（物理电子学专业论文）icf实验物理诊断集中控制系统的设计.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 目前国内正在建设的神光- i i i ( s g i i i ) 装置是具有世界先进水平的惯性约束 核聚变( i n e r t i a lc o n f i n e df u s i o n ，i c f ) 实验装置，它必须具有一个功能强大的集中 控制系统进行管理，才能满足各种复杂的实验要求。物理诊断集中控制系统是 s g i i i 装置上i c f 实验研究集中控制系统中一个重要的子控制系统，负责控制激 光聚变的打靶决策、物理实验方案选择、探测器监控、数据采集系统控制等。本 文介绍了根据目前我国i c f 物理实验集中控制现状需要，用于物理诊断集中控制 系统的同步触发和指令同步系统。 同步系统是物理诊断集中控制系统的重要部分，整个打靶实验物理诊断的控 制时序和指令将由它发出，因此同步系统的性能直接决定了整个物理诊断系统是 否能够正确、高效的工作。论文在充分调研和分析目前实时控制系统的特点以及 激光聚变实验中正在使用的同步触发系统的基础上，结合s g m 装置的实际需 要与目前先进的电子学技术，设计了物理诊断集中控制系统的同步子系统，并对 相关问题进行了深入的研究。 物理诊断集中控制系统的同步子系统主要由两部分组成；指令同步系统和同 步触发系统。指令同步系统实时处理同步指令，这些指令用来报告当前激光器、 测量系统、数据采集系统等准备状况并启动毫秒量级至秒量级同步要求的各种设 备的控制程序。同步触发系统主要用于产生p s 量级超高精度触发同步信号、眦 量级高精度触发同步信号和脚量级低精度触发同步信号 论文首先介绍了目前在激光聚变实验中所使用的同步触发电子学系统特点， 并结合i c f 物理诊断集中控制系统的需求，将传统的分离式快同步触发机改造设 计成可程控的3 up x i - l - 控平台的插卡式系统。详细描述了在设计同步触发板卡 中所采用的多种高速数字电路设计方法，如高速电路阻抗匹配、高速电路布线、 板级电源滤波和芯片级电源的去耦合等，有效降低了p c b 电路中的噪声。此外 还详细介绍了同步触发脉冲的甄别、高速可编程同步延时阵列、基于f p g a 芯片 的可编程同步触发逻辑、p c i 接口逻辑以及板卡的集中控制逻辑、高速电路系统 的p c b 设计等。最后对所研制的同步触发板卡进行了调试结果进行了详细的分 析，并提出了该系统未来的升级完善方案。 中田科学技术大学博士学位论文摘要 对于指令同步系统，首先介绍了该系统的特点，提出采用目前最先进的嵌入 式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 结构来完成具有高实时性要求的集中控制任 务，并将整个系统集成在一片3 up x i 机箱的外围插卡上的方法。设计的s o c 核 心部分是基于m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t l l o u ti n t e r l o c k e dp i p c l i n es 协】；铭，m i p s ) 体 系结构的5 级流水线r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r , r i s c ) 微处理器系 统，主要包括指令的选取、微处理器的体系结构设计等此外还介绍了外围接口 逻辑设计、器件选择、f p g a 芯片内部的逻辑实现以及指令同步系统3 up x l 板 卡的设计。在微处理器的设计中，采用了多种提高流水线性能的方法，包括取指 令级的超级流水线设计、高速算术加法器逻辑设计、添加流水线数据通路的旁路 逻辑、自适应动态分支控制点选择逻辑设计等。最后还从理论上分析了所设计的 m i p s 微处理器的性能并对整个s o c 系统的仿真和调试结果进行了介绍和分析。 本论文的创新之处： 1 首次在i c f 实验的电子学系统中设计全定制的s o c 系统来完成具有 高实时性要求的集中控制任务，并将该嵌入式系统集成于3 up x i 外 围插件板卡上。在广泛调研分析了目前s o c 系统中所使用的嵌入式 微处理器体系结构的基础上，根据i c f 实验指令同步系统的具体需 要，创造性地设计开发了具有5 级流水线的3 2 位m i p s 构架微处理 器，其性能远远超出目前各种商用的微处理器软核。 2 在i c f 实验电子学系统的设计中摒弃传统的板级设计思路，而采用 芯片级设计方法：使用高密度、商性能的f p g a 芯片完成了所有全 定制数字逻辑电子学系统设计，包括s o c 系统、p x i 板卡的集中控 制逻辑、p c i 接口逻辑，从而提高了电子学系统的集成度和性能。由 于所有数字逻辑功能集成到一块f p g a 芯片中实现，大大减小了系 统设计中芯片使用的数目和种类，从而降低了p c b 设计的复杂度和 系统功耗。 3 首次建立基于p x i 总线标准的i c f 实验同步触发系统和指令同步系 统，并实现集总式控制，提高了系统的集成度、稳定性和操控性。 