離子阱電源系統(tǒng)的研制.pdf

1、離子阱技術(shù)被普遍使用在對原子頻標(biāo)、量子計算、質(zhì)譜學(xué)等微觀粒子領(lǐng)域的研究。離子阱種類繁多，Paul阱由于其先進(jìn)性能被廣泛使用。而Paul阱基礎(chǔ)上發(fā)展來的線形Paul阱減小了Paul阱中囚禁多離子的“射頻加熱”問題，同時可通過調(diào)節(jié)軸向束縛勢改變被囚離子軸向位置，具有更廣泛的應(yīng)用。線形Paul阱正常工作離不開電源系統(tǒng)，本文正是為中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的線形Paul阱設(shè)計一套完整電源系統(tǒng)，即離子阱電源系統(tǒng)。
　　所設(shè)計的離子阱電源

2、系統(tǒng)包括直流電源和射頻電源，結(jié)合嵌入式平臺，實(shí)現(xiàn)電腦程控。本文分析了線形Paul阱的阻抗特性、工作特點(diǎn)以及對電源的關(guān)鍵參數(shù)要求，完成了電源的設(shè)計指標(biāo)、實(shí)現(xiàn)方案、電源系統(tǒng)研制、電源系統(tǒng)測試等。主要進(jìn)行了如下工作：
　?。?）電源設(shè)計指標(biāo)的提出。根據(jù)線形阱囚禁原理、離子運(yùn)動方程、勢阱深度，提出射頻電源的設(shè)計指標(biāo)：兩路對稱輸出，頻率2MHz~4MHz，電壓Vpp為0~800V，失真度小于1％。直流電源指標(biāo)：12路獨(dú)立輸出，有10V、50

3、0V、1000V三個量程，各量程內(nèi)電壓紋波小于1‰，電壓誤差不超過1%。同時電源系統(tǒng)必須程控，并具有顯示功能。
　　（2）方案設(shè)計。分析了離子阱的負(fù)載阻抗特性，結(jié)合電源指標(biāo)和操作簡單等設(shè)計原則，設(shè)計出由精密程控電源和程控射頻電源組成的電源系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)是構(gòu)成所研制的線形阱電源系統(tǒng)的兩大主體。軟件系統(tǒng)由上位機(jī)用戶層軟件和下位機(jī)控制軟件組成，通過PC機(jī)和單片機(jī)的通信來完成對電源的程控。精密程控電源硬件實(shí)現(xiàn)基于線性穩(wěn)壓電源電路

4、結(jié)合PI調(diào)節(jié)原理，達(dá)到輸出電壓可調(diào)節(jié)、紋波較小的要求。程控射頻源設(shè)計方案是將DDS輸出的小信號通過三級功率放大電路進(jìn)行功率放大，并通過寬頻匹配網(wǎng)絡(luò)、濾波器網(wǎng)絡(luò)，最后輸出頻譜干凈的對稱正弦波。
　　（3）電源系統(tǒng)的研制?；贛FC框架技術(shù)設(shè)計了用戶操作界面，并以dsPIC30F4011單片機(jī)為控制核心，搭建了電源的控制平臺，并設(shè)計出單片機(jī)控制的軟件系統(tǒng)。根據(jù)方案設(shè)計出精密程控電源的電路原理圖，器件選型，最后制作出電源。在射頻放大電路

5、的基本理論上，搭建了DDS信號產(chǎn)生電路，設(shè)計了三級放大電路結(jié)構(gòu)，討論了各級的原理圖、工作特點(diǎn)、功能、功率放大與合成手段，設(shè)計并制作了兩個級聯(lián)的1:4傳輸線變壓器阻抗變換電路，達(dá)到了寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)和升壓變換的目的，并且通過7階切比雪夫?yàn)V波器得到了失真小的正弦波。射頻電源制作時考慮了電磁兼容性、輻射屏蔽、大功率元件散熱、PCB布局布線等問題。
　?。?）電源系統(tǒng)測試。在搭建好的電源平臺上進(jìn)行了軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)連機(jī)整體測試，檢測了由人工