Development and application of a synchronous timing system with sub-nanosecond delay resolution for accelerator devices
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摘要: 针对中国散裂中子源二期CSNS（China Spallation Neutron Source Phase II, CSNS-II）加速器众多预研设备的调试及离线运行需求，自主设计并研制了一套基于“高精度脉冲发生器+低抖动光纤传输链路”的同步时序系统，为各预研设备提供精准且符合物理设计需求的工作时序信号。在同步时序系统硬件方面，研制了具有高性价比的多功能时序信号总控板卡和终端接收板卡，实现了时序信号的严格同步和低抖动传输。同时，采用“超高速双向点对点数据传输+千兆多模SFP光模块”方案，实现基于高速串行传输链路的板间级联，以扩展输出通道数量。在同步时序系统上位机软件方面，采用“串口服务器 + PC soft IOC”方式实现了多功能时序信号总控板卡与实验物理与工业控制系统（Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS）之间的数据交互机制，实现远程精确配置同步时序信号的频率、延时、脉宽等参数。同步时序系统已成功投入CSNS-II加速器射频离子源等关键预研设备的调试和运行，并在长期运行中表现出稳定可靠的性能。此外，与商业产品相比，该同步时序系统在软硬件设计方面具备灵活性强、抗干扰能力高和通用性好的优点，为国内外粒子加速器设备的同步时序系统设计与实现提供了切实可行的技术参考。Abstract: In response to the timing requirements for the commissioning and offline operation of many pre-research equipments at the China Spallation Neutron Source Phase II (CSNS-II), a synchronous timing system has been designed and developed independently based on "high-precision timing generator + low-jitter fiber optical transmission link", which provides accurate triggers for the pre-research equipments in accordance with the physical design requirements. The hardware is mainly developed with cost-effective master boards and terminal boards, which realize strict synchronization and low-jitter transmission, meanwhile, the master board is also with the ability to expand the number of output channels by using multimode optical fiber to realize the cascade connection of the hardware boards through high-speed serial transmission links; the upper software adopts adopts the method of "Serial Server + PC soft IOC" to realise the data interaction mechanism between the master board and Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS), which can accurately configure the frequency, delay, pulse width and other parameters remotely. The synchronous timing system has been successfully used in the commissioning and operation of key pre-research equipments such as the radio frequency ion source of the CSNS-II, which has been operated stably and reliably for a long period of time. In addition, compared with commercial products, the synchronous timing system has the advantages of flexible design, strong anti-interference capability, and high versatility, which can provide a practical technical reference for the design and realisation of synchronous timing system for particle accelerator equipment at home and abroad.
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Key words:
- synchronous /
- FPGA /
- sub-nanosecond /
- high availability
