基于FPGA的射频腔体系统数学模型在线辨识算法

射频系统的数学模型包含了射频腔体的关键特征参数(如腔体半带宽、谐振频率和洛伦兹力失谐系数等),数学模型对腔体性能检测、控制系统仿真及低电平控制算法优化具有重要意义。网络分析仪通常用于测量射频系统的散射参数,进而构建射频系统的数学模型,但其测量步骤繁琐且无法实现系统模型的在线自动辨识。本文通过模拟网络分析仪的工作原理,在数字低电平系统内部构建了基于数控振荡器的扫频算法,实现了射频腔体系统的在线辨识。该算法的有效性已在加速器驱动嬗变研究装置前端示范样机的超导腔上验证,其测量结果与网络分析仪测量结果吻合。此外,本文利用该辨识算法还成功测得了由洛伦兹力失谐引起的超导腔频率响应畸变曲线,并讨论了洛伦兹力失谐量的大小对腔体关键特征参数测量的影响。

麦克风效应对CiADS超导腔稳定性影响的仿真分析

加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)对质子超导直线加速器提出了高稳定性要求,在工程设计阶段需对直线加速器的各种不稳定因素,特别是对超导腔的麦克风效应的影响进行评估.基于谐振系统的冲击响应模型,发展了一种离散化的电压迭代求解方法,并利用该方法构建了高频系统仿真程序,用于分析麦克风效应作用下超导腔的时变状态.通过仿真,研究了麦克风效应对腔体幅相稳定性的影响及与超导腔的谐振频率、Q值和带宽等参数的关系.结果表明,麦克风效应主要影响超导腔的相位稳定,其影响程度取决于麦克风振荡频率与腔的谐振频率、频率偏移量与腔体半带宽的比值.给出了满足CiADS直线加速器超导腔幅相稳定性指标(0.1%和0.1°)的麦克风振荡强度限值.

基于FPGA的高频低电平系统的研制与调试

为了使腔体在过束过程中,获得稳定的能量增益,研制了高频低电平系统,采用全数字技术,完成了对腔体工作频率、幅度与相位的精确反馈控制。通过现场测试与理论分析建立高频腔的物理模型,设计相应的PI控制器,并进行仿真验证,提升系统的稳定性,优化了调谐的精度与速度。高频低电平系统克服了高频回路中外部噪声、腔体机械形变、热形变对闭环回路、幅度、相位造成的影响。系统在室温环境下进行测试,在2h内控制腔体相位稳定度为±0.6°,幅度稳定为±0.8%,达到了设计要求。

增益和相位一致性对功率合成效率的影响

发射机在功率合成的时候,由于各固态功率源模块间存在着增益和相位的差异,会导致功率合成效率的下降。针对这一问题,本文通过建立增益和相位的一致性对功率合成效率影响的模型,并结合MATLAB软件进行计算模拟,得到不同增益和相位分布下的最低合成效率分布,为发射机功率合成系统设计提供了具体的相位和增益指标,并为发射机的评估和验收提供了有力的理论依据。

固态功率源功放模块反射功率过荷分析

中国加速器驱动次临界系统(Chinese Accelerator Driven Sub-critical System,C-ADS)注入器II超导直线加速器采用固态功率源驱动常温加速结构和超导腔,运行中出现了功率源的功放模块因反射功率过荷而损坏的现象。为此研究了反射功率在模块间的分配与功率合成网络S参数以及模块输出状态的关系。结果表明:如果个别功放模块无功率输出,合成失衡会导致反射功率在模块间的不平衡分布,部分模块承受的反射功率将超过其实际承受能力。对于一级合成的功率源,只有失效模块承受的反射功率可能超限;对于多级合成的功率源,失效模块以及同一合成支路的正常模块均存在反射功率过荷的可能性。

一种矩形腔式高功率合成器的设计

研究了一种基于矩形腔式功率合成的射频高功率合成器。该合成器可以实现功放模块与合成器的直接耦合,合成效率高,功率容量大,且功率容量可调,可以很好地满足目前CiADS中对固态发射机功率容量的梯度要求。12合1矩形腔式功率合成器仿真结果表明,合成器各输入端到输出端的幅度传输和相位传输具有很好的一致性,最大偏差分别在0.05 dB和0.5°以内,调节功放模块数量可以调节发射机的功率容量。

强流质子直线加速器高频数据系统设计

为满足加速器驱动嫗变研究装置中强流质子直线加速器对于高频系统故障分析和运行状态监测的需求,本课题采用Java及Redis,分布式集群等技术设计了高速数据的存储分析系统。该系统实现了数据的网络获取、实时缓存及处理、超限数据筛选、时域和频域波形的实时显示等功能,通过主从复制、读写分离和Redis Sentinel保证整个系统的可靠性和数据的安全性。

非PLL相位平均型参考线原型验证

射频相位参考线是粒子加速器的重要组成部分之一,为射频低电平控制系统(LLRF)、束流诊断系统、定时系统等提供稳定的相位锁定参考信号。为减少远距离传输过程中由环境温度变化导致的射频传输线中的射频相位漂移,多个加速器装置中已经采用射频相位参考线提供射频相位参考,这些相位参考的实现方案主要是基于恒温控制和基于光纤锁相。与这些方案相比,采用相位平均方法不仅可以保持长距离节点之间的相位稳定,而且更易于现场安装与维护。现有的带有锁相环(PLL)的终端短路方式实现相位平均参考线的方案仍有一些节点数量限制等方面的不足,本文对相位平均参考线结构进行了去除PLL的简化设计并进行了验证,以期增加更多的相位分配节点以及降低对射频器件参数的要求。对非PLL的单端输入终端短路相位平均方案与两端输入各节点间互为参考的相位平均方案分别进行了实验测试,结果表明两者的相位RMS精度可以达到0.1°~0.3°。并对不同的相位平均实现方案中相位不稳定的产生原因进行了分析,结果表明,除环境温度外,同轴线缆材质、合成相位与幅度的不平衡合成等也是重要影响因素。

CiADS束流负载效应前馈补偿的仿真评估

在高功率超导质子直线加速器中,束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型,开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序,分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响,并在C-ADS注入器Ⅱ上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序,评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度,以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下,为满足超导腔中电磁场0.1%与0.1°的幅相稳定度指标,前馈时序抖动的偏差不能超过0.79μs,束流流强的直流偏差不能超过0.9%,并且给出了束流纹波的最大抖动幅值与纹波频率之间的关系。这些结果将为CiADS超导直线加速器相关子系统技术指标的确定提供依据。