HITEC T20-8）是HITEC公司生產(chǎn)固定電壓輸出型TOPACC系列的DCCT。其具有高穩(wěn)定性，小于0.25×10-5K-1的溫度系數(shù)，優(yōu)于2.5×10-5的線性度。

圖2 高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定系統(tǒng)圖Fig.2 Block diagram of pulse calibration system for high precision digital power supply

2 高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 數(shù)字電源調(diào)試軟件脈沖波形配置

根據(jù)HIRFL物理要求，通過(guò)數(shù)字電源調(diào)試軟件配置主環(huán)四極鐵電源（300 A/70 V）的脈沖波形。平底電流為20 A，平頂電流為300 A，平底電流時(shí)間和平頂電流時(shí)間均為1 s，電流上升和下降時(shí)間均為3 s，電流拐彎時(shí)間為512 ms，數(shù)字電源調(diào)試軟件脈沖波形配置如圖3所示。

圖3 數(shù)字電源調(diào)試軟件脈沖波形配置圖Fig.3 Configuration diagram of pulse waveform for digital power supply debugging software

2.2 標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取和處理

在主環(huán)四極鐵電源（240 A/70 V）的標(biāo)定中，數(shù)字電源調(diào)試軟件發(fā)送脈沖波形數(shù)據(jù)至電源數(shù)字控制器，PXI/PCI-5922采集數(shù)據(jù)軟件實(shí)時(shí)顯示電源的輸出電流標(biāo)準(zhǔn)波形和回讀波形，并將采集的電流數(shù)據(jù)保存至Excel表中，最后，通過(guò)Mathcad軟件根據(jù)式（2）和式（4）分析計(jì)算Excel表中的電流數(shù)據(jù)，計(jì)算出給定系數(shù)和回讀系數(shù)。實(shí)時(shí)顯示波形圖如圖4所示，Mathcad標(biāo)定參數(shù)分析如圖5所示，給定系數(shù)和回讀系數(shù)如表1所示。

圖4 實(shí)時(shí)顯示波形圖Fig.4 Waveform display in real time

圖5 Mathcad標(biāo)定參數(shù)分析Fig.5 Analysis of Mathcad calibration parameters

表1 給定系數(shù)和回讀系數(shù)Table 1 Setting coefficients and read-back coefficients

2.3 標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)表1中的給定系數(shù)代入式（1）得到修正后電流給定值表達(dá)式如式（5）所示。將電流給定值代入式（5），得到修正后電流給定值，重新配置數(shù)字電源調(diào)試軟件，發(fā)送新波形數(shù)據(jù)至電源數(shù)字控制器，進(jìn)行脈沖標(biāo)定，得到修正后的標(biāo)準(zhǔn)輸出電流值，進(jìn)行標(biāo)定給定結(jié)果對(duì)比。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出值和修正后標(biāo)準(zhǔn)電流輸出值分別與電流給定值相減取其絕對(duì)值，分別得到給定誤差值和修正后給定誤差值如式（6）和式（7）所示，標(biāo)定給定結(jié)果對(duì)比如表2所示。

同理，根據(jù)表1中的回讀系數(shù)代入式（3）得到修正后電流回讀值表達(dá)式如式（8）所示。將電流回讀值代入式（8），得到修正后電流回讀值，進(jìn)行標(biāo)定回讀結(jié)果對(duì)比。通過(guò)電流回讀值和修正后電流回讀值分別與給定電流值相減取其絕對(duì)值，分別得到電流回讀誤差值和修正后電流回讀誤差值如式（9）和式（10）所示，標(biāo)定回讀結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表2 給定電源輸出的標(biāo)定前后結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of setting results before and the calibration

由表2中電流給定誤差值和修正后給定誤差值比較，標(biāo)定前標(biāo)準(zhǔn)輸出電流誤差在280 mA左右，標(biāo)定后標(biāo)準(zhǔn)DCCT輸出電流誤差在19 mA范圍以?xún)?nèi)，標(biāo)準(zhǔn)輸出電流值精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)表3中的電流回讀誤差值和修正后電流回讀誤差值比較，標(biāo)定前回讀電流誤差在2.2 A，標(biāo)定后回讀電流誤差在11.2 mA范圍內(nèi)，電流回讀值精度基本提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

表3 標(biāo)定回讀結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of read-back results before and after the calibration

3 結(jié)語(yǔ)

目前，該標(biāo)定方法已經(jīng)成功應(yīng)用于蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)和其他重離子項(xiàng)目中約200余臺(tái)數(shù)字脈沖電源標(biāo)定。通過(guò)在數(shù)字脈沖電源中應(yīng)用電流標(biāo)定，提高了電流的輸出精度和回讀精度，改善了HIRFL整體性能和束流品質(zhì)。隨著加速器物理科研實(shí)驗(yàn)需求的不斷提高，對(duì)加速器電源輸出電流準(zhǔn)確度的要求越來(lái)越高，下一步打算將給定系數(shù)（As、Bs）和回讀系數(shù)（Ar、Br）做到電源數(shù)字控制器中，使得電流標(biāo)定更加方便和快捷，提高效率。