1.3 GHz连续波超导射频腔的数字低电平射频系统和腔模拟器设计及测试

1.3 GHz连续波超导射频腔需要高精度低电平射频(LLRF)系统来稳定超导腔的电磁场。但由于1.3 GHz CW射频腔的高负载品质因数和宽电磁频段,射频腔在频域中的电磁带宽较小。射频功率源与射频腔体之间的微小电磁频率差异易造成发生器驱动谐振器控制系统的不稳定,最终导致腔体电磁场的变化。开发了一种自激环控制系统,以防止“有质”不稳定性的发生,并补偿微噪声的影响。此外,还开发了数字1.3 GHz射频腔体模拟器,用于验证LLRF系统的设计算法。测试表明,即使在射频腔失谐5 Hz时,自激励控制系统也能确保腔场的稳定性。经过对比,验证了1.3 GHz射频腔体模拟器是测试新算法的可靠平台。

HIRFL-CSRE脉冲堆积式高频数字低电平系统

为突破传统束流堆积方式瓶颈、提高重离子流强,兰州重离子加速器冷却储存实验环(HIRFLCSRe)将采用移动式脉冲堆积方案(Moving Barrier Bucket)。该方案要求高频系统能产生高精度的单正弦电压,然而由于Barrier Bucket(BB)电压的宽带特性以及高频系统的非线性,高频腔内的BB电压存在着严重的失真问题。针对此问题,在全面分析了BB电压波形特性以及高频系统的频率响应的基础上,设计了BB电压预失真前馈控制方案,并详细描述了该方案的原理、仿真、软硬件设计以及实际测试结果。研究成果将应用于HIRFLCSRe的BB束流堆积实验以及十二五强流重离子加速器(HIAF)的BB堆积模式。

S波段直线加速器数字低电平系统研制

S波段直线加速器在国内外加速器实验室,包括合肥光源都有广泛的应用,低电平系统作为直线加速器微波系统的重要组成部分,对束流的稳定性有重要影响,基于此本文研制了S波段直线加速器数字低电平系统。从系统架构和硬件设计、控制算法和软件设计、性能测试3个方面对自研数字低电平系统进行了介绍。自研低电平系统包括信号源、频率综合系统和中频信号处理器。信号源和频率综合系统实现了多路低相噪信号输出;自研低电平中频信号处理器采用国产芯片,并增加了ST光口触发以及SFP通信等功能,提高了系统抗干扰和数据传输能力。系统采用IQ正交解调及Cordic幅度相位转换等算法,用于PI闭环控制,并基于EPICS开发了相关控制软件和人机界面。离线实验表明,自研低电平系统的短期幅度稳定度优于0.01%,短期相位稳定度优于0.01°;在线束流实验显示,加速腔内的闭环相位稳定度在0.1°左右;自研低电平系统部分替换了合肥光源用户装置直线注入器的进口低电平系统,作为在线设备,实现了长期稳定运行。

中国散裂中子源/快循环同步加速器束流负载效应的补偿

针对强流质子同步加速器中的束流负载效应,基于中国散裂中子源/快循环同步加速器射频系统样机,在不降低腔体Q值的前提下,以数字化低电平控制为主要技术手段,对束流负载效应进行补偿。提出完整的由多控制环路组成的束流负载效应补偿方案。该方案主要由引入自适应算法的束流前馈和高带宽低延时的射频直接反馈,以及在束流负载下对腔体谐振状态进行控制的腔体预失谐和动态调谐等组成。

用于回旋加速器射频低电平系统的通用DSP固件程序设计

针对回旋加速器射频系统幅度、相位、启动逻辑、联锁保护、在线参数修改等控制需求,编写了一种基于有限状态机的通用DSP固件程序。该固件程序将射频系统启动过程划分为5个状态:封锁RF信号、搜索腔体谐振点、提升射频功率、匹配相位、幅相闭环控制。该固件程序通过串口与本地上位机和远程控制机进行实时通信,支持在线修改射频系统启动参数;采用异步事件驱动方式,实现对打火和反射功率过大等异常情况快速响应。该固件程序成功应用于CYCIAE-100回旋加速器射频低电平系统中,在CYCIAE-100回旋加速器调束过程中,完成了射频系统的启动控制和设备保护,满足加速器控制系统的需求。

用于回旋加速器低电平系统的通用软硬件系统设计与实现

针对回旋加速器射频系统幅度、相位、频率、自动启动逻辑、联锁保护、在线参数修改等控制需求,设计了一种用于回旋加速器低电平系统的软硬件系统。该系统的硬件基于ZYNQ系列FPGA和高速ADC及DAC。采用数字下变频技术实现了幅度、相位和调谐控制;采用数字电路实现了腔体打火的快速检测。幅度控制精度为0.015%,相位控制精度为0.04°。该系统充分发挥了数字低电平系统的全可编程优势,通过上位机修改参数即可适用于多种回旋加速器。

NSRL二期工程中储存环高频系统的改造

分析了合肥光源电子储存环原高频系统中存在的问题,详细介绍了高频发射机和功率传输系统的改进、新高频腔的研制和高频控制系统的完善,并给出了设计指标和测试结果.结果表明:技术参数达到和优于设计指标,能满足储存环的工作要求.