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 关键词： 惯性约束聚变、物理诊断集中控制系统、同步触发系统、指令同步系 统、s o c 平台、m i p s 徽处理器 本论文工作得到国家8 6 3 计划项目资助 i l l 中田科学技术大学博士学位论文a b s t r a e t a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s c r i b e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r k s o f t h ec e n t r a lc o n t r o l s y s t e mf o rp h y s i c a ld i a g n o s i si nl a r g ei c fe x p e r i m e n t s w h i c hi sb e i n gb u i l ta sa k e yp a r to ft h es g - i i il a s e rf u s i o nf a c i l i t yp r o t o t y p ep r o j e c ti nc h i n e s ea c a d e m yo f e n g i n e e r i n gp h y s i c s ( c a e p ) t h i ss y s t e mw i l lb er e s p o n s i b l ef o rt h ed e c i s i o n m a k i n g o f f u s i o n ，t h es e l e c t i o no f e x p e r i m e n ts t r a t e g i e sa n dm a n a g e m e n to f d e t e c t o r sa n dd a t a a c q u i s i t i o n ( d a q ) s y s t e m s t h et h e s i si n t r o d u c e st h es y n c h r o n o u st r i g g e rs u b s y s t e m a n dt h ei n s t r u c t i o ns y n c h r o n i z a t i o ns u b s y s t e mo ft h ec e n t r a lc o n t r o ls y s t e mf o r p h y s i c a ld i a g n o s i s t h et w os u b s y s t e m sc a ns a t i s c yt h ec u r r e n ti c fe x p e r i m e n tn e e d s t h es y n c h r o n o u ss y s t e mi st h ek e yp a r to fc e n t r a lc o n t r o ls y s t e mf o rp h y s i c a l d i a g n o s i s i tw i l li s s u et h et i m i n gs i g n a l sa n dc o n t r o li n s t r u c t i o n st ot h ep h y s i c a l d i a g n o s i sd e v i c e si nt h ei c fe x p e r i m e n t s a f t e ri n v e s t i g a t i n ga n da n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc u r r e n tr e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e m sa n ds y n c h r o n o u ss y s t e m su s e di n l a s e rf u s i o ne x p e r i m e n t , t h ea u t h o rd e s i g n san e ws y n c h r o n o u ss y s t e mf o rc e n t r a l c o n t r o ls y s t e mt 0m e e tt h ep h y s i c a ld i a g n o s i sr e q u i r e m e n t so fs g i i if a c i l i t ya n dd o s o m ef u r t h e rr e s e a r c h e sa b o u tr e l a t i v ep r o b l e m s t h es y n c h r o n o u ss y s t e mc o n s i s t so fi n s t r u c t i o n ss y n c h r o n i z a t i o ns u b s y s t e ma n d h i g hs p e e ds y n c h r o n o u st r i g g e rs u b