上海光源500MHz超导腔水平测试

上海光源是能量为3.5 GeV的第三代先进中能同步辐射光源,其储存环上安装了三台超导高频腔补偿电子因同步辐射等原因丢失的能量。为保障上海光源的长期稳定高效运行,中国科学院上海应用物理研究所和上海市低温超导高频腔技术重点实验室共同研制了具备低高次模损失参数和可承受更高入射功率的新型500 MHz超导腔,作为上海光源在线运行超导高频腔的备用腔。超导铌腔经低温垂直测试达到所需加速性能后,需要与高功率输入耦合器、高次模吸收器、低温恒温器等集成并完成水平测试,获得超导腔模组的加速性能、低温性能和真空性能。介绍了超导腔备用腔的研制、集成和测试过程,采用文丘里(Venturi)校准法获得模组的静态功耗反应模组的低温性能,并通过高功率测试获得了超导腔备用腔模组的加速性能。测试结果表明:自主研制的500 MHz超导腔备用腔满足上海光源的工作需求,在超导腔的加速腔压为2.0 MV时,无载品质因数为1.2×109@4.2 K,且低温模组的静态热损耗为36.1 W。

上海光源谐波腔系统的前端变频模块方案设计

上海光源是第三代同步辐射光源。在上海光源的二期工程中,超导三次谐波腔将用于拉伸束团长度,提升束流托歇克寿命。三次谐波腔工作在被动模式下,谐波腔工作频率(约1.5 GHz)为主腔工作频率(约500 MHz)的三倍。为实现谐波腔高频系统的调谐控制,需要对1.5 GHz信号进行下变频处理,便于后端对信号采样处理。本文介绍了三种下变频的方案,将1.5 GHz射频信号降频为31.25 MHz中频信号,分析了各个方案的特点和影响下变频结果的因素。测试结果显示:三种变频方案在不同的动态范围具有良好的线性,均已满足谐波腔控制需求。其中基于倍频器的变频模块为最优方案,其线性动态区间大于70 dB,同时产生的中频信号的相位噪声最低,最终将在谐波腔的控制系统中采用。

1500MHz5-cell超导腔的仿真优化

能量回收直线加速器技术是近年来一项重要技术。针对能量回收直线加速器的主直线加速器,本文使用多种射频软件优化设计了一种新型的1 500 MHz 5-cell超导腔。该腔加速模TM010的R/Q值达到550Ω,可以有效降低低温损耗。该腔的端cell采用扩大束管传输有害高次模方案将高次模传输出超导腔,良好地抑制了高次模。新腔型保持了较低的表面峰值场强与平均加速梯度的比值:Epk/Eacc=2.06,Bpk/Eacc=4.22 m T/(MV·m-1),避免了场致发射的风险,并且在中等加速梯度区域(15-20 MV·m-1)无二次电子倍增现象。模拟结果显示,该超导腔能够满足连续波、准连续波或高重复频率稳定运行的要求。

三次谐波超导腔高次模抑制研究

对上海同步辐射装置中超导三次谐波腔开展了高次模深度抑制研究。分析了上海光源对三次谐波腔高次模的抑制要求,用电磁场计算软件SEAFISH作高次模吸收器长度、安装位置等参数的模拟计算和优化设计,以深度抑制各有害高次模,使高次模的分路阻抗降至能满足束团不稳定性阈值的要求。用ABCI计算得到了谐波腔的高次模功耗理论值。

1.5GHz超导加速腔双输入耦合器研究

本实验室设计的1.5 GHz 5-cell超导腔设计工作加速梯度为15-20 MV·m^(-1),至少需要使用两支输入耦合器才能满足高流强运行要求。借助三维电磁仿真模拟软件CST(Computer Simulation Technology),完成了相应的输入耦合器的电磁仿真,驻波比小于1.05的频带宽度达到18 MHz。从理论上计算加速腔双端口功率馈入,并通过铜腔双输入实验进行验证。结果表明,当两端均为欠耦合时,双输入对每个端口耦合度起到增强的作用;但当两者均为过耦合且差异较大时,耦合度小的一端则被减弱,甚至出现欠耦合的情况。对横向力场的计算显示,即使插入深度相差1 mm,使用双输入耦合器所引起的横向作用力仍比使用单耦合器情况小一个量级。