基于MTCA的HLS-Ⅱ直线加速器低电平系统改造

合肥光源(HLS-Ⅱ)在重大维修改造之后,其光源性能有了很大的提升。为了进一步实现连续、平稳地供光,需要对其进行恒流改造。恒流运行要求直线加速器的微波功率源有长期的稳定性与可靠性,旧的模拟低电平控制系统满足不了要求。本文基于微型电信计算平台(MTCA)设计实现了数字低电平控制系统,控制微波功率源的幅度和相位,它由以FPGA为核心的数字板卡、射频板卡、 MTCA机箱以及频率合成系统组成。该数字低电平系统工作在2 856 MHz的S波段,在线运行幅度稳定度达到0.04%,相位稳定度达到0.2°,满足恒流改造对直线加速器数字低电平系统0.25°相位抖动RMS值的相位精度要求。

1.3 GHz连续波超导射频腔的数字低电平系统和模拟腔研究

上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置的超导射频(Radio Frequency,RF)腔需要高精度射频低电平(Low Level Radio Frequency,LLRF)系统,以稳定腔场的幅度和相位。但是,由于1.3 GHz连续波超导射频腔的高负载品质因数,腔体在电磁频域中的带宽较小。在加速器老练或重启过程中,超导腔相对较小的失谐就会有较大的反射电压,触发联锁保护系统,导致腔体难以馈入功率。为此将自激励(Self-Excited Loop,SEL)控制系统被引入到低电平控制系统中,以防止这种情况的发生;同时把发生器驱动系统(Generator Driven Resonator,GDR)低电平控制系统加载到加速器正常工作状态。此外,开发了数字模拟腔用来验证LLRF系统的设计算法,减少了在真实腔体中测试损害腔体的风险,节省机器时间和调试成本。研究结果表明:即使腔体失谐,SEL控制系统依然可以使腔场幅度稳定到设定值,且反射电压较小。经过比较和验证,数字模拟腔被证明是测试新的低电平算法的可靠平台。

基于可编程逻辑阵列的速调管预失真模型

合肥红外自由电子激光(IR-FEL)是一个工作在中红外和远红外波段的自由电子激光装置,为达到其设计指标,需要使用低电平系统(LLRF)对加速腔内加速场的幅度和相位进行监测和控制。但是速调管的输入输出非线性特性,使得近饱和区控制增益降低,导致了反馈效率的降低。设计了基于可编程逻辑阵列(FPGA)的预失真模型对速调管的幅度非线性特性进行修正,并且对2048节点直接查找表算法和32节点线性插值查找表算法进行了比较和在线实验。比较结果显示,在准确度满足要求情况下,直接查找表算法比线性插值查找表算法延迟减少25%,并且资源消耗量要少于线性插值查找表算法。采用基于直接查找表算法的预失真模块在东芝E3729型号速调管上进行了反馈效率的比较,添加预失真模块后反馈效率提高了43%。

硼中子俘获治疗实验装置射频功率源系统

中国科学院高能物理研究所建造了一台基于加速器的硼中子俘获治疗(BNCT)实验装置。射频功率源系统为352.2 MHz射频四极加速器(RFQ)提供高频功率,使束流离开RFQ时,其能量达到3.5 MeV。BNCT射频功率源系统主要包括速调管功率源、数字低电平控制系统、射频传输系统。本文介绍了BNCT射频功率源系统,主要包括物理需求、系统组成、关键设备、安装和调试。目前该装置已进行动物实验,加速器打靶束流功率4.3 kW,加速器射频功率源系统运行稳定。

多线程通信方法在高频幅度控制中的应用

高频系统幅度控制环路开环时,束流将会在腔上引入与正常工作腔压可比的场,流强升高时束流要从腔上得到更多功率,此时腔自身消耗的功率保持不变,这就要求高频幅度控制发挥作用,满足束流和腔功率的要求。作为高频系统监控程序的一个组成部分,本文采用了多线程串口通信的方法实现了对SSRF高频系统激励电平的控制。

BEPCⅡ直线加速器相控系统设计研究(英文)

为了补偿由于各种因素引起的微波相位漂移 ,BEPCⅡ直线加速器需要建立微波相位反馈控制系统 .能量最大法将用来确定每台功率源的最佳相位 .沿直线加速器速调管长廊铺设相位稳定同轴线提供相位参考 .现在已经完成了关键部件 ,如PAD单元、IA单元的开发 .搭建了相控最小系统对系统进行了验证 .