s y s t e m t h ef o r m e r i su s e dt o p r o c e s s s y n c h r o n i z e di n s t r u c t i o n s ，w h i c ha s s e r t t h ec u r r e n ts t a t e m e n to fl a s e rd e v i c e s , d e t e c t o r sa n dd a qd e v i c e s ，a n dt oi n i t i a t et h ec o n t r o lp r o g r a m sf o rt h o s ed e v i c e s t h el a t t e rm a i n l yp r o d u c eas e r i e so fh i i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s ed e l a y e ds i g n a l st o t r i g g e ro s c i l l o g r a p h s ，s t r e a kc a m e r a s ，f r a m i n gc a m e r a sa n dh i g hs p e e dd a q d e v i c e s f o rt h eh i g hs p e e ds y n c h r o n o u st r i g g e rs u b s y s t e m ，t h ep r e s e n th i g hs p e e dt r i g g e r s y s t e mu s e di ni c fe x p e r i m e n t sw a si n t r o d u c e df i r s ti nt h et h e s i s t h e nt h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n tw o r k sa r ei n t r o d u c e d t h et r a d i t i o n a ls y n c h r o n o u st r i g g e rd e v i c e s a r en o ts t a n d a r di n s t r u m e n t a ls ot h a tt h ea u t h o rr e b u i l d st h es y n c h r o n o u st r i g g e r d e v i c ea sap x ic a r d 。i nt h ed e s i g nw o r k s , t h ea u t h o rt a k e st h eh i g hs p e e dd i g i t a l s y s t e md e s i g nt e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d s t h er e s u l t so ft e s t i n ga b o u ts y n c h r o n o u s t r i g g e rs u b s y s t e ma r ei n t r o d u c e da tl a s t w 中田科学技术大学博士学位论文 i f it h et h e s i s t h ea u t h o rd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n s u l l c t i o n s s y n c h r o n i z a t i o ns u b s y s t e ma n dt a k e sa d v a n t a g e so fs o cp l a t f o r mt op e r f o r mt h e c e m r a ic o n t r o lt a s k s t h ew h o l es u b s y s t e mi si m p l e m e n t e da sa3 up x ip e r i p h e r a l c a r d t h ea u t h o rd e s i g n st h es o co naf p g ac h i p ，w h i c hi n c l u d e sam i p s m i c r o p r o c e s s o rc o r ea n dt h ep e r i p h e r a li n t e r f a c e sl o g i c ，a n dap c bo ft h e3 up x l c a r d a tl a s tt h ea u t h o ra l s oa n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft h i sm i c r o p r o c e s s o ra n d i l l u s t r a t e s t h er e s u l t s o f t h es l m u l a t i