基于​LabVIEW​的​散​裂​中​子​源​发射​度​读​出​系统​的​开发

- 智​虹 徐, 中国​科​学院​高能​物理​研究所​东​莞​分部

"该​应用​使用​PXI​运动​控制​卡、​DAQ​卡、​串​口​同心​卡​及​LabVIEW​协助​完成​了​双​缝​发射​度​扫描​测量、​电子​学​输出​的​束​流​信号​的​读​取、​光​栅​尺​位置​信号​的​读​取、​电子​学​档​位​选择​的​控制、​偏​压​电源​的​控制、​水流​节点​的​监测。​高性能​PXI​系统​以及​丰富​的​LabVIEW​编​程​模​块​很好​的​实现​了​这些​功能。"

- 智​虹 徐, 中国​科​学院​高能​物理​研究所​东​莞​分部

The Challenge:

束​流​诊断​系统​是​加速器​的​眼睛,​它​对​束​流​和​加速器​的​各种​参数​包括​束​流​流​强、​位置、​剖面、​能量​能​谱​等​进行​测量。​双​缝​扫描​法​是​一种​直接​测量​发射​度​的​方法,​直接​测量​束​流​在​相​空间​的​密度​分布。​双​缝​扫描​法​需要​完成​双​缝​的​配合​运动、​双​缝​运动​位置​的​读​取、​束​流​信息​的​读​取、​偏​压​的​控制​(用于​抑制​二次​电子)、​水流​信号​的​监测​等;​中国​散​裂​中​子​源​调​束​阶段​的​束​流​信息​为​1Hz、​25us,​发射​度​双​缝​扫描​仪​只​工作​在此​状态,​因此​要求​双​缝​扫描​仪​必须​严格​的​1​秒​内​两​缝​配合​运动​一次、​读​取​一次​位置​信息​和​一次​束​流​信息​并存​文件,​位置​信息​和束​流​信息​要求​高​精度,​第一​缝​的​位置​信息、​第二​缝​相​对于​第一​缝​的​弧度​信息、​以及​束​流​信息​要求​以​动态​三维​图​显示。 利用​NI EPICS​工具​包​(DSC​模​块)​将​NI​数据​采集​卡、​运动​控制​卡、​RS485​串​口​卡​做成​EPICS IOC,​融入​到​CSNS​加速器​总体​控制​系统​中。

The Solution:

该​系统​由​发射​度​硬件​设备​单元、​电子​学​处理​设备​单元、​数据​采集​处理​单元、​软件​界面​显示​单元​组成。​基于​PXIe​平台​的​控制​与​读​取​系统,​利用​高​分辨​率​的​NI PXIe​数据​采集​卡​完成​信号​的​采集,​利用​PXI​步​进​电机​控制器​完成​双​缝​之间​的​配合​控制​和​PXI​串​口​卡​马达​位置​信息​的​读​取,​利用​LabVIEW​软件​开发​开​环​式​运动​控制​系统​及​数据​读​取​系统,​结合​NI​提供​的​在​线​分析​模​块​对​数据​进行​实​时​分析​处理,​形成​了​一套​完整​系统​的​方案。

Author(s):

芳 许 - 中国​科​学院​高能​物理​研究所​东​莞​分部
​智​虹 徐 - 中国​科​学院​高能​物理​研究所​东​莞​分部
​纪​磊 孙 -
​磊 曾 - 中国​科​学院​高能​物理​研究所​东​莞​分部

 

 

一、​引言

    中​子​不​带电,​具有​磁矩、​穿透​性​强,​能​分辨​轻​元素、​同位素​和​邻近​元素,​对​样品​非​破坏​性的​特点,​是​人类​探索​物质​微观​结构​的​有力​手段;​中​子​散射​在​磁性​凝聚​态​物理、​纳米​材料、​高​强度​高性能​塑料、​蛋白​质​和​生物、​高温​超​导​机​理、​同位素​识别、​工业​无​损​深度​探​伤、​污染​及​废料​处理​等​领域​有​广泛​应用。​中国​散​裂​中​子​源​作为​发展​中​国家​的​第一​台​散​裂​中​子​源,​是​开展​前沿​学科​及​高​新​技术​研究​的​先进​大型​实验​平台,​能够​为​我国​的​多​学科​创新​创造​良好​的​环境。

