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上海光源(SSRF)注入引出系统采用脉冲磁铁作为电子束的注入和引出动态偏转磁铁,共有15块脉冲磁铁,主要分为冲击磁铁、切割磁铁和凸轨磁铁三类。脉冲磁铁的磁场误差将直接扰动注入束流和储存束流,从而影响注入效率。随着加速器性能的不断提高,尤其是top-up注入模式的采用,对磁场的场强、波形精度、重复性等提出了越来越高的要求。脉冲磁场测量关系到脉冲磁铁设计、制作、标定和调试,是脉冲磁铁研制的重要组成部分。
论文首先对脉冲磁铁磁场测量理论和技术进行了系统的论述,然后根据国内外光源脉冲磁铁磁场测量技术发展现状,针对SSRF注入引出系统对脉冲磁铁磁场测量技术的需求,完成了高精度、高速、灵活、快速和自动化的磁测系统的研制,并对系统进行了性能提升和功能扩展,使其具有了高精度快脉冲数据采集和测量的特点。
本论文设计研制一套应用于脉冲磁铁的磁场测量系统。其中主要包括:测量系统的整体设计、磁测线圈的设计、高精度模拟有源积分器的研制、磁测平台与运动控制系统研制、基于数字存储示波器的数据采集与分析系统设计、基于LabVIEW的运动控制和数据采集与处理软件的编写等。在完成脉冲磁场测量系统的组装和调试后,我们对SSRF脉冲磁铁进行了系统的测试,磁测结果证明测量的重复性和分辨率可以满足设计要求,测量系统可以做到稳定、快速、自动化和灵活的测量脉冲磁场。
由于示波器采集量化的垂直分辨率只有8bits,只能检测到3.9‰的信号改变,其测量精度不能很好的满足SSRF的要求(误差要求小于l‰),测量初期采用示波器切割放大的数据处理方法提高测量精度,但其应用具有局限性。因此,本论文设计开发了一套基于FPGA的嵌入式高精度快脉冲数据采集器。采用先进的SOPC(可编程片上系统)解决方案,以FPGA内部32位Nios II软核CPU系统为核心,结合逻辑资源与外部A/D转换器实现快脉冲波形的数据获取和处理。本系统具有高精度、高速、快脉冲数据采集的广泛扩展性,在此基础上完成了脉冲磁铁电源电流的测量,测试结果验证了快脉冲数据采集器的研制达到了预期的效果。