o na b o u t t h i s s o cs y s t e m t h e s i g n i f i c a n c e sa n di n n o v a t i o n so f t h i st h e s i sa r ea st h ef o l l o w s 1 f i r s t l yd e s i g n i n gaf u l lc u s t o ms o cs y s t e mt op e r f o r mh i g h l yr e a l - t i m e c e n t r a lc o n t r o lt a s k si ni c f e x p e r i m e n t d e v i c e s ，t h i ss y s t e mi s i m p l e m e n t e da sa3 1 2p x ic a r d t h ea u t h o rd e s i g n sa3 2 - b i t5 - s t a g e p i p e l i n e dm i c r o p r o c e s s o rw i t hm i p sa r c h i t e c t u r et os a t i s f yt h ep h y s i c a l d i a g n o s i se e n t r a | c o n t r o ls y s t e m sr e q u i r e m e n t s t h ep e r f o r m a n c eo ft h i s m i c r o p r o c e s s o re x c e e d sm a n yc o m m e r c i a lp r o c e s s o rc o r e s 2 3 f i r s t l ye m p l o y i n gt h ec h i pl e v e ld e s i g nm e t h o di ni c fe x p e r i m e n t e l e c t r o n i cd e v i c ed e s i g n t h ea u t h o ru s e st h eh i g i id e n s i t y , h i g h p e r f o r m a n c ef p g ac h i pt oa c h i e v ea l lt h ec u s t o md i g i t a ls y s t e m sl o g i c s i n c l u d i n go ft h es o cs y s t e m ，c e n t r a lc o n t r o ll o g i c so ft h ep x ic a r da n d p c ii n t e r f a c el o g i c t h i sm e t h o dc o u l di m p r o v et h ee l e c t r o n i cd e v i c e p e r f o r m a n c ea n di n t e g r a t i o nl e v e l ，s i m p l i f yt h ef e bd e s i g na n dd e c r e a s e t h ep o w e rd i s s i p a t i o n f i r s t l yb u i l d i n gt h es y n c h r o n o u st r i g g e rs u b s y s t e ma n di n s t r u c t i o n s s y n c h r o n i z a t i o ns u b s y s t e mf o r1 c fe x p e r i m e n t s w h i c h a r eb a s e d0 1 1 s t a n d a r dp x ib u s t h et w os u b s y s t e m sc a nb ec e n t r a l i z e dc o n t r o la n d w i t hh i g hd e n s i t , a n ds t a b i l i t y v 中田科学技术大学博士学位论文a b s t r a c t k e y w o r d s ：i c f , c e n t r a lc o n t r o ls y s t e mf o rp h y s i c a ld i a g n o s i s , s y n c h r o n o u s t r i g g e rs u b s y s t e m ，i n s t r u c t i o n ss y n e h r o n i z a t i o ns u b s y s t e m ，s o c p l a t f o r m ，m i p sm i c r o p r o e e , j o r 中国科学技术大学学位学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 埘年f 月￥e l 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 激光核聚变研究的意义 核聚变反应是宇宙能量的主要来源之一。