快循环同步加速器射频加速电压幅度的数字化控制

 中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器（RCS）中的射频低电平控制系统是基于FPGA的全数字控制系统,旨在完成对射频频率、加速电压和同步加速相位的控制。介绍了CSNS/RCS射频系统的低电平数字化控制设计方案,并着重对射频加速电压幅度控制回路进行了分析与讨论。电压幅度控制环路通过射频电压幅度信号与电压幅度设定值的比较,得到误差信号。误差信号经过控制器来控制输入到射频腔的功率,以达到稳定和改变腔压的目的。通过对控制对象的分析和建模,得到了满足系统要求的控制器。详细介绍了数字系统的实现,尤其是信号的解调和控制算法的实现。用ALTERA公司的DSP builder进行数字控制系统开发,系统仿真结果表明,环路误差信号大约于10 μs（400个系统时钟）后归于0,整个电压幅度控制环路能稳定运行。     

中国散裂中子源直线射频低电平远程控制软件研制

中国散裂中子源一期工程的直线加速器,共有8套数字化射频低电平控制单元,射频低电平的本地控制属于EPICS的异构系统,无法直接与EPICS客户端进行通信。通过在射频低电平本地控制上位机程序中嵌入一个C#类型的EPICS服务器程序,实现了使用EPICS客户端对射频低电平系统的远程控制, 从而把射频低电平控制系统接入基于EPICS框架的控制系统中。直线射频低电平远程控制投入在线运行以来,运行稳定可靠。     

100MeV强流回旋加速器射频数字低电平系统研制

介绍了100MeV射频低电平控制系统的设计及其桌面实验的组成. 通过实测, 验证了他激模式下幅度控制环路和相位控制环路中实现数字式控制的可行性. 初步测试数据及调试过程均表明数字式控制可用于100MeV回旋加速器的射频低电平控制系统.     

CSNS LINAC低电平射频控制系统软件设计

低电平射频控制系统主要用于对加速腔的高频场和谐振频率的控制,保证加速器的稳定运行并输出高品质的束流.低电平控制系统软件提供可视化操作界面,实现数据显示和存储、自动化算法等功能,提高了低电平系统的可操作性,减少了人工作业量和故障率.软件开发具有灵活性强、开发周期短的特点,适合控制速度要求相对不高而逻辑较为复杂的功能开发....     

强流重离子RFQ加速器高频反馈控制研究

低能量强流重离子直线加速器装置(LEAF)是一台面向核天体物理、原子物理与材料辐照等多学科研究的强流高电荷态重离子直线加速器,由中国科学院近代物理研究所承担建设。LEAF强流离子束加速主要通过一台四翼型连续波RFQ实现,为实现其腔体各种复杂工况下的频率、幅度及相位的稳定控制,高频控制系统采用数字化低电平的方案。此低电平系统针对LEAF-RFQ的特殊要求开发了自动跟踪频率、双路功率源驱动、混合离子束快速切换相位等独特功能,实现了稳定地载束运行。同时,利用上位机程序实现了腔体的一键自动操作。     

强流质子RFQ加速器高频数字低电平控制系统

强流质子RFQ加速器加速场的频率为352.2 MHz,加速场幅度和相位的精度分别要求控制在±1%和±1°的范围,为了达到这一要求,设计了一套数字低电平控制系统,该系统包括加速场的幅度和相位控制、腔体的谐振频率控制和高功率射频连锁保护3个部分。腔体采样信号的下变频及反馈激励信号的上变频由模拟器件来完成。幅相实时反馈处理过程采用数字I/Q解调的方法,在1块stratixⅡ的FPGA板上实现,板上另有3块DSP用于通信和协助FPGA进行数据处理。系统完成后与RFQ加速器进行联机调试,测试结果基本满足控制精度的要求。     

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。     

兰州冷却储存实验环高可靠性低电平控制系统

为控制高频加速腔体产生具有稳定的幅度、相位和频率的射频加速电场,设计了实验环高频低电平控制系统。为保证控制的稳定性、可靠性和实时性,系统各功能模块以硬件模拟电路为主体,同时为了协调控制各功能模块的工作并补偿某些功能模块的非线性误差,增加了数字模块。该系统由相位稳定、幅度稳定和频率调谐3个子系统组成,采用高频鉴相、PID控制、DSP和FPGA等技术。目前,控制系统通过了长期稳定性的实验和高功率实验,幅度控制精度±3%,相位控制精度±2°,频率调谐精度±5°。     