 

CSNS(China Spallation Neutron Source)​中国​散​裂​中​子​源​组成:​一台​80MeV​负​氢​直线​加速器、​一台​1.6GeV​快​循环​质子​同步​加速器、​两​条​束​流​输运​线、​一个​靶​站​和​3​台​谱​仪。

 

束​流​诊断​系统​是​加速器​的​眼睛,​它​对​束​流​和​加速器​的​各种​参数​包括​束​流​流​强、​位置、​剖面、​能量​能​谱​等​进行​测量。​而​束​流​发射​度​是​反映​束​流​品质​的​重要​物理​参数,​是​加速器​和束​流​输运​线​设计​的​重要​参数,​是​实现​束​流​匹配​传输、​提高​束​流​传输​效率​的​基础,​发射​度​的​增长​及​由​其​导致​的​束​流​损失​是​严重​影响​加速​其​运行​的​至​关​重要​的​因素,​因此​对​发射​度​进行​准确​测量​从而​改善​加速器​中​束​流​匹配​是​必不可少​的。

二、​发射​度​概念​及​双​缝​发射​度​扫描​仪​介绍

    发射​度​指​束​流​中​带电粒子​相​空间​分散​的​程度,​是​束​流​的​一个​关键​参数。​CSNS​工程​采用​双​缝​法​对​发射​度​进行​测量,​示意​图​如下:

 

 

 

 在​双​缝​法​发射​度​测量​系统​中,​第一​缝​是​位置​采样​缝,​第二​缝​是​角度​采样​缝,​其​作用​是​结合​位置​采样​缝​的​位置​确定​束​流​的​散​角,​其​物理​设计​的​主要​依据​是​被​测​束​流​的​散​角​大小​和​两​缝​间​距​的​大小。

    双​缝​发射​度​的​工作​原理​为,​位置​缝​动​一个​步​长,​角度​缝​相​对于​该​位置​缝​横扫​束​流​管道,​角度​缝​每​运动​一个​步​长,​通过​串​口​通信​读​一次​当前​两​缝​相​对于​束​流​管道​中心​的​位置​数,​并​读​一次​法拉​第​筒​感应​到​的​当前​的​束​流​信号,​将​三​个​数据​存放在​自动​创建​的​文件​里,​文件​的​存取​程序​使用​LabVIEW​编​程​实现,​命名​格式​为​所​选​位置​发射​度​+当前​日期​时间。

每套​发射​度​有​X、​Y​两​个​方向,​每​个​方向​具有​两​个​缝:​位置​采样​缝​和​角度​采样​缝。​本​论文​需要​实现​每​个​缝​的​运动​控制​及​位置​信息​的​读​取,​X、​Y​两​个​方向​束​流​信号​的​读​取​以及​偏​压​的​控制、​对​电子​学​档​位​选择​的​控制、​对​水流​节点​的​监测、​数据​的​存取、​以及​数据​的​处理​等。

  1. 、​应用​方案​分析​及​介绍

    图​5​很好​的​反应​了​发射​度​从​探​头​到​电子​学​再到​读​数​控制​系统​的​实际​结构,​实物​连接​图​见​图​6。

 

 

其中​EM​电子​学​模​块​为​自行​研发​的​模​块,​用​来​对​束​流​信号​进行​滤波​放大​等​处理。​其​本身​需要​DAQ​卡​通过​DIO​和​DAO​的​量程​选择​以及​自​检​功能​的​控制。

电子​学​输出​信号​种类​范围:

      脉冲​信号    读​取​范围    ±10V

    因此,​对​读​取​设备​的​要求:

      ADC 采样​率​要求:​1MHz,​精度​要求:​16​位    ±10V

      DIO​要求:​5V TTL

      DAC:​0-10V

 

 

  CSNS 前端​设计​两​套​双​缝​扫描​法​发射​度​测试​仪,​分别​分布​在​低能​传输​段​LEBT(Low Energy Beam Transform)、​中​能​传输​段​MEBT(Median Energy Beam Transform),​即​本​应用​需要​完成​一下​功能:

控制​4​个​步​进​电机;

4​个​光​栅​尺​位置​信息,​需​提供​2​路​RS485​串​口,​用于​和​读​取​光​栅​尺​反馈​信号​的​数​显​表​进行​通信;

