基于PXI与LabVIEW的束流诊断系统

电子

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。

图 1 、中子的广泛应用

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：

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

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。

图5、控制架构

图6、发射度控制读出系统结构图

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

图6、机箱配置

图7、 EM电子学机箱

图8、偏压电源机箱

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

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

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：

图11、参数设置

图12、前面板

图13（a）、 MEBT EMY发射度三维图

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：

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

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

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