（核技术及应用专业论文）ssrf数字化电源监控与测试的实验研究.pdf

摘要 上海光源( s s r f ) 磁铁电源系统由各类先进的高精度电源组成，是s s r f 的 重要组成部分。由于磁铁电源属于功率电子学设备，其长期可靠运行是上海光 源实现高性能的关键之一。s s r f 有各种规格的中小电源约6 5 0 台，主要电源的 稳定度要求达到2 1 0 一，其它电源的稳定度都在l x l o q 以上。电流传感器( d c c t ) 是电源反馈回路采样和电源测试的一个重要部件之一，对整个电源系统产生关 键性的影响。为了满足s s r f 电源的高性能要求和适应加速器电源数字化的趋势， s s r f 电源采用了国际上最先进的通过数字p w m 信号直接调节开关电源的数字化 电源控制器。国际上这种数字化电源控制器技术已经在s l s 、d i ：o n d 等加速器 装置上得到成功运用。而国内起步较晚，目前国产数字化电源样机己研制成功， 正在进行全面测试。 电源系统数字化实现采用了两种方案：1 ) 购买国外数字化电源控制器2 ) 自行研制数字化电源控制器。因此，研制一套可靠的、高性能的数字化电源与 d c c t 测试系统以及开发数字电源的监控软件具有重要的现实意义。 本论文研究的主要工作和取得成果如下： 1 ) 讨论了s s r f 数字化电源的基本结构和电源控制器的通讯协议，采用开 发效率高的流行的l a b v i e w 开发虚拟仪器的一种技术来随时跟进数字电源控制 器的研制，进行对控制器的调试与监控。最后，通过串口通讯( r s 一2 3 2 ) 完成 了该数字化电源的监控软件的开发，实现了友好、清晰的人机界面，能够方便 的监控数字化电源和修改它的控制参数，满足s s r f 数字化电源研制的要求、运 行可靠。 2 ) 建立了一套可靠、有效的数字化电源d c c t 稳定性与线性度性能测试平 台，包括测试方案的确定、硬件的选型与设计以及软件设计，实现了仪器控制 和数据采集与记录。 3 ) 建立了一套可靠的、高效能的数字化电源测控系统，包括了s s r f 数字 化电源稳定性测试方案的确定、硬件的选型、设计与串口r s - 2 3 2 及以太网通信 的数字化电源测试程序设计，实现了切换控制多达1 6 台数字化电源及分类同时 对多达1 6 台数字化电源的电流稳定性长时间数据采集和记录。 4 ) 针对现有测试系统与远程监控硬件的资源，实现了数字化电源两种巡检 模式：远程巡检与本地巡检。 5 ) 本文通过对数字化电源与d c c t 测试系统的实验工作，实验结果表明测 试系统的i v 转换箱d c c t 供电电压以及热电阻p t l 0 0 和j 型热电偶传感器对环 境温度的探测满足测试要求；测试系统能有效、可靠的测试数字化电源与d c c t ， 一些实验方法、现象以及数据处理为以后更好的利用数字化电源与d c c t 测试平 台与测试提供参考。 关键词：上海光源、数字化电源、d c c t 、测试、监控、虚拟仪器、l a b v i e w 、线 性度、稳定性 n1 o o e x p e r l m e n t a 上s t u d i e so nm o n i t o r i n g ，c o n t r o l i l n g ，a n d t e s ti n gd ig it a lp o w e rs u p p l y ( p s ) o fs s r f j u n l o n gt a n g ( n u c l e a rt e c h n o l o g ya n da p p li c a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f d e m i n gl i a b s t r a c t m a g n e tp o w e rs u p p l y ( p s ) s y s t e mo fs h a n g h a is y n c h r o t r o nr a d i a t i o n f a c i l i t y ( s s r f ) p o w e r sv a r i o u sm a g n e t s a n dc o i l s r e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t yo ft h ep ss y s t e ma r et h ek e y st oa c h i e v eh i g hp e r f o r m a n c eo f s s r f t h e r ea r eh u n d r e d so fdir e c tc u r r e n t ( d c ) p o w e rs u p p lie sint h e s s r fd e s i g n e x c e ll e n tp e r f o r m a n c eo ft h ep ss y s t e mr e q u i r e s h i g h a c c u r a c y t h es t a b i l i t yo ft h ec u r r e n tf o rt h em a i np o w e rs u p p l ys h o u l d b el e s st h a n2 x l o 一。