加速器驱动次临界洁净核能系统(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)是一个非常安全的核能系统，一旦出现紧急情况，停止加速器运行，可以使反应堆处于次临界状态。由于反应堆没有外中子源的驱动而停止运行，该系统还能对核材料进行嬗变，提高核燃料的利用率，减少半衰期长的高放射性核废料。强流质子注入器是ADS的关键组成之一，中国科学院高能物理研究所和中国科学院近代物理研究所分别就两套方案设计不同的注入器，其中高能所负责注入器Ⅰ的设计和研制，采用的射频四极场(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)频率为325 MHz[1-2]。对于注入器Ⅰ，束流的相位和能量是很重要的参数，需要实时获得。针对ADS的束流测量需求，对高精度的相位和能量测量进行研究，设计了基于快速电流变压器(Fast Current Transformer, FCT)的能量测量系统。该测量系统包括FCT探头、前端电子学、数据采集和处理系统，通过正交采样的方式得到束流的相位，再根据测得的束流的相位，采用飞行时间法得到束流的能量。相比传统全模拟电路实现测量的方法，该测量系统能在一定程度上抗噪声和非线性的干扰，在非常高的频率时也能探测到最小失真的束流信号，同时对高频信号，采用下变频技术实现了相位高精度测量。该系统通过实验验证了其能量测量精度，并且已在实际应用中精确测量束流的能量和相位，进而有效地指导ADS调束。
1 系统工作原理在ADS注入器Ⅰ中，强流质子加速器通过加速单元对质子束进一步加速，加速到一定能量轰击重靶核而产生中子[3]。质子束在注入过程中，为了ADS束流能量能达到一定能量值，对射频(Radio Frequency, RF)信号的相位精确地调制是不可缺少。所以需要引出被测质子束流信号，测出该质子束流的相位及能量信息，然后反馈给控制系统对质子束流进行调制[4-5]。
基于FCT的束流相位和能量测量系统的原理如图 1所示。被测量的质子束流信号首先由被调制的加速单元处FCT1取出，在该质子束流通过下一个未被调制的加速单元后，再通过FCT2将质子束流信号取出，以一定的信号的相位作为参考，使用正交采样的方法获得质子束流的两个相位，采用飞行时间法进一步计算出质子束流的能量[6-7]。
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图 1 基于FCT的束流相位和能量测量系统原理图 Figure 1 Schematic diagram of beam phase and energy measurement system based on FCT. |
质子束流的相位信息采用正交采样的方法获得。基于正交采样的束流测量技术是从束流信号中提取出某一频率的正弦波成分进行处理，然后对该单频率正弦波进行采样，每个周期获取相互正交的4个数据，即为该正弦波上的IQ (In phase and Quadrature phase)序列。如图 2所示，获取IQ序列为I、Q、-I、-Q，根据IQ序列，再利用反正切计算得到信号的相位信息，详细推导过程如下。
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图 2 束流的单频率成分正弦波上IQ序列 Figure 2 IQ phase and quadrature phase on the single frequency sine wave of the beam signal. |
设束流的单频率正弦波成分为：
| $ y = A\sin (\omega t + \varphi ) $ | (1) |
式中：A为正弦波的幅值；ω为正弦波的角频率；φ为正弦波的相位。
若t1时刻I点值为：
| $ I = A\sin (\omega {t_1} + \varphi ) $ | (2) |
此刻Q点的值为：
| $ Q = A\sin (\omega {t_1} + \varphi + {90^{\rm{o}}}) = A\cos (\omega {t_1} + \varphi ) $ | (3) |
则束流信号的相位φ为：
| $ \varphi = \arctan (I/Q) - \omega {t_1} $ | (4) |
由此可见，通过对束流的单频率成分正弦波正交获取数据，可实现对束流相位的测量。
1.2 能量测量的原理在基于FCT的束流相位和能量测量系统中，测量束流能量是利用在加速器上两个已知距离的FCT的信号测出相位差，再根据飞行时间法得出质子的速度，进而算出质子的能量。
FCT的信号里有325 MHz的高频调制信号，该系统测出束流中325 MHz信号的相位，得到两个FCT间的束流的相位差[5]。假设两处信号的相位差为Δθ，如图 3所示，根据飞行时间法，飞行时间t：
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图 3 325 MHz正弦信号的相位差 Figure 3 325-MHz sinusoidal signal phase difference. |
| $ t = \Delta \theta T/2{\rm{ \mathit{ π} }} = \Delta \theta /2{\rm{ \mathit{ π} }}f $ | (5) |
式中：Δθ为质子从FCT1到FCT2的信号相位差，rad；T为RFQ射频的周期，s；f为RFQ射频的频率，Hz。
图 3中FCT1和FCT2之间的距离L已知，可算得质子的速度v：
| $ v = {L /t} $ | (6) |
式中：v为质子的速度，m∙s-1；L为FCT1与FCT2之间的距离，m；t为质子从FCT1到FCT2的时间，s。