SSRF高频低电平系统

整个高频系统包括谐振加速腔、高频功率源和180kW发射机、低电平控制与连锁保护.高频工作频率为499.65MHz.SSRF 500MHz低电平控制系统由信号源、反馈控制回路(频率调谐环路、相位控制环路、幅度控制环路)和连锁保护等构成.加速器高频腔控制系统的稳定性是加速器设计中一项重要指标,特别是在高流强条件下,更是对高频的稳定性提出了较高的要求.如何在加速器中合理地利用先进技术,是整机工作在稳定可靠而又易于控制的状态是低电平系统分析与设计的任务.由于高频系统庞大,低电平控制的对象复杂,作为加速器高频系统中的控制,无论其基础理论还是电子线路,在其各自的领域中都属于比较成熟的东西,但将他们结合起来,组成一个系统并要求系统性能最优,也有一些特殊的难度和要求.例如强束流与加速腔之间的耦合,用腔到束流的传递函数来描述,都是其他系统控制领域中所没有的问题,又要考虑几百千瓦的微波功率器件,它们之间还存在着复杂的耦合,这都增加了系统设计的难度.同时各种回路组成系统时,随机产生的干扰信号也是必须考虑的因素.SSRF系统对低电平控制的要求:1)使各腔间电压相位一致;2)使总加速电压和幅度稳定;3)使腔的频率正确调谐;4)发生异常状态时,保证设备的安全连锁.本文介绍了这个系统的构成和原理、技术指标、安装调试和测试结果     

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。     

Studies of dual-harmonic acceleration at CSNS-Ⅱ

The Rapid Cycling Synchrotron(RCS) of the China Spallation Neutron Source(CSNS) complex is designed to provide 1.56×1013 protons per pulse(ppp) during the initial stage,and it is upgradeable to 3.12×1013 ppp during the second stage and 6.24×1013 ppp during the ultimate stage.The high beam intensity in the RCS requires alleviation of space charge effects to reduce beam losses,which is key in such high beam power accelerators.With higher intensities in the upgrading phases,a dual-harmonic RF system is planned to produce flat-topped bunches that are useful to reduce the space charge effects.We have studied different schemes to apply the dual-harmonic acceleration in CSNS-,and have calculated the main parameters of the RF systems,which are presented in this paper.     

FPGA-based amplitude and phase detection in DLLRF

The new generation particle accelerator requires a highly stable radio frequency（RF） system. The stability of the RF system is realized by the Low Level RF（LLRF） subsystem which controls the amplitude and phase of the RF signal. The detection of the RF signal＇s amplitude and phase is fundamental to LLRF controls. High-speed ADC（Analog to Digital Converter） ,DAC（Digital to Analog Converter） and FPGA（Field Programmable Gate Array） play very important roles in digital LLRF control systems. This paper describes the implementation of real-time amplitude and phase detection based of the FPGA with an analysis of the main factors that affect the detection accuracy such as jitter,algorithm＇s defects and non-linearity of devices,which is helpful for future work on high precision detection and control.     

FPGA-based amplitude and phase detection in DLLRF

The new generation particle accelerator requires a highly stable radio frequency (RF) system. The stability of the RF system is realized by the Low Level RF (LLRF) subsystem which controls the amplitude and phase of the RF signal. The detection of the RF signal's amplitude and phase is fundamental to LLRF controls. High-speed ADC (Analog to Digital Converter), DAC (Digital to Analog Converter) and FPGA (Field Programmable Gate Array) play very important roles in digital LLRF control systems. This paper describes the implementation of real-time amplitude and phase detection based of the FPGA with an analysis of the main factors that affect the detection accuracy such as jitter, algorithm's defects and non-linearity of devices, which is helpful for future work on high precision detection and control.     

CSNS/RCS环射频腔用铁氧体环测试系统研制

为测试环射频铁氧体加载同轴谐振腔中铁氧体环的性能和批量筛选铁氧体环,研制了铁氧体双环测量系统。与国内外同类设备相比,该系统采用了扫频测量的闭环控制,可以模拟射频腔的运行工况、实现对铁氧体环性能的动态测量。扫频范围测量结果表明:该测试系统满足在0~3 000 A偏流调谐范围内的1.02~2.44 MHz频率覆盖要求,固定频率点的高功率测量结果和材料性能参数与日本J-PARC测量数据吻合。     

Design and evaluation of a downconverter based on MicroTCA.4

Modern low-level RF(LLRF) control systems of particle accelerators are designed to achieve extremely precise field amplitude and phase regulation inside the accelerating cavities. The RF field signal is usually converted to an intermediate frequency(IF) before being sampled by ADC. As the down-conversion is an important procedure of digital signal processing in LLRF system, designing a high performance and broad band downconverter compatible with various accelerators is important. In this paper, the design of a downconverter based on Micro TCA and its performance evaluation on different frequency points are presented. The major design objective of this module is a wider operating frequency range and more flexibility in application.     

A digital low-level radio-frequency system R&D for a 1.3 GHz nine-cell cavity

To test and verify the performance of the digital low-level radio-frequency (LLRF) and tuner system designed by the IHEP RF group, an experimental platform with a retired KEK 1.3 GHz nine-cell cavity is set up. A radio-frequency (RF) field is established successfully in the cavity and the frequency of the cavity is locked by the tuner in ±0.5° (about ±1.2 kHz) at room temperature. The digital LLRF system performs well in a five-hour experiment, and the results show that the system achieves field stability at amplitude <0.1% (peak to peak) and phase <0.1° (peak to peak). This index satisfies the requirements of the International Linear Collider (ILC), and this paper describes this closed-loop experiment of the LLRF system.