a n do t h e r sl e s st h a ni x l 0 t h ep r e c i s ed cc u r r e n t t r a n s f o r m e r ( d c c t ) isac r u c ia lc o m p o n e n tint h ec u r r e n tf e e d b a c kc o n t r o l l o o pa n d f o r t h e t e s to ft h ep ss y s t e m i ts e r i o u s l ya f f e c t st h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t os a t is f yt h er e q u i r e m e n t so ft h ee x t r e m e l y p r e c i s ep o w e rs u p p l i e so fs s r f ，a n dt of o l l o wt h et r e n d so fu s i n gd i g i t a l t e c h n o l o g yt oc o n t r o la n dr e g u l a t et h ea c c e l e r a t o rp s ，s s r fh a sa d o p t e d t h en e w e s ti n t e r n a t i o n a ld i g i t a lp sc o n t r o l l e tt e c h n o l o g y ：a d j u s t i n gt h e s w i t c hp o w e rs u p p l yb ys i g n a lf r o mp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) t h i s t e c h n o l o g yh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di ns l sa n dd i a m o n dl i g h ts o u r c e t od i g i t i z et h ep ss y s t e mo fs s r f ，t w oa p p r o a c h e sa r ea v a il a b l e ：1 ) p u r c h a s i n gt h ed i g i t a lp sc o n t r o l l e rc a r d sf r o ma b r o a d ，2 ) d e v e l o p i n g t h ed i g i t a lp sc o n t r o l l e ri n d e p e n d e n t l y t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n ta n d p r a c t i c a l l ys i g n i f i c a n tt ob u i l das e to f r e l i a b l es y s t e mw i t hh i g h p e r f o r m a n c ef o rd i g i t a lp sa n dd c c tt e s t i n ga n dm o n i t o r i n g ，a n dt od e v e l o p s o f t w a r ef o rd i g i t a lp sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t so ft h ep r e s e n ts t u d ya r es h o w na s f o l l o w s ： 1 ) t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ed i g i t a lp s o fs s r fa n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l so ft h ep sc o n t r o l l e ra r ed i s c u s s e d at e c h n o l o g yo fv i r t u a l i n s t r u m e n t ，w h i c hi sd e v e l o p e db yu s i n gt h ep r e v a l e n th i g h e f f i c i e n c y s o f t w a r el a b v l e w ，i su s e dt ot i m e l yf o l l o wu pt h ed e v e l o p m e n to ft h e d i g i t a l p sc o n t r o l l e ta n dt o d e b u g a n dm o n i t o rt h ec o n t r o l l e r f u r t h e r m o r e ，c o n t r o l l i n ga n dm o n i t o r i n gt h ed i g i t a lp sc a nb ee x e c u t e d b vt h es o f t w a r