基于I/Q解调原理的校准方法及实验

同相/正交(In-phase/Quadrature,I/Q)解调技术广泛应用于射频信号相位控制系统。I/Q器件存在固有误差,如直流偏置、幅度不平衡、相位不平衡和电路长度不等。这些误差会导致输出的I/Q轨迹呈椭圆,相位为非线性,影响相位鉴别的精度。为减小误差带来的影响,提出一种基于I/Q解调技术的软件校准方法,并将此方法在自制基于贴片式芯片集成的I/Q解调印刷电路板上验证。测试表明,输出的I/Q信号经校准后相位误差≤±0.15°,幅度稳定度≤±1%,通道延时≤10 ns。此板卡设计和校准方法已在新升级的上海光源储存环高频束流丢失分析系统中的射频信号前端预处理中使用,各项指标均满足束流丢失分析系统中射频信号监测的要求。

基于FPGA的多cell腔的场平坦度控制

在多cell腔的场平坦度控制处理中,最重要的算法为除法运算,而传统整数除法算法采用多次相减和移位的方法来实现,其算法存在以下缺点:相减运算消耗大量时钟即"吃时钟"、每完成一次算法所需时钟周期不固定以及此算法在实际工程中不能有效工作。针对传统整数除法器的弊端,提出一种基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的循环型不可恢复除法器。设计的循环型不可恢复除法器通过改善程序结构和优化时序,实现除法运算速度的提高和固定运算所需时钟周期的目的。此算法通过Quartus II编译和综合,以及仿真工具Model Sim的仿真验证,达到预期功能效果,同时在上海光源增强器高频数字低电平控制器中被采用,实现场平坦度稳定度在±1.3%以内,完成每次运算所需35个时钟周期,优于设计指标。

基于响应矩阵的RFQ新调谐算法的验证与实现

射频四极场加速器(Radio Frequency Quadrupole,RFQ)广泛应用于质子加速器装置中,高频率、紧凑型RFQ的发展可以推动质子加速器装置的小型化,同时也面临调谐困难的问题。紧凑型RFQ的性能对腔体尺寸的敏感度高,基于理论物理特性的传统调谐算法难以取得良好效果,而基于腔体实际物理特性的调谐算法则可以解决紧凑型RFQ的调谐难点。本文提出了一种基于响应矩阵和最小二乘法的调谐算法,该算法可以限定求解的范围,避免计算结果超出调谐器可调谐范围的问题;为二极场分量赋予权重,可以高效地降低二极场误差,解决二极场分量难以调谐的问题。根据新的调谐算法分别在模拟环境下的RFQ样机上完成了调谐实验,在搭建的测量平台获得的结果显示:初始状态下二、四极场误差分别为24.09%和1.57%,经过5次调谐后两者误差分别降为2.33%和1.39%,验证了调谐算法的有效性。该调谐算法具有普适性,也可以用于其他频率的RFQ,将来还可以促进质子加速器装置的小型化,推动医用质子装置的普及。

数字化LLRF频调环路的步进电机控制算法设计

本文介绍用于超导高频腔频率调谐环路控制中具有自动联锁保护功能的二相步进电机的控制算法。设计以可编程门阵列(FPGA)为核心部件,采用低频启动,逐步升频过渡到稳定工作状态,实现步进电机的平稳运行;通过设置联锁控制信号回路,实现步进电机在运动过程中的超限自动联锁保护功能。测试结果显示,通过优化设置不同的启动频率,不同的升频速度,实现了步进电机在上海光源超导高频腔上的稳定运行。

适用于SSRF的高性能频率合成源设计与实现

主信号源是高频数字化低电平控制系统(Low Level Radio Frequency,LLRF)的重要组成部分,它不仅用于产生高稳定度的参考信号,还用于产生控制系统所需的高精度工作时钟,其性能是高频系统性能的重要保障。本文以上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)的主信号源作为研究对象,通过采用锁相环技术和直接模拟合成技术实现了500 MHz的单频信号源。实验测试结果显示:两种技术分别实现了-125 dBc/Hz@1 kHz和-132 d Bc/Hz@1 k Hz的相位噪声,均满足上海光源高频系统对信号源的性能要求。