太阳，还有许多恒星都是天然的核 聚变能源，在太阳中发生的核聚变反应给整个世界和我们的日常生活提供了能 量。随着人类对地球上不可再生能源( 石油、煤和天然气等) 的长期消耗，最终会 导致这些能源的枯竭，因此能源危机成为困扰人类社会发展的主要难题之一。在 地球上实现干净、经济的受控氘氚热核聚变反应是人类摆脱能源危机的一个有效 途径。因此，最近几十年以来，受控核聚变研究一直受到国际上的广泛重视，许 多国家都投入大量人力和资金开展各种试验研究，其最终目的是要实现核聚变能 的和平利用，建立受控核聚变堆和核聚变能电站。 目前人们在实验室里研究核聚变反应主要采用磁约束和惯性约束两种方 法。磁约束核聚变( m a g n e t i cc o n f i n e m e n tf u s i o n , m c f ) 主要依靠强有力的磁场 将低密度、高温度的等离子体约束足够长时间以使氘氚等离子体达到核聚变反应 所需要的条件。惯性约束核聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n 。l c f ) 则是利用高功 率激光束( 或粒子束) 均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸，在极短的时间里 靶丸表面在高功率激光的辐照下会形成包围靶芯的高温等离子体。等离子体膨胀 向外喷发的反作用力会产生极大的向心聚爆的压力，这个压力大约相当于地球上 的大气压力的十亿倍。在这么巨大的压力作用下，氖氖等离子体被压缩到极高的 密度和极高的温度( 相当于恒星内部的条件) ，引起氖氖燃料的核聚变反应川。通 常，我们把由激光驱动的惯性约束核聚变称为激光核聚变 与磁约束比较，惯性约束最大的优点是驱动部分与聚变反应堆部分在空间上 是分离的。由于两部分功能截然不同，所以在空间上分开、互不干扰就很重要。 此外。惯性约束的聚变反应空间很集中，磁约束则是分散的。这个优点对靶室设 计也是很有利的田。 我国德高望重的科学家王淦昌先生早在6 0 年代初就提出把激光与核物理研 究相结合，并于1 9 6 4 年独立提出了惯性约束核聚变的概念，这在世界上是最早 的惯性约束核聚变的建议之一唧。在王淦昌先生的积极倡导和推动下，我国的科 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 研人员将惯性约束核聚变作为主要研究方向，在惯性约束核聚变研究和高功率激 光技术等方面取得了巨大的成就，先后建成了“六路装置”、“星光”，和“神 光( s g ) ”等系列大型高功率激光装置，我国具有世界先进水平的巨型激光装置 “神光- i i i ( s g n d ”预计将于2 0 1 0 年建成并投入使用。 1 2 i c f 的基本概念 对于氘一氚( d ，t ) 反应。劳森判据【4 l 为： n t 1 0 1 4 c m 0 3 s( 1 1 ) 式中的n 为d t 燃料密度，t 是核反应持续时间，对应燃料温度为1 0 k e y 。 “惯性约束( i c f ) ”最初的科学含义是：在充分高的燃料密度( n ) 状态下产生 聚变反应，利用物质密度惯性来维持所需燃烧时间( t ) ，当燃料飞散前，热核燃 料n t 值已达到劳森判据。 i c f 的完整概念是：利用高功率短脉冲激光束，通过聚心内爆，压缩加热氘 氚靶丸，使之达到热核燃料点火状态，在惯性约束条件下发生自持热核反应在 这里劳森判据通常写为与聚心内爆主要参数一被压缩靶丸密度d 和半径r 的简单 关系： p r o 3 ( g c m 2 ) 0 2 ) i c f 的物理过程大致分为如下三个阶段。如图1 1 所示： 图1 1i c f 实验物理过程示意图 i 激光束一靶物质能量耦合：驱动器能量转换为等离子体能量，含能量吸收、 2 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 x 光转换及输运。 2 球形聚爆：靶丸表面被烧蚀时，产生高速向外运动的气流，该过程类似 于火箭排气，产生反向压力，压缩靶丸，加热内部氘氚燃料。 3 热核材料心部点火及燃烧：氘氚燃料内核达到高温、高密度时产生聚变 反应，反应产生的0 【粒子进一步加热燃料，使整个靶丸发生聚交反应。 i c f 实验可分为直接驱动和间接驱动两种。直接驱动是指驱动器( 激光或粒 子束) 均匀辐照靶丸；间接驱动是将激光或粒子束能量先转换为x 光能，再由x 光传热、烧蚀进而压缩靶丸。直接驱动能量利用率高，要求有高效、优质( 超热 电子量少) 的吸收。为增加聚爆中子产额，直接驱动靶通常采用高收缩比的爆推 型靶，敌对流体力学不稳定性较敏感；间接驱动，也称x 光辐射驱动【5 一，即在 黑洞靶内驱动器能源转换为x 光能，这些光能被限制在空腔内，实现靶丸均匀辐 照、烧蚀。图1 2 是一个采用间接驱动机制的例子。因为x 光辐射烧蚀对流体力 学不稳定性有“致稳作用”，所以辐射驱动容易实现近一维的压缩。 图1 2间接驱动快点火机制示意图 1 3 国际激光聚变装置和我国的“神光”系列装置 i c f 研究一开始就受到了世界各国的广泛关注，很多国家都在这个领域投入 巨资开展研究工作，先后建成了很多规模不等的激光聚变装置。 