1、中子散射具有非常廣闊的應用前景，被認為是21世紀物質結構和動力學研究的極為重要的手段。為滿足我國前沿重要領域的基礎研究和高新技術發(fā)展的需要，提升我國的創(chuàng)新研究工作的水平，迫切需要建設中國散裂中子源(CSNS，China Spallation Neutron Source)這一重大科技基礎設施。CSNS一期總體設計目標為：打靶質子束流功率100kW，脈沖重復頻率25Hz，每脈沖質子數(shù)1.56×103，質子動能1.6GeV。CSNS建成出束

2、時，將與英國，美國，日本的散裂中子源相并列，稱為世界上四大主要脈沖散裂中子源科學中心之一。 CSNS主要由離子源，強流質子直線加速器，快循環(huán)同步加速器(RCS，Rapid Cycling Synchrotron)，靶站，中子譜儀和科學實驗系統(tǒng)等部分組成。從離子源(IS，lon Source)產(chǎn)生的負氫離子束流，通過射頻四極加速器(RFQ，Radio-Frequency Quadruple)聚束和加速后，由漂移管直線加速器(DT

3、L，Drift Tube Linac)將能量進一步提高，經(jīng)剝離后注入到快循環(huán)同步加速器中，使束流達到1.6GeV的能量。從RCS引出的質子束流經(jīng)傳輸線打向鎢靶，靶上產(chǎn)生的散裂中子經(jīng)過慢化后供用戶開展實驗研究。 ADS(Accelerator Driven Sub-critical System)涉及到強流加速器研制的核心問題，對控制束流損失進行了深入的研究，相關技術及硬件設施可以方便的用于散裂中子源加速器部分的建設，從某種意義

4、上來說，ADS相關技術的研究可以看作CSNS的部分技術方案的預研。本DTL束流相位及能量測試系統(tǒng)首先用于ADS項目中，并在未來進一步用于CSNS的DTL中。 從直線加速器部分的DTL中通過FCT(Fast Current Transformer)取出束流感應信號，測試其相位及能量，用以實時監(jiān)控和進一步的反饋。FCT輸出的信號為重復頻率352.2MHz(ADS，CSNS中324MHz)，前沿200～300ps的經(jīng)調制的射頻脈沖，F(xiàn)

5、CT響應信號的動態(tài)范圍為5mV～900mV(peak-to-peak)，要求測量系統(tǒng)在該信號范圍內(nèi)經(jīng)過100米times LMR-400線纜傳輸能夠工作，并且在25mV～900mV(peak-to-peak)范圍內(nèi)達到相位分辨的要求。系統(tǒng)指標要求整個系統(tǒng)輸入信號動態(tài)范圍大于45dB，相位分辨小于±0.5°(33dB動態(tài)范圍內(nèi)，1ms的更新時間)。 本論文第一章回顧了加速器的發(fā)展歷史，分類，及最新進展，并由此引出對中國散裂中子源，

6、ADS系統(tǒng)及其與CSNS的聯(lián)系進行了介紹。第二章介紹了束流測試的主要內(nèi)容，著重討論了束流相位和能量測試的基本原理與方法。CSNS中使用的對DTL束流調諧方案是KEK采用的“相位掃描法”(phase-scan method)。束流能量測試的方法使用的是飛行時間法(TOF，Time of Flight)，即通過相位差值反算出飛行時間，進而求出粒子飛行速度。因此，本系統(tǒng)的核心測試內(nèi)容是相位測試。而就束流相位測試方法而言，主要分為正交解調和直接

7、中頻正交采樣兩種方法。正交解調又分為模擬正交解調和數(shù)字正交解調兩種方案。三種方法的原理技術，主要電路結構及相關的仿真結果都在此章進行了論述。 第三章介紹了目前國際上比較有名的束流相位測試系統(tǒng)，通過對它們的系統(tǒng)結構和技術原理的調研，對相關的核心技術進行了歸類和對比。BEPCII中直線加速器相控系統(tǒng)相位測試模塊采用的基本技術是模擬正交解調技術，在20dB的輸入信號的動態(tài)范圍內(nèi)，其相位分辨好于0.2度。LEDA束流相位測試系統(tǒng)則采用了

8、直接中頻正交采樣技術獲取束流的相位及能量信息，其相位分辨在輸入信號為10dBm至-30dBm的范圍內(nèi)小于0.1°，在-46dBm時則增大到了0.12°。SNS LLRF控制系統(tǒng)中的相位測試系統(tǒng)采用的是直接中頻欠采樣技術，核心模塊是Bergoz公司生產(chǎn)的AFE模塊。最后還介紹了Libera束流測試系統(tǒng)中的相關技術。在以上介紹的基礎上對比了三種技術方案的特點：模擬正交解調模擬電路復雜，且器件不平衡性易導致相位值的偏差，修正復雜；數(shù)字正交解調

9、技術對于ADC的帶寬，高頻輸入信號下的性能，時鐘系統(tǒng)等很高，且算法復雜；直接中頻正交解調技術由模擬下變頻電路和正交采樣兩大部分組成，模擬部分相對模擬正交解調部分簡潔，而且對ADC的性能要求較低，同時算法簡潔，因此便于系統(tǒng)的集成和用于高電磁干擾的環(huán)境中。此系統(tǒng)基于VME6U的構架，系統(tǒng)設計采用了直接中頻正交采樣的技術路線。 第四章首先介紹了系統(tǒng)的方案設計和相關的仿真結果。因為實際系統(tǒng)輸入的是調制RF信號，因此頻譜成分相當復雜，對此

10、問題的討論和仿真結果在此章進行了介紹，以確認傳統(tǒng)的直接中頻正交采樣技術是否仍舊適用。同時，關鍵的信號處理模塊-基頻抽取，自動增益放大，下邊頻，正交采樣及相關的數(shù)字信號處理算法都在本章進行了介紹。第五章基于第四章的論述，詳細介紹了各功能模塊的具體設計與實現(xiàn)。 為正確評估系統(tǒng)指標和性能，正確而高效的測試是必不可少的。第六章介紹了整個系統(tǒng)的測試指標，主要的測試手段與整個測試平臺的構建。主要測試內(nèi)容包括輸入信號大動態(tài)范圍內(nèi)的相位分辨測試