ev i as e r i a lc o m m u n i c a t i o n i tp r o v i d e saf r i e n d l y h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) ，a n dc a nm o n i t o rt h ed i g i t a lp sa n dm o d i f y i t sp a r a m e t e r s c o n v e n i e n t l y i ts a t is f i e st h er e q u i r e m e n t so ft h e d e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lp so fs s r f 2 ) as e to fr e li a b l ea n de f f e c t iv e t e s t i n gp l a t f o r mh a sb e e n e s t a b l i s h e dt oe v a l u a t et h es t a b i l i t ya n dl i n e a r i t yo ft h ed c c tf o rt h e d i g i t a lp s i ti n c l u d e st e s ts c h e m es e l e c t i o n ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ， a n ds o f t w a r ed e sig n t h es y s t e mc a np e r f o r mi n s t r u m e n tc o n t r o l ，d a t a a c q u i s i t i o n ，a n dd a t ar e c o r d i n g 3 ) as e to ft e l i a b l ea n dh i g he f f i c i e n c yt e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m i se s t a b l i s h e df o rt h ed i g i t a lp s i ti n c l u d e sd e c i s i o n - m a k i n go ft h e s t a b i l i t yt e s ts c h e m ef o rt h ed i g i t a lp s ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，a n d s o f t w a r ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o nv i ar s - 2 3 2a n de t h e r n e ti n t e r f a c ef o r t e s t i n gt h ed i g i t a lp s t h es y s t e mc a na l t e r n a t e l yc o n t r o lu pt o1 6 d i g i t i z e dp o w e rs u p p l i e s ，a n ds i m u l t a n e o u s l yf u l f i i i ，u pt o1 6p s ， l o n g t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dr e c o r d i n gt h es t a b i l i t yo ft h ec u r r e n t 4 ) b a s e do nt h ea v a i l a b l ed i g i t a lp st e s t i n gs y s t e ma n dl o n g d i s t a n c e m o n i t o r i n gh a r d w a r er e s o u r c e s ，t w om o d e l sa r eu s e dt oc y c l i c a l l ym o n i t o r t h ed i g i t a lp s ：l o n g d i s t a n c ec y c l i c a lm o n i t o r i n ga n dl o c a lc y c l i c a l m o n i t o r i n g 5 ) e x p e r i m e n t a lw o r ko nt h ed i g i t a lp sa n dd c c tt e s t i n gs y s t e mh a s b e e nc a r r i e do u ti nt h i ss t u d y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t t h es u p p l i e dv o l t a g eo ft h ed c c tf o ri vt r a n s f o r m a t i o nb o xs a t i s f i e s t h et e s tr e q u i r