8 0 年代中期，美国在劳伦斯利佛莫尔国家实验室( l a w r e n c el i v e r m o m n a t i o n a ll a b o r a t o r y ，l l n l ) 建成了n o v a 装置，它采用钕玻璃固体激光的3 倍频 作点火光源，波长3 5 1 r i m ，脉冲能量5 0 k j ，l o 束激光【9 l 。9 0 年代，美国罗切斯 特大学( u n i v e r s i t yo f r o c h e s t e r ，u r ) 激光能量实验室发展的o m e g a 升级装置投入 工作，和n o v a , 相似它也采用钕玻璃激光的3 倍频作为点火光源，单脉冲能量3 0 k j ， 6 0 柬激光f 9 】，共计花费6 1 0 0 万美元。目前正在建设中的美国“国家点火装置 中周科学技术大学博士学位论文第一章绪论 ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t , , n i f ) ”耗资几十亿美元，同样采用钕玻璃激光的3 倍 频点火，波长3 5 1 r i m ，脉冲能量高达1 8 m j ，1 9 2 束激光【，代表了当前激光聚 变装置的最新趋势 图1 3 目前世界主要的激光聚变装置分布情况 在王淦昌、王大衍的指导下，中国科学院和中国工程物理研究院从8 0 年代 开始联合攻关，承担了“神光( s g ) ”系列激光系统的研制和i c f 物理实验，其中 “神光ic s g - i ) ”激光装置于1 9 8 6 年建成，输出功率为2 1 0 1 3 w 【l l 】 2 0 0 1 年又研制出了规模扩大4 倍，性能更为先进的“神光i i ( s g i i ) ”装置。 s g - i i 装置由激光器系统、靶场系统、能源系统、光路自动准直系统、激光参数 测量系统以及环境、质量保障等系统组成，是数百台套的各类激光单元或组件的 集成，并在空间排布成8 路激光放大链，每路激光放大链终端输出激光的净口径 # , - - 2 3 0 m m ，具有两种脉冲宽度：l n s 和l o o p s ，3 种波长：i 0 5 3 口m 、0 5 3 z m 和 o 3 5u m 的输出能力，该装置终端输出能量达到6 k j l n s 1 0 5 3 z m 。截至2 0 0 4 年， s g i i 装置已经累计提供运行打靶2 0 0 0 多发次，开展了i c f ，x 光激光等方面研究 大约2 0 余轮物理实验，获得的结果具有十分重要的意义。其中i c f 直接驱动打靶 获得单发4 1 0 9 中子，是国际同类装置获中子产额的最好水平在s g i i 上开展 4 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 的物理实验不仅为我 雪i c f 研究做出了重大贡献，而且标志者我国i c f 实验已经 真正跃上了一个短波长、大功率激光打靶的新阶段暇1 3 , 堋。 1 9 9 5 年，i c f 在“8 6 3 计划”中立项，开始在中国工程物理研究院研制跨世 纪的巨型激光驱动器一“神光- i i i ( s c r - i i i ) ”装置，预计输出能量达到1 8 0 k j ( ， 计划于2 0 0 8 年建成。s g i i i 是继s g i 和s g i i 之后中国建造的又一个大型激光聚 变实验装置。建成后的s g - i 将成为世界上最先进的激光聚变装置之一，无论是 激光能量、实验装置和控制系统都位居世界先进水平。 图1 3 展示了目前分布于世界各国的激光聚变装置的情况。 1 4 i c f 实验诊断 1 4 1 概述 由于i c f 研究的对象是激光打靶产生的高温高密度等离子体，这样的等离子 体产生的辐射几乎遍布整个电磁波谱。即从微波谱段、光学谱段、x 光谱段直到 硬x 光谱段，它还发射大量的电子、中子、口粒子和其它状态的粒子。所以采用 的诊断手段，几乎涉及到所有辐射测量技术州。 i c f 实验诊断的目的之一是通过测量等离子体的状态，来揭示靶等离子体的 特征和行为，迸而获得驱动器一靶最佳耦合设计的依据和选择实现热核点火与自 持燃烧的最佳途径。目的之二是验证理论分析和数值模拟的合理性，以便能提出 更完善理论模型进行理论模拟，提高实验效率。 1 4 。2i c f 实验诊断装置布局1 8 l 图1 4 是目前国内在“s g _ i i ”激光器上进行i c f 实验的靶室上诊断设备布 局示意图。 