至少​提供​2​路​模拟​量​输入​通道,​各​通道​间​ADC​独立,​同步​采集,​采样​率​1MS/​s/​ch,​16bits;

至少​提供​2​路​模拟​量​输出​通道,​+/-10V,​用于​偏​压​控制;

至少​提供​8​路​数字​量​输入​输出​通道,​电​平​为​5V TTL,​其中​4​路​用于​限​位​开关,​2​路​用于​水流​开关​节点,​6​路​量程​选择​控制​信号,​2​路​偏​压​TTL​极性​控制。  

实现​这些​功能​的​方案​为:

 4​轴​步​进​马达​运动​控制​卡​PXI-7334​一个,

 DAQ PXIe-6356​一个,

 PXI-8431/8​串​口​卡​一个

机​箱​控制器​选​配:

     高性能​嵌入式​控制器​PXIe-8115,​包括​Intel Core i5-2510E​双​核​处理​器,​2GB​内存,​250GB​硬盘

     18​槽​PXIe​机​箱​PXIe-1065

 

 

四、​软件​实现

软件​部分​使用​LabVIEW​开发​者​套​件​2013​中文​版​实现,​该​套​件​包含​了​项目​所需​的​2013​版​LabVIEW​以及​DSC​模​块,​通过​DSC​模​块​可以​创建​EPICS Server​和​EPICS Client。​EPICS​即​实验​物理​及​工业​控制​系统​(Experimental Physics and Industrial Control System),​是​上世纪​90​年代​初​由​美国​洛​斯​阿拉​莫​斯​国家​实验​室​和​阿​贡​实验​室​等​联合​开发​的​大型​控制​软件​系统,​目前​在​加速器​界​得到​广​发​应用。​CSNS​控制​系统​也​采用​EPICS​平台。​DSC​模​块​提供​的​EPICS​接口​完美​的​实现​了​LabVIEW​和​EPICS​之间​的​通信,​基于​分布​式​的​EPICS​主要​包括​两​部分:​输入​输出​控制器​IOC(Input/​Output Controller)​层​和​操作​员​接口​层​OPI(Operator Interface)​层。​为​实现​加速器​的​总体​控制,​将​各个​探测​系统​利用​EPICS​形成​一个​IOC,​从而​完成​束​流​诊断​的​总体​控制,​而​DSC​模​块​的​EPICS Server​可​实现​这​一​功能,​我们​用​LabVIEW​编​程​将​NI PXIe-6358​采集​到​的​束​流​信息​通过​DSC​模​块​打包​成​EPICS PV​量​发​给​控制​层,​共​加速器​物理​进行​分析​使用。

 

4.1 发射​度​测量​软件​的​架构

在​发射​度​测量​中​我们​采用​生产​者​消费​者​模式​和​握手​通信​的​形式​实现​对​双​缝​扫描​的​配合​控制、​马达​运动​位置​的​读​取​以及​对​束​流​信号​的​采集,​主要​程序​框​图​如​图​10​所​示:

 

 

在​创建​工程​中,​我们​通过​DSC​模​块​创建​发射​度​的​EM_EPICS Server,​使​其​通过​PV​量​可以​远程​控制​并​访问​程序。​在​程序​框​图​中,​利用​事件​结构​来​选择​待​测​发射​度,​并​控制​程序​一步​一步​运行,​即​马达​运动​到​位,​串​口​进行​位置​信息​读​取,​继而​DAQ​卡​收到​触发​开始​工作​一次,​DAQ​卡​PXIe6358​使用​有限​的​采样​工作​结束​后,​告诉​马达​运动​到​下​一个​位置,​马达​和​DAQ​之间​通过​握手​的​方式​来​保证​来​一个​外​触发,​马达​运动​一个​步​长​且​DAQ​采样​一次。​其中​外​触发​统一​由​定​时​系统​给​出,​频率​为​1Hz。​使用​NI-​PXI 7334​完成​马达​运动,​用​NI-​PXIe 6358​来​完成​水流​节点​的​读​取、​电子​学​档​位​的​控制、​偏​压​电源​的​控制,​使用​RS485​串​口​卡​完成​位置​信息​的​长​距离​传输。​目前​采用​两​种​模式​进行​发射​度​的​双​缝​扫描,​一种​是​设置​最大​最小​角度,​另​一种​是在​知道​发射​度​在​相​空间​的​大概​形状​后,​采用​平行​四边​形​法​进行​更​有效​更​精确​的​扫描,​参数​设置​如​图​11​所​示:

 

 

4.2 程序​的​应用

中国​散​裂​中​子​源​项目​CSNS​前端​于​2015​年​5​月​安装​测试​完毕,​开始​进入​调​试​状态,​在​调​试​过程​中,​已​安装​的​两​套​发射​度​(LEBT、​MEBT​上​各​一套)​投入​使用,​发射​度​是​衡量​离子​源​性能​优​劣​的​一个​重要​指标,​因此​测量​系统​的​硬件​和​软件​可靠性、​稳定​性​及​可行性​要求​非常​高,​PXI​不但​具有​可靠性、​稳定​性​和​测量​精度​高等​优点,​还​具有​传输​速度​快、​结构​坚固​紧凑​等​特点;​LabVIEW​图像​化​开发​平台​强大​的​数据​采集​和​信号​处理​功能​能够​极大​的、​轻松​的​满足​程序​开发​以及​数据​处理​的​需求。​在​整个​调​试​过程​中,​我们​分别​对​两​套​发射​度​共​四​个​方向​进行​了​测试,​现​以​MEBT EMY​为​例子​进行​分析。​首先​对​测试​范围​进行​设置:​Slit1​的​最大值​最小值​分别​设置​为-3mm​和​3mm,​步​长​设置​为​0.3mm;​Slit2​的​弧度​信息​最大值​最小值​分别​设置​为-0.01mrad​和​0.01mrad,​运动​步​数​设置​为​60,​在​线​运行​后​测试​界面​如​图​13​所​示:

 

 

五、​小结

该​应用​使用​PXI​运动​控制​卡、​DAQ​卡、​串​口​同心​卡​及​LabVIEW​协助​完成​了​双​缝​发射​度​扫描​测量、​电子​学​输出​的​束​流​信号​的​读​取、​光​栅​尺​位置​信号​的​读​取、​电子​学​档​位​选择​的​控制、​偏​压​电源​的​控制、​水流​节点​的​监测。​高性能​PXI​系统​以及​丰富​的​LabVIEW​编​程​模​块​很好​的​实现​了​这些​功能,​在​H-​离子​加速器​前端​信号​强度​弱、​易​受​外界​电磁​干扰​的​情况​下,​完美​的​展示​了​PXI​设备​的​优异​性能,​为​加速器​物理​人员​的​后期​分析​处理​提供​了​精确​丰富​的​数据​信息,​得到​了​很大​的​肯定!

参考文献

[1] 《中国​散​裂​中​子​源​项目​建议​书》 ,​中国​科​学院​(2007).

[2]  孙​纪​磊,​博士​论文​《强​流​低能​质子​束​发射​度​测量​系统​研制》. 中国​科​学院​高能​物理​研究所,​2011

 

Author Information:

芳 许
​中国​科​学院​高能​物理​研究所​东​莞​分部
​China

图1 ​ 、​中​子​的​广泛​应用 ​
图​2、 ​ ​CSNS​系统​构成​示意​图 ​
图​3、 ​ ​发射​度​双​缝​扫描​法​示意​图 ​
图​3、 ​ ​发射​度​双​缝​扫描​法​示意​图 ​
图​5、 ​ ​控制​架构 ​
图​6、 ​ ​发射​度​控制​读​出​系统​结构​图 ​
图​6、 ​ ​机​箱​配置 ​
图​7、 ​ ​EM​电子​学​机​箱 ​
图​8、 ​ ​偏​压​电源​机​箱 ​
图​9、 ​ ​离子​源​厅​发射​度​控制​读​出​设备​现场 ​
图​10(a)、 ​ ​带有​EPICS Server​的​项目​创建 ​
图​10(b) ​ ​部分​程序​框​图 ​
图​11、 ​ ​参数​设置 ​
图​12、 ​ ​前​面板 ​
图​13(a)、 ​ ​MEBT EMY​发射​度​三维​图 ​
图​13(b)、 ​ ​MEBT EMY​测试​结果 ​
​ ​图​14、​α、​β、​εrms​随​束​流​流​强​平均值​百分比​变化​图 ​