e m e n t s ，a sw e l la st h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ed e t e c t i o n b yt h et h e r m a lr e s is t a n c ep ti 0 0a n dj t y p et h e r m o c o u p l es e n s o r t h et e s t s y s t e mc a ne f f e c t i v e l ya n dr e l i a b l ye x a m i n et h ed i g i t a lp sa n dt h ed c c t s o m e e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e s ，e x p e r i m e n t a lp h e n o m e n a ， a n dd a t a p r o c e s s i n gm e t h o d sw ii ip r o v i d eag o o dr e f e r e n c ef o rf u r t h e ru s a g eo f t h ed i g i t a lp sa n dd c c tt e s t i n gp l a t f o r ma n df u r t h e rt e s tw o r ki nt h e f l l t l i r e k e yw o r d ：s s r f ，d i g i t a lp o w e rs u p p l y ，d c c t ，t e s t i n ga n dm o n i t o r i n g ， v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v l e w ，l i n e a r i t y ，s t a b i l i t y 目录 表格目录 表卜1 储存环主磁铁电源指标及数量9 表卜2 储存环校正和补偿磁铁电源指标及数量9 表1 - 3 增强器主磁铁动态电源指标及数量1 0 表1 - 4 增强器校正与补偿和输运线磁铁电源指标及数量1 0 表1 - 5 直线加速器校正与补偿磁铁电源指标及数量1 0 表3 - 1 关键词与助记符比较4 6 表3 - 2 仪器i e e e 4 8 8 2 命令简表4 8 表3 - 3 仪器s c p i 主干命令简表4 9 表4 - 1j 型热电偶系数表6 0 表5 - id c c t1 0 0 3 6 5 3 7 供电电压+ 1 5 v 不变，一1 5v 变化的数据7 8 表5 - 2d c c t1 0 0 3 6 5 3 7 供电电压一1 5 v 不变，+ 1 5 v 变化的数据7 9 表5 - 3d c c t 供电电压变化与输出的影响7 9 表5 - 4i v 转换箱d c c t 供电电压的采样数据8 0 表5 - 5 温度传感器温度变化数据8 l 表5 - 6 实验一待测d c c t 与标准d c c t 时间稳定性数据8 5 表5 7 实验二待测d c c t 与标准d c c t 时间稳定性数据8 8 表5 - 8 实验二待测d c c t 与温度关系8 9 表5 9 标准d c c t 步长数据的平均值与输出电流9 0 表5 1 0 待测d c c t 的线性度9 0 表5 - 1 l 用于样机电源测试的电源测试系统d c c t 时间稳定性数据9 1 表5 1 2p s i 卡数字化电源样机分析数据9 1 表5 一1 3 自制卡数字化电源样机分析数据9 2 目录 插图目录 图卜1e l e t t r a 储存环主电源电流标定的结构5 图1 - 2s r r c 电源测试与d c c t 标定的结构5 图1 - 3 普通电源电流电压环调节基本结构。6 图1 - 4 典型的模拟与数字化电源系统结构6 图1 - 5 国外数字化电源控制器7 图1 - 6 全数字化p s i 控制器的a d c 分辨率8 图1 - 7 全数字化p s i 控制器的a d c 长期稳定性与线性度8 图卜8 全数字化p s i 控制器的a d c 温度敏感性( 1 0 5 0 ) 8 图1 - 9 数字化电源控制器原理结构图1 1 图2 - 1s s r f 数字化电源系统基本结构1 7 图2 - 2 通信协议的指令格式。1 8 图2 - 3 通信协议的返回格式1 9 图2 - 4 程序通信控制流程图19 图2 - 5 程序通信控制主界面一2 0 图2 6 后台区参数前面板一2 1 图2 7d s p 参数下载信息提示2 2 图2 - 8h e l p 前面板2 2 图2 9 数字化电源状态前面板2 3 图2 - 1 0 数字化电源调试前面板2 4 图2 - 1 1 数字化电源控制软件程序组织结构2 4 图2 - 1 2 数字化电源控制软件主程序框图2 5 图2 一1 3 写指令+ 校验子v i 框图2 6 图2 1 4 返回+ 校验子v i 框图2 6 图2 - 1 5“参数文件读取按钮事件响应2 8 图2 1 6 数字化电源控制程序的主菜单操作结构2 9 图2 - 1 7 数字化电源控制程序的主菜单编辑2 9 图2 - 1 8 数字化电源控制程事的主菜单2 9 目录 图3 一ld c c t 稳定度与线性度测试原理3 3 图3 - 2d c c t 标定原理3 4 图3 - 3p x i 总线系统方案结构3 4 图3 - 4p c i + g p i b 总线系统方案结构3 5 图3 - 5d c c t 检测与标定系统框图3 6 图3 6k e i t h l e y 一2 0 0 1 原理方框图3 7 图3 - 72 0 0 1 一s c a n 电压测试接线3 7 图3 - 8n ip c i g p i b 数据传输层次结构3 8 图3 - 9g p i b 上检测到的k e i t h l e y2 0 0 1 仪器3 9 图3 一l on i 一4 8 8 2c o m m u n i c a t o r 窗口3 9 图3 一1 18 6 7 4 0 0 i ( 2 0 0 i ) d b 9 ( m a l e ) 接线与p i n 脚定义4 0 图3 - 1 28 6 7 2 0 0 i 输出最大电流与采样负载最大电阻的对应关系4 1 图3 - 1 38 6 7 4 0 0 i 输出最大电流与采样负载最大电阻的对应关系4 2 图3 - 1 48 6 6 6 0 0d b 9 ( m a l e ) 接线与p i n 定义4 2 图3 - 1 58 6 6 6 0 0 输入电流与输出电流采样最大负载电阻及电压的对应关系4 2 图3 - 1 6i v 转换箱原理结构4 3 图3 - 1 77 8 1 5 与7 9 1 5 输入输出的接线线路4 3 图3 1 8d c c t 支架组合4 4 图3 1 9s c p i 程控仪器模型4 5 图3 - 2 0 程控命令题头4 6 图3 - 2 12 0 0 1 仪器测试的触发程序流程5 0 图3 2 2 数字化电源d c c t 稳定性测试用户操作界面51 图3 - 2 32 0 0 1 仪器复位空闲程序框图5 2 图3 - 2 42 0 0 1 仪器测量配置程序框图5 2 图3 - 2 52 0 0 1 仪器通道扫描功能配置程序框图5 3 图3 2 62 0 0 1 仪器扫描读数程序框图5 3 图3 2 7 数字化电源d c c t 线性度测试用户界面5 4 图3 - 2 8 线性度测试m p s 8 5 8 电源控制子程序框图5 5 图4 - i 数字化电源稳定度测试原理5 7 目录 图4 - 2 数字化电源测试系统方案结构5 8 图4 - 3 数字化电源测试系统框图5 9 图4 - 4d c v 测量端口连接方式图4 5 热电偶温度测量端口连接方式6 0 图4 - 6 工控机与2 7 0 1 连接方式6 l 图4 - 72 7 0 1 网线连接方式6 2 图4 - 8 工控机与2 7 0 1 以太网接口连接网页访问6 2 图4 - 9 串口服务器n p o r t5 6 10 16 6 3 图4 - 1 0 串口服务器n p o r t5 6 1 0 - 1 6 程序驱动工具6 3 图4 - 1l 工控机c o m 端口与参数设置6 4 图4 - 1 2 工控机网页控制n p o r t5 6 1 0 6 4 图4 - 1 3r s 一2 3 2r j4 5p i n 脚图4 - 1 4r s - 2 3 2l o o p b a c kc o n n e c t o r 6 5 图4 - 1 5s p o r t 5 6 1 0 1 6 与p s i 数字化电源控制卡通信接线6 5 图4 - 1 6n p o r t 5 6 1 0 1 6 与自制数字化电源控制卡通信接线6 5 图4 - 1 7 工控机通过n p o r t 5 6 1 0 1 6 控制p s i 卡数字化电源6 6 图4 - 1 82 7 0 1 仪器的测试程序流程6 7 图4 - 1 9r s - 2 3 2 通讯的数字化电源测试系统用户界面6 8 图4 - 2 0 数字化电源测试2 7 0 1 仪器的初始化程序框图6 9 图4 - 2 12 7 0 1 仪器测量功能单位设定程序框图6 9 图4 - 2 22 7 0 1 仪器测量功能参数设定程序框图6 9 图4 - 2 32 7 0 1 仪器测量通道扫描程序框图7 0 图4 - 2 4 通道温度测量参数配置程序框图一7 0 图4 - 2 5 测量数据格式程序框图7 1 图4 2 6 以太网通讯的数字化电源测试系统用户界面。7 2 图4 2 7 以太网通讯的校验2 7 0 1 仪器版本前面板7 3 图4 2 8 以太网通讯的校验2 7 0 1 仪器版本程序框图7 3 图4 - 2 9 数字化电源巡检用户界面7 4 图4 - 3 0 数字化电源巡检详细按钮子用户界面7 4 图4 - 3 1 数字化电源远程巡检模式的结构7 5 图4 - 3 2 数字化电源本地巡检模式的结构7 6 目录 图5 - 1d c c t 供电电压实验结构原理7 7 图5 - 2 可控恒温恒湿箱温度变化8 1 图5 3p t l 0 0 热电阻温度变化图5 - 4j 型热电偶温度变化8 2 图5 - 52 7 0 1 采集j 型热电偶与p t l 0 0 热电阻同时对环境温度探测的数据8 2 图5 6 实验一1 0 0 4 1 7 0 8 与标准d c c t 数据分布8 4 图5 7 实验一1 0 0 4 1 7 0 8 与温度数据分布8 4 图5 8 实验一1 0 0 3 6 5 3 7 与标准d c c t 数据分布8 5 图5 9 实验一1 0 0 3 6 5 3 7 与温度数据分布8 5 图5 1 0 实验二1 0 0 4 1 7 0 8 与标准d c c t 数据分布8 6 图5 1 l 实验二1 0 0 4 1 7 0 8 与温度数据分布8 6 图5 - 1 2 实验二1 0 0 3 6 5 3 7 与标准d c c t 数据分布8 7 图5 - 1 3 实验二1 0 0 3 6 5 3 7 与温度数据分布8 7 图5 - 1 4 实验二标准传感器与温度数据分布8 7 图5 - 1 5 实验二标准传感器与温度线性回归一8 9 图5 - 1 6 标准传感器线性度数据9 0 中科院上海应用物理研究所论文独创性声明和使用授权说明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本论文不舍任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式说明并表示 了感谢。