根据式(5)和(6)，就可以推算出粒子的速度：
| $ \nu = 2{\rm{ \mathit{ π} }}fL/\Delta \theta $ | (7) |
结合式(7)，可以得出能量常数：
| $ \gamma = 1/\sqrt {1 - {{(\nu /{\rm c})}^2}} $ | (8) |
式中：γ为能量常数，1；c为光速，m∙s-1。
束流能量可由式(9)求得：
| $ {E_{\rm{k}}} = (\gamma - 1){E_0} $ | (9) |
式中：Ek为束流能量，MeV；E0为粒子静能量，E0=938 MeV。
由以上推导可知，通过测量325 MHz信号在不同FCT处的相位差，进一步可以算出质子的能量。总之，束流能量和相位测量的关键是束流相位的测量，必须保证相位测量的分辨率，该系统设计要求在线相位分辨率好于±2°。
2 系统硬件设计 2.1 系统总体架构基于FCT的能量测量系统主要包括FCT探头、前端模拟电子学、数据采集和处理系统，总体框图如图 4所示。FCT探头是一款最佳探测脉冲或连续束流的非阻挡性束流相位探测器，上升时间低至175 ps，相比壁电流探测器，灵敏度更好，在很高频率下，也可探测到最小失真的束流信号。
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图 4 基于FCT的能量测量系统总体框图 Figure 4 Block diagram of beam phase and energy measurement system based on the FCT. |
前端模拟电子学主要完成对信号滤波、混频和幅度调整等预处理。前端电子学有4个模拟信号输入端口，其中两个分别接收FCT1和FCT2的信号，FCT1和FCT2信号中有高频信号325 MHz的相位信息，另两个直接输入325 MHz的正弦参考信号。来自FCT的信号和参考信号中含有的杂波会对相位测量造成干扰，所以需要通过滤波器将325 MHz的正弦信号检出。如果采用直接采样的方式，ADC (Analog-to-Digital Converter)的采样率要达到1.3GHz，采样率太高会降低ADC的分辨率，影响相位测量的分辨率。该系统采用先降频再采样的方式，将325 MHz的信号通过混频器进行降频，得到16.25 MHz基频信号，增益调整后送给数据采集和处理系统。
数据采集和处理系统主要包括ADC信号采集处理卡、PC的硬件设备及数据处理的软件系统，主要完成数据采集、处理、存取和显示。ADC信号采集处理卡获得IQ序列，并通过反正切算法得到束流信号的相位，再将得到的相位传送给PC机。PC机接收到的数据再通过数据处理的软件做进一步处理，得到束流的相位和能量，并在PC机上显示。
2.2 前端模拟电子学为了实现对高频信号的相位高精度测量，该系统采用先降频再采样的方式设计，前端模拟电子学提取出325 MHz单频率正弦波后，利用混频器对该正弦波进行下变频，前端模拟电子学的设计如图 5所示。用低通滤波器VLF-320和高通滤波器BHP-300+组合成一个中心频率为325 MHz的窄带的带通滤波器，从FCT的脉冲信号中提取出正弦的325 MHz信号，然后，提取出来的信号经过固定衰减器VAT-3和放大器ZRL-700+幅度调整，再通过混频器ZP-3+与308.75 MHz正弦信号进行混频，高频信号下变频到基频[7]，最后，带通滤波器SIF21.4将基频16.25 MHz的信号滤出，再经由放大器ZFL1000和衰减器VAT-3幅度调整后输出。
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图 5 前端模拟电子学框图 Figure 5 Front-end analog electronic block diagram. |
ADC信号采集处理卡是一块标准的PCIe总线卡，主要完成信号的正交采样、逻辑处理及传输的功能，它的基本结构如图 6所示。ADC芯片AD9246模块有两路模拟信号输入，输入的是混频器输出的16.25 MHz基频信号。时钟芯片AD9512接收325MHz外时钟输入后，得到5分频信号65 MHz给ADC芯片AD9246，作为模拟信号的采样钟，对两路模拟输入的基频信号进行正交采样，得到IQ序列，然后送到FPGA (Field-Programmable Gate Array)芯片中，通过反正切算法算得信号的相位，还有一路外触发输入对FPGA数据处理模块进行控制。另外，时钟芯片AD9512同时得到一个三分频信号108.3 MHz给AD9518，AD9518输出时钟为308.75 MHz，连接到混频器ZP-3+的本地端。
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图 6 ADC信号采集处理卡基本结构 Figure 6 Basic structure of ADC signal acquisition and processing card. |
ADC信号采集处理卡上FPGA芯片为EP4CGX50DF27C8 (Cyclone Ⅳ)，主要包含了时钟逻辑、外部触发逻辑、ADC数据处理逻辑和PCIe总线逻辑，其逻辑的功能如图 6所示。时钟逻辑功能提供主要时钟给FPGA，同时也对AD9512和AD9518进行配置；外部触发逻辑用来启动数据采样过程；ADC数据处理逻辑主要负责数据采样，采用Cordic算法对IQ序列数据进行计算；PCIe模块用于传输数据。
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图 7 FPGA芯片逻辑设计的功能模块 Figure 7 Functional module of logic design based on the FPGA. |