在靶室的不同方位上排布有：用于散射光测量的o m a 谱仪；用于x 光谱分 辨测量的晶体谱仪；用于x 光焦斑测量的针孔相机：用于中子飞行时问谱测量 的条纹相机a ：用于中子能谱测量的塑料闪烁体a ；用于快速测量中子产额的塑 料闪烁体b ：用于测量x 光不同能区能谱的d a n t e 谱仪a 和b ：用于测量x 光时空特性从而反映内爆时空特性的条纹相机b 和d ；用于冲击波、热波测量 的可见光条纹相机c ；用于x 光谱分析测量的透射光栅谱仪：用于测量中子产 中田科学技术大学博士学位论文第一章绪论 卜入射激光( 南北各四束)2 - o m a 谱仪3 一晶体谱仪4 前孔相机 5 一条纹相机a6 一塑料闪烁体a7 一塑料闪烁体b8 - d a n t e 谱仪a 9 - d a n t e 谱仪b 1 0 一条纹相机bi 卜可见光条纹相机c1 2 落射光栅谱仪 1 3 一活化法中子产额测量探头1 4 - x 光分幅相机1 5 - x 光c c d 1 6 一菲涅尔波带片1 7 - f f 谱仪 1 8 一反射光测量能1 9 - 条纹相机d2 0 靶 图1 4 “s c h i ”i c f 实验靶室诊断设备布局示意图( 俯视) 额的活化法探测器( 这里是铜活化片) ；用于x 光时空分辨和内爆压缩特性钡4 量 的门控1 2 分幅相机；用于x 光图象测量的x 光c c d ：用于口粒子测量的菲涅 尔波带片；用于超热电子测量的e f 谱仪；用于反射激光测量的能量卡计；用于 等离子体能量测量的等离子体卡计；用于x 光角分布测量的平响应二极管( x r d ) 和用于硬x 光测量的硬x 光探头。这些繁杂的探测设备需要集中控制，配合i c f 物理实验流程的正常进行。 6 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 1 4 3i c f 实验物理诊断集中控制系统 i c f 实验装置的核心部分就是物理诊断系统，它负责采集、判选、分析并处 理物理实验数据，实时监控各种诊断设备来配合整个实验流程的进行，因此对物 理诊断系统进行集中控制才能保证大型i c f 实验安全、高效地进行世界各国已 经建成或正在建设的大型i c f 实验装置中都将物理诊断集中控制系统作为核心 部分进行研究和设计。 目前i c f 物理诊断集中控制系统中酱遍采用综合计算机控制系统( i c c s ) 进 行集中控制。美国n i f 装置的i c c s 系统中使用面向对象技术，建立了一个庞大 的分布式集中控制系统。中国的s g - i i 装置的物理诊断集中控制系统也建立了 i c c s ，采用层次化结构概念，组建了一个多级网络的分布式集中控制结构。目 前国内正在建设的s g i i i 装置将采用更先进的i c c s 系统来实现对物理诊断系统 的集中控制。 1 5 本论文的章节安排和主要研究内容 本论文试图在s g i i i 装置物理诊断集中控制系统方面进行一定的探索，为 今后i c f 实验装置的控制理论提供一些参考性的建议和技术储备。此外还为 s g i i i 原型装置物理诊断集中控制系统的同步子系统设计了相应的电子学系统。 本论文第一章绪论介绍了i c f 实验的概况以及目前世界范围内该领域的发 展状况，并重点介绍了我国i c f 实验诊断技术的发展历程。 第二章提出了i c c s 的概念。并介绍了i c f 实验装置控制系统的发展情况和 i c c s 的最终产生同时借鉴了美国n i f 装置的i c c s 系统，分析了当前i c f 实 验装置控制系统的特点和所使用的电子学技术。最后还介绍了s g - i i i 装置物理 诊断集中控制系统的概况，并着重分析了物理诊断系统中的同步子系统。 第三章介绍并分析了目前时间同步系统中所使用的快同步机及其缺点，给出 了同步延时系统向p x i 总线平台移植的相关设计，同时组建了基于p x i 总线的 快同步触发信号系统的3 up x i 模块，最后详细的给出了该系统的电子学测试结 果。这一章的目的是为了表明，传统的分立式同步触发设备可以移植到p x i 总 线平台上实现集总式控制。 7 中田科学技术大学博士学位论文第一章绪论 第四章阐述了指令同步系统的功能，并在p x i 平台上设计了指令同步控制 的s o c 系统。介绍了在s o c 系统中实现自主设计的m i p s 微处理器，针对指令 同步系统的高实时性要求对微处理器进行裁减、集成p c i 接口逻辑以及2 个3 2 - b i t 自定义i o 端口等相关内容。 第五章主要介绍了对所设计的同步触发系统和指令同步系统进行仿真与测 试，在此基础上分析和总结了这两个系统的性能和特点，并进一步讨论了未来可 改进的地方。 第六章是总结，回顾了本论文的主要工作并对今后这方面的工作提出了一些 建议和展望。 论文最后是参考文献、附录、致谢以及在学期间发表的论文。 中盈科学技术大学博士学位论文第二章i c f 实验装置集中控制系统 第二章i c f 实验装置集中控制系统 2 1 i c f 实验装置控制系统的发展概况 i c f 等离子体维持在极短的时f 司( 1 0 4 1 s l 旷s ) 和极小的空问( 1 0 巧m l o 3 m ) 尺度中，它的辐射能谱在时间和空问都有复杂的结构。要在这样极端的条件下进 行测量、而每发打靶诊断的物理探测道达2 0 0 多个，这种大数据量、多学科、多 项目测量系统的数据采集和处理应该是一个高速度、高精度、高可靠性的综合数 据采集、处理为一体的大型数据在线采集和处理系统。而对这样的大数据量、密 集型数据的保存、管理和应用应该建立相应的实验数据库，才能减轻实验人员的 诸多数据处理和管理任务；提高实验数据关联处理和综合处理能力，在线给出实 验的直观结果；缩短打靶周期、减少打靶发次，提高实验的成功率和实验数据的 可靠性；方便物理实验人员、制靶人员和其它有关人员随时查询和调用有关的实 验数据和参数，实现更大范围的数据共享。这样的系统也将成为i c f 实验重要组 成部分。 