本声明的法律结果由本人承担。 声明人：露1 复丞 日期：歹年伫月牛日 学位论文使用授权说明 本人完全了解中科院上海应用物理研究所关于收集、保存、使 用学位论文的规定，即： 1 、按照所的要求向研究生部提交学位论文的印刷本，向信息中心 提交学位论文电子版； 2 、所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅 览服务； 3 、所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 4 、学校可以公布论丈的全部或部分内容； 5 、学校有权按规定向有关论文保存单位提交论丈，并同意他们向 社会公布 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：蓖4 会砖 硼年1 2 月f 中目 导师签名： 莎 侧 6 年j 蝴垆日 第一章引言 第一章引言 1 1 同步辐射装置国内外发展现状和趋势 1 9 4 7 年，p o l l a c k 领导的科研小组在美国纽约 ) + l s c h e n e c t a d y 市的通用电器 公司实验室里的一台7 0 m e v 能量电子同步加速器上，首次在可见光的范围内观察 到了强烈的蓝白色光辐射，这种辐射称为“同步辐射”。是相对论性带电粒子 在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时发出的电磁辐射。它作为2 0 世纪的一种新 型光源，与常规光源相比，具有许多对科学研究弥足珍贵的独特而优异的性能口1 ： 波长范围宽且连续可调，高强度，高耀度，高准直，高纯净，高稳定性等，为 许多前沿学科领域的研究提供了一种最先进又不可替代的工具。 到目前为止，随着应用研究工作的不断深入，同步辐射的应用范围不断拓 展，对同步辐射装置的要求也不断提高。同步辐射光源的发展已经历了三代。 第一代同步辐射光源起源于5 0 年代初期，是利用一些为高能物理实验的正负电 子对撞机所产生的同步辐射光兼作其它学科的研究。第一代同步辐射光源中的 柬团发射度较大，约为几百n m r a d ，相应的光谱的耀度较低，在( 1 0 ”1 0 1 4 ) p h o t o n s ( s m m 2 m r a d 2 1 0 - 3 b w ) 左右。第二代同步辐射光源装置专为同步辐 射应用而设计，于7 0 年代中期开始建造。c h a s m a n g r e e n ( d b a ) 聚焦结构在第 二代光源中的出现，比之第一代光源，束团发射度降低到( 5 0 、1 5 0 ) n m r a d ， 相应的光谱耀度也提高了两个数量级，即( 1 0 1 5 1 0 1 6 ) p h o t o n s ( s m m 2 m r a d 2 1 0 3 b w ) ，而且建有更多的光束线和辐射实验站。从8 0 年代末 到9 0 年代初，世界各国竞相建造第三代同步辐射光源。第三代同步辐射光源的 束团的发射度可压缩到( 5 1 5 ) n m r a d ，最新的n s l s - i i 光源设计中，束团的 发射度已接近ln m r a d 。更重要的是在该类机器上可安装大量的插入件，即波 荡器和扭摆器。这不但可以灵活地选择不同能量和偏振态的同步辐射光，使得 同步辐射光子的偏振性和准相干性获得更充分和广泛的应用，而且大大提高了 光谱的耀度2 、4 个数量级，即可达到和超过( 1 0 1 。7 1 0 2 0 ) p h o t o n s ( s m m 2 m r a d 2 1 0 - 3 b w ) 。高耀度的第三代同步辐射光源使得同步辐射应用从 过去静态的、在较大范围内平均的手段，扩展为动态的、空间分辨的和时间分 辨的手段，发生了质的飞跃，得以开展微区、动态、瞬变、原位和极端条件下 的结构组份与动力学性质等实验研究，为众多的学科和广泛的技术应用领域带 来前所未有的新机遇。 世界上已建成的和正在建造的同步辐射光源的电子能量的范围可分为三 段：低能l 。2 g e v 、中能2 4 g e v 和高能6 8 g e v 。在国际上已建成并投入运行的第 三代同步辐射光源中，高能同步辐射光源共有三台，为e s r f ( 6g e v ) 、a p s ( 7 g e v ) 、s p r i n g 一8 ( 8 g e v ) ，其他都为中、低能同步辐射光源。新建成及在 建的光源基本都在中能区，包括s l s ( 2 4 g e v ) 、d i a m o n d ( 3 o g e v ) 、s o l e i l ( 2 7 5 g e v ) 、c l s ( 2 9 g e v ) 、s p e a r - 3 ( 3 o g e v ) 、n s l s - i i ( 3 o g e v ) 、s s r f ( 3 5 g e v ) 等。