主机上的应用程序是用Visual C++和MATLAB编写的，主要完成数据获取和进一步处理的功能，以及显示束流的相位结果。测试系统使用前，对相位的测量精度进行测试，实验室搭建的测试装置如图 8所示。其触发信号、参考信号和FCT信号均由信号发生器产生，用了两台信号发生器和两个功分器。每次测量，数据采集系统测1 000个点，测出来自FCT及参考时钟信号对应的IQ序列的值和相位值，进而测出单通道FCT信号与参考信号相位差，即该通道测量的束流相位，最后，算出通道1的束流相位与通道2的束流相位的差值，以此衡量该系统能量测量的性能。
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图 8 实验室测试装置框图 Figure 8 Block diagram of test device in laboratory. |
图 9(a)给出了实验室单通道测试时的结果，给出了I0、Q0、I1、Q1数据。I0、Q0是来自参考时钟信号的数据；I1、Q1是来自FCT1信号的数据。实验过程中分别得到来自FCT1信号的相位phase 0和参考时钟信号的相位phase 1。从图 9可以看出，来自FCT1信号的相位与参考时钟信号的相位的相位差diff phase的相位在143.0°-144.2°之间变化，对每100次测量结果平均处理后，其结果在0.1°以内波动(143.55°-143.65°)。
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图 9 基于FCT的束流能量测量系统在实验室内系统测试结果 (a)单通道测试，(b)双通道测试 Figure 9 Test results of FCT-based beam energy measurement system in the laboratory. (a) Single channel test, (b) Two-channel test |
图 9(b)给出了两路信号的实验结果，通道1 phase device0的相位变化为221.5°-222.5°，通道2 phase device1相位的变化为143.0°-144.5°，两个通道之间的相位差delta phase为1.6°以内波动(35.9°-37.5°)，对每100次测量结果平均处理后，其结果在0.034°以内波动(36.653°-36.687°)。系统测试表明，该系统在实验室相位测量分辨率为±0.8°。
3.3 分辨率（在线测试）将系统安装于ADS系统现场进行测试，在线测试的结果如图 10所示。通道1的相位phase0变化为-24.3°—-22.7°，通道2相位phase1的变化为139.0°-142.2°，在不做任何数据处理情况下，通道1与通道2的相位差diff phase在4°以内波动(162.0°-166.0°)，对每100次测量结果平均处理后，其结果在0.5°以内波动(163.4°-163.9°)。系统测试表明，该系统在ADS现场情况下相位测量分辨率优于±2°。
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图 10 基于FCT的束流能量测量系统在现场测试结果 Figure 10 On-line test results of FCT-based beam energy measurement system. |
在线测试时，由于系统中FCT获得信号成分比较复杂，前端模拟电子学不能完全滤除325 MHz以外的杂波信号，而实验室送给FCT的信号是325MHz的正弦波，信号成分比较单一，所以相比实验室的相位的分辨率，在线测量的结果比较差，但是已经满足设计的要求。
4 束流相位及能量测量基于FCT的束流能量测量系统安装于ADS系统，对束流的相位和能量进行测量，测量前扣除系统本身的偏差对测量的影响，数据采集系统在每次测量中测1 000个点进行计算，得到FCT1相位与参考相位的相位差，如图 11(a)所示。两段有数据的相位为测量到束流信号的相位a1、a2，两段平均值为46.42；得到FCT2相位与参考相位的相位差，如图 11(b)所示。三段有数据的相位为测量到束流信号的相位b1、b2、b3，三段平均值为191.06；测量两个FCT相位差值为191.06–46.42=144.64，飞行时间(144.64/360)×3.077=1.236 ns，总飞行时间为12个高频周期加1.236 ns为38.159 ns，两个FCT的距离L为0.943 m，束流能量计算结果为3.196 820 MeV。
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图 11 FCT1 (a)和FCT2 (b)相位与参考相位的相位差 Figure 11 The phase difference between the phase of the FCT1 (a), FCT2 (b) and the reference phase. |
根据ADS调束的需要，研制基于快速FCT信号的能量测量系统，测量系统设计前端模拟电子学实现对高频信号降频处理，通过数据采集和处理系统实现正交采样，获得质子束流的相位，进一步利用飞行时间法得到束流的能量。然后，搭建了测量系统测试平台，对该系统进行了相关测试，最终，在实验室得到了±0.8°的相位分辨率，在线使用得到了±2°的相位分辨率，测试结果表明该系统基本满足了加速器的设计要求，并且已经应用在ADS系统中，为了得到更好的结果，该系统设计需要进一步优化，大量的实验仍然需要继续进行。
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