2 1 1 综合计算机控制系统概念1 1 5 l 综合计算机控制系统( i i l 姐弘t c dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，i c c s ) 就是利用计 算机对一个大系统进行多方面、多层次的集中控制，使整个系统的资源得到有效 地整合，协同发挥作用，从而使整个系统能够高效、稳定和安全地工作类似这 样的大系统已经在很多大型科学实验系统、大规模工业自动化生产系统、大型机 场的自动导航和指挥系统等得到普遍的应用。 对1 c f 实验而言，i c c s 集成了激光和靶区分布子系统的各个要素，形成了 一个完整的运行控制系统。它既要能控制和调度激光打靶事例的进行，又要为一 个持续运行的实验系统提供重要的实时控制。例如对于s g - i i 装置，相邻两次激 光打靶的时间间隔一般在半个小时以上，虽然对于每发打靶试验采集到的数据进 行传输与处理则不需要很高的实时性，但打靶的瞬间要求采集系统有很高的实时 性能。此外，对各种持续运行设备的监控、状态信息回馈与处理、预控信号的发 出也需要具有比较高的实时性能。 9 中田科学技术大学博士学位论文第二章i c f 实验装置集中控制系统 整个i c c s 应该由一个完整的软件体系结构和一个完整的硬件体系结构组 成，软件体系结构和硬件体系结构之间是平行的，软件体系结构为i c f 实验提供 所需要的应用服务，而硬件体系结构则是软件体系结构的物理映射和运行载体。 除此之外，还需要一个数据体系结构来分析软硬件结构、容量和各个部分的规 模。 2 1 1 2i c f 实验的i c c $ 发展概况 在i c f 实验的i c c s 各子系统中，最重要的是物理诊断系统，因为所有装置 和控制系统都是为了服务于一个目标：i c f 物理实验。在i c f 物理实验早期，由 于激光器装置相对不太复杂，而物理诊断系统由于物理测量在不断发展，始终处 于不断发展变化之中，激光器自动控制装置和物理诊断系统二者在概念和物理构 成上都是独立的，没有形成一个完整的i c c s 。 1 9 7 5 年美国在l i 小，建成了第一台双光束大功率激光器j a n u s 和单光束大功 率激光器c y c l o p s 。与此同时，在1 9 7 4 年就开始了计算机控制的数字化数据采集 系统的研究工作。从一开始，研究人员就意识到激光聚变研究的进展很大程度上 依赖于成熟的数据处理和分析程序，建立了j a n u s 和c y c l o p s 数据采集和分析系 统，两种系统在电气上是相同的，使用c a m a c 系统构成了数据采集系统的基 础。系统特征是：激光装置诊断和i c f 物理实验数据采集没有形成完整的系统， 数据采集数字化程度很低。计算机使用的是小型机( p d p i l 1 0 ) 或大型机 ( c d c 7 6 0 0 分时系统) ，没有联网。 1 9 7 6 年建成了a r g u s 激光器靶诊断数据采集和分析系统a d a s ( a r g u sd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ) a d a s 系统实现了模块化的软件系统，允许动态定义实验 环境、自动数据采集和实时数据处理。数据采集系统硬件由两部分组成。一部分 是传统的数据采集系统，采用示波器胶片记录技术，没有数字化另一部分是 由c a m a c 系统组成的数字化数据采集，有的安装在激光器区，有的安装在靶 室附近，有的安装在诊断室内为了减少接地环路干扰及电磁干扰，各c a m a c 系统用光纤串行高速总线连接。在激光器靶诊断数据采集和分析系统中还引入了 准直控制台用于光束准直和其它激光诊断，但相关的软件还没有纳入a d a s 系 统中，因此尚未产生完整的i c c s 概念。 中国科学技术大学博士学位论文第二章i c f 实验装置集中控制系统 1 9 8 0 年，l n 儿成功地研制了聚变实验数据分析系统f e a f ( f u s i o n e x p e r i m e n ta n a l y s i sf a c i l i t y ) 。这个系统通过一台v a x l1 7 8 0 主控计算机分别 与n o v a 和n o v e t t e ( n o v a 的原型机，1 9 8 3 年投入运行) 激光装置的两台分控计算 机v a x - - 1 1 7 8 0 单向联系，使打靶数据和各种参数能够及时进行处理。1 9 8 4 年 l l n l 把f e a f 订名为激光实验分析系统l e a f ( l a s e re x p e r i m e n ta n a l y s i s f a c i l i t y ) 。l e a f 的软件十分丰富，它建立了基于o r a c l e 平台的关系数据库， 电子打靶手册( s h o t b o o k ) 实用软件包以及丰富的数据处理分析软件。该系统 是l l n l 激光打靶研究规划的一个重要组成部分，随着物理研究的进一步深入、 诊断装置的发展以及计算机和电子学技术的不断发展仍在不断完善。 除l l n l 外，美国的u r 在其o m e g a 装置上建立了激光实验数据采集和分 析处理系统和实验数