HIAF-Kicker電源通信系統設計與實現

劉 艷 高大慶 張華劍 李繼強 高 杰 上官靖斌 李明睿 金雪劍

1（中國科學院近代物理研究所 蘭州 730000）

2（中國科學院大學 北京 100049）

Kicker電源是強流重離子加速器（High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility，HIAF）實現束流快速注入引出的關鍵設備之一。HIAF-Kicker電源由多個Kicker電源模塊組成，電源模塊全部放置在加速器隧道外電源間內，通過傳輸電纜與負載磁鐵相連接。單模塊Kicker電源采用氫閘流管作為放電開關和脈沖形成網絡（Pulse Formed Net，PFN）結合固態馬克斯（Marx）發生器技術［1］的兩種方案來獲得脈沖勵磁電流，單模塊電源工作方式如圖1所示。

圖1 HIAF-Kicker單模塊電源工作框圖Fig.1 The working block diagram of HIAF-Kicker single module

HIAF-Kicker電源對通信系統提出了以下要求：

1）單個雙極性固態PFN-Marx發生器中絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）數量龐大，目前使用64個，之后最大擴充至160個。Kicker電源通信系統需要通過網絡將上位機設定的160路IGBT的周期、延時、脈寬控制參數（大小約1.875 KB）精確下發至每個IGBT開關，完成多路開關的驅動控制。

2）HIAF-Kicker電源輸出波形速度快，上升、下降時間在幾十納秒到百納秒范圍內，平頂寬度約為幾個微秒。HIAF計劃采用2.5 GSPS采樣率、12 bit精度的單通道模/數轉換（Analog-to-Digital Converter，ADC）采集卡對每臺Kicker電源波形進行采集，并將多臺Kicker波形數據在控制器匯總后通過通信系統回讀至上位機。為了縮減數據量，高速采集卡擬采用截取包含波形脈沖及其前后部分進行傳輸的方案，截取波形部分不超過周期的千分之一，即單個Kicker采集卡每秒獲得有效數據量最大約3.6 MB。根據HIAF設計要求，單個電源間內的Kicker電源最多為13臺，因此通信系統每秒回讀的最大波形數據量為46.8 MB，即傳輸速率為374.4 Mbps。……