himm束流诊断前端控制系统的设计与实现

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1、密级:________博士学位论文HIMM束流诊断前端控制系统的设计与实现作者姓名:李敏指导教师:原有进、研究员、近代物理研究所魏宝文、研究员、近代物理研究所学位类别:工学博士学科专业:核技术及应用研究所:中国科学院近代物理研究所二零一五年六月TheDesignandImplementationofFront-endControlSystemofBeamDiagnosticsforHIMMByLIMinADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentofthere

2、quirementForthedegreeofDoctorofScienceinEngineeringInstituteofModernPhysics,ChineseAcademyofSciencesJun,2015致谢致谢硕士毕业后从公司辗转到近代物理所进行工作，工作之余意识到为更好地做好本职工作，有必要提高自己的控制知识水平和科学研究能力，因此选择继续深造，攻读博士学位。转眼之间，博士学习生涯即将结束。谨借此机会，向在过去几年来帮助、鼓励过我的所有领导、同事和亲人献上我最诚挚的谢意。首先衷心地感谢我的导师原有进研究员对我的谆谆教诲和悉心关怀。本论文的完成得益于原老师对于

3、虚拟加速器、加速器控制系统的研究。原老师认真严谨的工作态度、求真务实的科研理念深刻的影响了我，从他身上不仅学到了很多知识、科研方法，更懂得了许多待人接物与为人处世的道理。其次特别感谢毛瑞士副研究员对本文的指导，在本课题的硬件选型、架构设计方面给予了全面的指导。同时，实验室测试以及现场问题定位过程中，依据其渊博的知识和丰富的经验给出建设性的建议；遇到技术难题时，出谋划策，很多时候陪我一起加班帮助定位分析问题。在此对在我工作、学习和生活中给予的帮助和支持表示衷心的感谢。感谢张玮老师、高大庆老师、苏弘老师、王彦瑜老师、杨晓东老师，魏宝文老师对我博士论文方向和工作的建议和指导。感谢

4、在C-ADS项目工作期间何源老师、武军霞老师在工作、生活上的帮助和支持。感谢同事赵江、杨峰、安石、刘军科、刘晓军、常建军多次在控制方面的沟通和交流，和他们的交流使我受益匪浅。感谢同事赵铁成和徐治国在我工作和生活上的热情帮助；感谢同事李维龙和李生鹏帮我分担的大量工作，尤其博士论文编写期间帮我承担的工作；感谢赵祖龙、冯永春、康新才、王延谋、马维年、宋海宏、董金梅、尹炎、骆宏同事在工作上给予我巨大的帮助。感谢人事教育处的华明漪老师，李明治老师和梁敏乐老师在我读博期间提供致谢的指导和帮助。感谢美国国家仪器公司相关人员在学习期间给予的技术上的支持和帮助，尤其系统工程师李遥在学习期间所

5、提供的技术上的巨大支持与帮助，以及在系统设计方面提出的建议。特别感谢我的丈夫李朋，他在加速器物理设计、加速器运行方面的知识积累极大的有助于本课题的完成，他在生活上的照顾使我能够有充沛的精力完成学业，他在精神方面的鼓励使我有信心完成博士读书生涯。尤其是他善解人意、细心体贴的性格，让我时时刻刻感受到家的温暖。感谢父母的支持、理解和鼓励。最后，祝福所有帮助我的人健康快乐幸福。李敏2015年6月摘要摘要本文以重离子医疗加速器（HIMM）束流诊断前端控制系统为研究对象，设计了该系统的标准三层架构，并基于控制系统硬件选型实现了软件架构的模块化开发，在RIBLL2和回旋加速器进行了控制系

6、统的在束测试。根据束诊探测器的工作原理及其前端电子学输出信号特点，分析了束诊控制系统的设计原则，并由此确定了HIMM束诊前端控制系统硬件选型特点，描述了该系统所选的硬件类型。系统硬件设备基于FPGA和VxWorks实时操作系统，相比HIRFL目前束诊前端控制系统的基于串口和单片机的控制设备，FPGA的应用可实现精确定时、触发、控制、同步以及自定义高速通信协议需求，实时操作系统则可保证实现确定性的控制、数据分析和记录；支持将来精确定时和快速束流反馈应用的开发。束流诊断控制系统软件架构实现了模块化的设计和开发，该软件架构以消息中心模块为主体，通过生产者-消费者设计模式和消息机制

7、将其他模块组织起来，实现具体应用。模块化的设计使得HIMM束诊前端控制系统类似项目能够实现透明的快速代码移植。该软件架构实现了基于XML配置文件的自动化的OPCUA变量发布，并验证了OPCUA变量访问数据库的可行性。统一的束诊上位机用户界面可以保证加速器调试期间的束诊设备的正常工作并减少物理人员在HIRFL项目使用远程桌面等方式的频繁操作。利用上述架构开发的部分应用进行了在束测量并分析了实验数据，现场测试结果进一步验证了HIMM束诊前端控制系统的可用性、可扩展性和可移植性。本论文的工作为重离子治癌项目的顺利进展提供