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光导开关是一种具有快速响应时间（～ps）、低时间抖动（～ps）和高重复频率（MHz）的固态器件，可用于微波和毫米波发生器、高电压控制与传输以及大功率电力电子设备，具有广阔的应用前景[1-4]。相较于其他半导体材料，碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体，生产与工艺技术更加成熟，且具有高击穿场强、高饱和电子迁移率、高热导率等优秀特性[5-6]。碳化硅光导开关的重要应用场景之一是用于产生线性可调制微波[7-8]，2024年，国防科技大学曾玲珑采用堆叠型正对型SiC光导开关实现了0.5～1.8 GHz连续可调谐输出微波的结果，输出微波幅值可达102 kW，研究表明极间电容是限制主频上限的主要因素[9]。平面型器件由于具有低极间电容，因此该构型理论上可实现更高频率的微波输出，2022年，国防科技大学楚旭博士使用平面4H-SiC光导开关实现了0.5～10 GHz主频连续可调谐，验证了平面器件的主频上限高的特点[10]。在作为触发开关的研究领域，2005年，弗吉尼亚联邦大学的K.Zhu等人研究了高掺杂GaN外延层对碳化硅光导开关寿命的影响[11]。2015年，德克萨斯理工大学D. Mauch等人研究了碳化硅外延层和激光增强扩散对光导开关输出特性的影响，并分析了光导开关降级与损伤的主要因素[5]。相比其他构型，平面型器件具有可采用本征光触发的优点，光电转换效率更高[12]。本征光入射可分为正面入射与背面入射，背面光入射是一种功率容量更高的触发方式[13]，当前器件两种不同触发方式下的光电响应缺乏对比，且SiC对典型波长355 nm紫外光的吸收深度为48 μm，器件响应会受到衬底厚度严重影响，为此开展了本征光垂直背入射SiC光导开关的光电响应特性研究。
1. 仿真建模
采用半导体数值模拟软件Silvaco分析平面SiC光导开关的光电特性，数值仿真的原理是对半导体物理方程进行求解，求解的方程包括泊松方程、半导体输运方程和载流子连续性方程[14]。电场分布的求解通过计算泊松方程实现，连续性和输运方程描述电子和空穴密度由于输运过程、生成过程和复合过程而演化的方式。考虑的物理模型包括低场迁移率模型、平行电场迁移率模型、费米-狄拉克统计模型、俄歇复合模型、Selb碰撞电离模型以及Shockley-Read-Hall复合模型。在仿真中，氮浓度被设置为1×1015 cm−3，深受主浓度为1×1017 cm−3，电子空穴俘获截面为1.5×10−14 cm2[15]，触发激光波长为355 nm，仿真模拟电路和平面SiC光导开关示意图如图1所示，通过搭建50 Ω负载电阻
RL 与光导开关串联的回路，电极间距被设置为1 mm，以计算不同衬底厚度、不同入光方式下的光电流。2. 仿真结果与理论分析
为对比正面与背面光入射的光电流输出，首先应分析光束宽度对输出光电流的影响，从而得到输出光电流最大的光束宽度。当激光从器件背面触发且峰值光功率不变时，不同光束宽度对应不同光功率密度，因此光电流输出会不同。在仿真中，光束宽度被设置为1.0～1.8 mm，偏置电压为0.5 kV，峰值光功率被设置为10 kW、100 kW，衬底厚度被设置为50 μm。输出光电流幅值如图2所示，结果表明当光束宽度与电极间距相等时，电极下方衬底没有光生载流子产生，导致电极下方电阻不能产生较多的光生载流子，造成输出降低；当光束宽度为1.1 mm时，此时光束宽度稍大于电极间距（1 mm），此时电极下方区域电阻受光触发减小因而提升了输出光电流；但光束宽度继续扩大时，峰值光功率密度随着宽度变大而不断减小，输出光电流反而降低，因此在仿真中光束宽度采用1.1 mm以输出最大光电流。
图 2 不同光束宽度下光电流输出对比图Figure 2. Comparison of photocurrent output under different beam widths4H-SiC本征光吸收深度较浅，入射光波长为355 nm时对应吸收深度约48 μm[12]，采用背面光入射的光电流幅值会受衬底厚度显著影响，当衬底较厚时激光能量在衬底中迅速衰减，光生载流子分布在器件背面，无法在电极之间形成连续光生载流子通道，器件输出光电流较小。如图3（a）展示了不同峰值光功率（1 kW、10 kW、100 kW、1 MW）与不同衬底厚度下（50～300 μm）的光电流输出，当光峰值功率为10 kW时，50 μm与100 μm器件相比300 μm器件输出幅值分别降低了14%和5%，结果表明在50 μm-300 μm的衬底范围内，衬底厚度变化对正面入光器件的光电流幅值影响较小。图3（b）表明，衬底厚度小于100 μm内，衬底厚度对输出幅值影响较小，当峰值光功率为10 kW时，50 μm与100 μm输出变化不足5%；当衬底厚度大于100 μm，背面入光器件光电流迅速衰减，200 μm和300 μm相比50 μm输出幅值分别降低了60%和87%。因此，衬底厚度应被减薄到100 μm以内才能获得较大光电流响应，而衬底厚度对正面入光的触发方式影响较小，这是高导电区域均集中在表面的缘故。衬底厚度为50 μm时，不同峰值光功率下的仿真输出光电流如图4（a）所示，仿真结果表明，在峰值光功率为10～600 kW的条件下，背面光入射输出光电流显著高于正面光入射，其中40 kW峰值光功率下对应背面入光与正面入光的导通电阻分别为122 Ω和219 Ω，器件背面入光导通电阻减小44%。
图 3 不同衬底厚度下正面与背面入光光电流幅值对比Figure 3. Comparison of photocurrent amplitude under front and back illumination with different substrate thicknesses
图 4 10 kW峰值光功率下正面背面入光典型仿真波形与平面器件等效电路Figure 4. Typical simulation waveforms under front and back illumination with a 10 kW peak optical power and equivalent circuit of planar devices光导开关的导通电阻定义为
Ron=U0/Ipeak−RL (1) 式中：Ron为导通电阻，U0为偏置电压，Ipeak为光电流峰值，RL为负载电阻。当器件导通时，器件导通电阻随在激光辐照下迅速发生变化，平面器件导通电阻可被等效为三电阻串联(R1、R2、R3)，如图4（b）所示，此时导通电阻为
Ron=3∑m=1Rm∝3∑m=1nm(t)qmμm (2) 式中：R1和R3对应电极下方等效电阻，R2对应电极间等效电阻，n(t)为载流子浓度，q为电荷量，μ为载流子迁移率。当激光触发光导开关时，器件内部载流子主要为光生载流子，光生载流子浓度表示为
n(t)=e−t/τr∫t0P(t)νhcλ(1−R)(1−e−αd)e−t/τrdt (3) 式中：P(t)为峰值光功率，h为普朗克常数，c为真空中的光速，R为表面反射率，α为吸收系数，d为光吸收深度，τr为载流子寿命。进一步，导通电阻计算式为