同时，近几年在同步辐射光源的电子储存环的设计和插入件技术上也有新 的进展，如在电子储存环中引入了超导二级磁铁和超导扭摆磁铁，以及利用波 荡器中的高次谐波分量，从而使得2 5g e v 左右的中能光源的光谱扩展至u 5 0 k e v s s r f 数字化电源监控与测试的实验研究 硬x 射线，使得能量为2 5g e v 左右的中能机器也能产生6g e v 高能机器光谱范围 的同步光，这大大扩充了中能光源的用途。另外，世界各国也纷纷利用同步辐 射光源的注入器电子直线加速器研究发展由电子直线加速器驱动的超长波 荡器而构成的自由电子激光装置即第四代光源。 目前，中国已建成三台电子同步辐射装置，即北京同步辐射装置口3 ( b s r f ， 2 2 0 e v ，属于第一代) ，合肥同步辐射光源( h l s ，0 8 g e v ，属于第二代) ，台湾 新竹地区的同步辐射光源( t l s ，1 5 g e v ，第三代低能专用环) 。b s r f 和h l s 两台 装置在光谱耀度及波长范围均存在较大的局限性，虽还可以继续从事对时间和 空间分辨要求不很高的部分前沿实验研究，以及在各种需要较大光斑的科学实 验和工业技术上的应用，但是由于它们受光耀度、波长范围、光的稳定性及空 间分辨率和时间分辨率等性能的限制，仍不能满足大量的要求高耀度x 射线及硬 x 射线的生命科学、材料科学、信息科学和环境科学等2 l 世纪前沿学科的需要。 为了适应我国科学技术的发展，满足我国2 1 世纪前沿科学发展和高新技术 开发应用研究的需要，适合我国的国情，我国决定建设一台新的、规模中等、 性能超过中能第三代光源的同步辐射装置上海同步辐射装置( t h es h a n g h a i s y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t y ) ，简称“上海光源( s s r f ) ”h 1 。它将是当今 世界上最先进的第三代同步辐射光源之一，其科学目标涉及了广泛的、学科发 展日新月异的研究领域，能把我国在这一领域中的研究工作推向前列。 1 2 同步辐射装置的磁铁电源发展与现状 1 2 1 同步辐射装置对磁铁电源性能的要求 电源系统是同步辐射装置重要的组成部分，负责给装置上的各个磁铁供电。 在整个加速器系统中，为了得到尽可能好的束流品质，出于滑相指标等的考虑 要求等时性磁场稳定。在理论上磁场的稳定度基本与电源电流的稳定度成正比， 所以磁场稳定度就主要是由电源电流稳定度所决定。储存环磁铁电源系统的作 用是向磁铁提供励磁电流，据物理设计要求，通过计算机控制系统的操作形成 加速器运行需要的各种磁场工作模式，或实现各类工作模式的过渡转换；另外， 对电源系统的操作也是实现束流轨道校正的基本手段。电源必须满足加速器稳 定运行的物理要求，以保证储存环工作点( t u n e ) 漂移容限和束流位置稳定性， 保证设备长期可靠连续稳定运行。磁铁电源的设计制造需根据同步辐射装置能 量和束流品质的要求，提出电源的主要输出特性指标，包括：输出电流的稳定 度( 包括短期与长期稳定性) ，电流纹波系数，电流输出的再现性，可靠性以及 输出电流跟踪精度等。 根据对束流品质的影响方式不同，各种电源电流稳定度要求也有所不同。 二极磁铁电源输出电流稳定度指标在于保证束流能量和闭轨稳定度，四极磁铁 电源输出稳定度主要保证储存环工作点漂移容限和闭轨稳定度。通常，磁铁电 源输出稳定度s 定义：s = ( i 嗽一i 洲) ( 2 i 。) ，其中( i 呲厂i 洲) 2 为检测点电流 最大值与最小值之差的一半，i 。是电源额定输出或最大工作电流。 在加速器系统中，对大电感、纯铁厚板的磁铁负载供电的电源，电流纹波 要求可以适当降低一些，原因是纯铁厚板制造的磁铁，对纹波电流将感生涡流， 使磁场纹波消耗在磁铁内部，产生的磁场纹波有所降低，一般情况下磁场纹波 第一章引言 可比电流纹波小一至二个数量级。因此电源电流纹波可以比其稳定度至少低一 个数量级，但对于由硅钢片叠装制造的磁铁，就必须对电流的纹波提出更严格 的要求。还应尽量减少输出低次谐波成分，避免纹波频率与粒子束流回旋频率 有整倍数关系，也是磁铁电源的设计指标。磁铁电源输出纹波成分与电源类型 有关，开关电源通常比线性电源容易产生纹波电流。输出电流纹波系数f ；的定义 为：f ，= a i ，呻i 。，其中，i 肿为输出电流纹波峰一峰值。i 。是电源额定输出或最大 工作电流。 为了对s s r f 电源系统的指标要求有更好的理解，本人对国内外多台光源装 置的电源系统及其要求进行了认真的调研。下面列举出部分光源的电源系统的 设计要求。 由美国s s r l 升级并改造的s p r a r 3 的直流磁铁电源总共2 2 6 台，其中包括中功 率电源( i n t e r m e d i a t ep o w e rs u p p l y ) 共有6 9 台和大功率电源( l a r g ep o w e r s u p p l i e s ) 。分别给增强器输运线和储存环的二极磁铁、四极磁铁和六极磁铁和 各种校正磁铁供电，要求调节分辨率要求好于l o p p m ，输出电压纹波好于 1 0 0 0 p p m ，电流范围变化从6 0 a 至u 8 0 0 a ，输出功率范围从几瓦到1 m w 涵