R(t) = w2⋅hvP(t)τrμ(1−R)⋅(1−eαd)eη∝1P(t) (4) 式中：w为电极间距。由式（4）可知，器件导通电阻与峰值光功率呈反比。当激光从器件正面入射时，受电极遮挡影响，电极下方的衬底无触发光通过，光生载流子n(t)少，因此位于电极下方的R1与R3阻值较大，由式（2）可知器件导通电阻为R1、R2、R3叠加，因此器件导通电阻较大；反之，当器件采用背面入光的触发方式时，电极下方的R1和R3会受到与R2同等功率的激光辐照，因此产生接近浓度的光生载流子，R1和R3显著低于正面入光时的电阻，因而此时整体电阻较小。
不同的光入射方式会令器件内部光生载流子浓度分布发生变化，进而影响电势与电场的分布情况。其中器件内部电流分布如图5所示，图5（a）表明采用背面入光的触发方式时，器件强电流区多数集中于器件背面，分布较为均匀；而正面入光则集中于器件表面，背面由于光强的衰减，对光电流幅值贡献较小。取表面作参考线a、b，两条线上的电场与电流密度大小如图6所示。相同峰值光功率下，背面入光器件表面峰值电场与最大电流密度均小于正面入光器件，其中最大电场强度与最大电流密度较正面入光减小90%和54%。电极下方的光生载流子有效削弱了纵向电场，因而实现了电场削弱。已有研究表明表面强电场与热应力是造成器件击穿与损伤的决定性因素，强电场与大电流密度会严重影响器件寿命与功率容量，因此相同条件下，器件采用背面入光具有实现更高功率容量与器件寿命潜力。
图 6 器件表面电流密度与电场强度对比Figure 6. Comparison of surface current density and electric field intensity in devices3. 实验验证
搭建了平面光导开关测试平台以验证仿真结果，测试器件与电路示意图如图7所示，器件尺寸为11 mm×10 mm，电极间距1 mm，根据仿真计算，器件厚度被减薄至50 μm以获得较高输出。电路由直流电压源与0.5 nF高压电容器为电路供电，射频信号通过同轴连接器提取到示波器，触发激光波长为355 nm。
图 7 实验平台与测试器件示意图Figure 7. Schematic diagram of the test device and experimental platform实验中偏置电压被设置为500 V，峰值光功率被设置为10 kW、40 kW、200 kW、600 kW、1.6 MW、3 MW，器件被激光从正面以及背面分别触发，输出光电流幅值如图8（a）所示，结果表明在不同光功率下，背面入光器件均具有较高的输出光电流，与仿真结果一致，其中在10 kW、40 kW、200 kW峰值光功率下，相比正面入光，背面入光器件分别增长了50%、49%、33%。峰值功率40 kW激光触发下典型光电流波形如图8（b）所示，此时背面入光与正面入光导通电阻分别为127 Ω和218 Ω，采用背面入光的器件导通电阻相比正面入光减小42%，与仿真结果相近，进一步验证了器件背面触发具有高响应的特点。
4. 结 论
通过仿真与实验对本征光垂直背入射的平面SiC光导开关的光电流幅值响应进行了研究，仿真对比了光束宽度、衬底厚度、光峰值功率对器件所产生光电流幅值的影响，实验验证了器件本征光垂直背入射的高光电转换效率的优点。（1）背面入光器件衬底厚度在50～100 μm范围内具有较高光电流幅值。（2）器件背面入光能够有效降低表面电场与最大电流密度，具有实现大功率容量与高光电转换效率的潜力。（3）不同峰值光功率下，相比正面入光，器件背面入光均具有较高的光电流输出。
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图 1 直线chopper电源和RCS引出kicker电源时序示意图
Figure 1. Structure diagram of timing system for chopper and kicker
图 3 同步时序主逻辑板功能示意图及实物图
Figure 3. Schematic and physical diagram of the timing logic board
图 4 高性能有源晶振的PCB处理示意图及阻抗仿真结果
Figure 4. Diagram of PCB processing for high-performance active crystal oscillators
图 8 基于高速串行传输的时序同步方案示意图
Figure 8. Diagram of timing synchronization scheme based on high-speed serial transmission
图 9 基于高速串行传输的同步信号性能测试
Figure 9. Performance of synchronous signals based on high-speed serial transmission
图 10 同步时序系统现场安装、功能测试及与各设备联调
Figure 10. Installation and commissioning of timing system
图 11 射频离子源实验室平台的束流发射度测量
Figure 11. Emittance measurements on RF ion source laboratory platforms
表 1 射频离子源时序需求表
Table 1. Requirement of triggers for the RF Ion Source
frequency
setting/Hzjitter of trigger
signals/nsdelay range of
trigger signals/sdelay adjustment length
of trigger signalspulse width range
of trigger signals/spulse width adjustment
length of trigger signals1\5\25\50 ＜1 0～2 10 ns\1 μs\1 ms 0～2 10 ns\1 μs\1 ms 
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表 2 直线chopper电源和RCS引出kicker电源时序信号需求表
Table 2. Requirement of triggers for the RCS kicker and chopper
signal frequency/MHz transmission type transmission jitter/ns step of signal width/ns step of signal delay/ns 1.02 optical-fiber ＜1 1 1
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