同步加速器Barrier Bucket高频电压的研究

同步加速器Barrier Bucket高频系统用于克服空间电荷效应的影响,并对束团进行预压缩从而实现束团的多次累积来提高束流的流强。实现Barrier Bucket束流多次累积,要求在同步环高频加速腔上产生一个单正弦电压信号。针对单正弦波形的特点,讨论在同轴加载腔上产生该电压波形的方法和条件。通过对单正弦信号的频谱分析得出信号对加速腔高频系统的带宽要求,运用等效并联电路的方法并将同轴加载腔作线性时不变近似,求出输出的腔体电压与输入的激励电流间的关系。Barrier Bucket电压信号对加速腔整个高频系统的带宽要求至少应为单正弦频率的两倍。输入的激励电流为单正弦信号的基础上叠加上一个直流脉冲偏置,偏置大小为腔体Q值。最后,根据分析的结果在兰州重离子加速器冷却储存实验环（CSRe）高频系统的铁氧体加载腔和新研制的磁合金加载腔系统上进行测试,并对测试结果作相关讨论。     

重离子治疗装置同步加速器高频控制系统研制

重离子治疗对病灶周围健康组织损伤最小,对癌细胞杀伤效果最佳,是当代公认的先进有效的放疗方法。重离子Bragg峰与束流能量的关系要求重离子束能够在不同的能量间切换,需要加速器实现变能量加速。变能量加速的关键系统是同步加速器高频计算机控制系统;要求该系统能够根据光触发事例自动更换加速波形文件。该系统主要由三块基于PXI总线的FPGA板卡组成,采用了SOPC、DSP等技术,实现了波形文件的接收、插值及输出等功能。目前,控制系统经过长期稳定性试验,指标完全满足重离子治疗要求。Heavy ion therapy is the most advanced and effective method of radiotherapy. Because it has the advantage that it has minimal damage to surrounding healthy tissue and the greatest cancer celling killing effect. The relationship between heavy ion Bragg peak and beam energy requires the accelerator to switch the beam between different energy. The PXI RF control system plays an important role in Heavy Ion Medical Machine(HIMM). It can automatically change the waveform files according to the optical event. The system is mainly consisted by three FPGA cards, based on PXI bus, and mainly use the technology such as SOPC, DSP and so on. The PXI RF control system for HIMM has been tested through a long-term stability experiments, the system meets the proposed requirements.     

31.02 MHz回旋加速器谐振腔Dee电压的标定

中国科学院近代物理研究所医用重离子加速器(HIMM) 高频系统31.02 MHz回旋加速器谐振腔已完成设计加工和腔体的老炼,并投入正常运行。高频腔体的设计峰值Dee 电压要求达到70 kV,但是Dee 电压准确计算比较困难,可以通过CST 仿真软件对腔体进行模拟得到高频腔体的RP=Q0 值,结合输入到腔体的实际功率,计算出腔体的实际电压值。为了验证Dee 电压的准确性,在相同的腔体输入功率条件下,利用韧致辐射法测量腔体电压,测量结果与计算结果误差在0.6% 以内。The 31.02 MHz cyclotron RF system of Heavy Ion Medical Machine (HIMM) in IMP(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences) has completed the design and commssioning,and now has already been put into operation. Its peak voltage requires 70 kV, but the precise calculation of the Dee voltage is still a difficulty problem, we can get the value Rp/Q0 of the cavity by CST simulation, and then combining the actual input power for cavity to calculate the real Dee voltage. In order to verify its accuracy, we use the bremsstrahlung method to test the cavity voltage under the condition of same input power. The error between test results and calculation is less than 0.6%.     

基于DSP的程控阵列信号源设计

为了模拟复杂回波信号,设计一种程控阵列信号源;下位机采用数字信号处理芯片TMS320VC5502作为信号源的硬件平台核心,结合DDS技术采用软件编程的方法实现信号源的输出;通过设计通信接口以及定义通行协议,上位机通过操作PXI-6508模块,实现对阵列信号源的程控输出;实验表明,该阵列信号源能同步触发输出96路阵列信号,也能单独输出一路或几路信号,样点率达400kSa/s,输出信号种类有正弦波、方波、三正弦叠加波和调频波等波形。     

HIRFL高频腔体功率耦合匹配实验研究

 介绍了HIRFL主加速器SSC高频腔体功率馈入耦合匹配系统的研究，实验结果表明，通过改变耦合环角度可更好地实现高频腔体和高频发射机之间的匹配，提高了高频腔体电压和高频发射机的工作效率。     

同步辐射用高频腔的性能研究实验

基于合肥光源提供的铜制有源高频腔和上海光源提供的铌制超导无源高频腔,设计了可以测量高频腔性能参量的实验装置.以探针将微波信号馈入高频腔体中,通过网络分析仪接收到的信号分析微波在腔体中的谐振情况,从而测量腔体的特性.利用该实验装置测量了2个高频腔的谐振频率、品质因数和腔体中心轴线上的电场分布.     

100MeV负氢回旋加速器高频冷模腔的理论与实验研究

在回旋加速器中,高频系统为带电粒子加速提供能量,高频谐振腔作为高频系统中的关键部件,它性能的好坏直接决定着粒子是否能够被加速,所以,高频谐振腔的设计非常关键.在100MeV负氢回旋加速器的设计中,在空间限制的同时,要求加速电压从中心区的60kV到出引区的120kV变化,这对谐振腔的设计提出了很高的要求.基于上述条件,本工作利用有限差分法的软件CST MICR0wAVESTUDIO设计的双内杆结构的44MHz高频谐振腔初步设计完成,根据初步设计的结论,加工与实际腔体尺寸1:1模型,模型高频参数测量的结果与CST MICROWAVE STuDIO的计算相吻合,结果是可信的.     

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（HIRFL-CSRe）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HIRFL-CSRe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。     

无源LC传感器信号读取系统扫频源设计

针对连续快速的高频线性扫频信号源在无源LC传感器信号读取中的应用需求,设计并实现了0～400MHz任意频率段的线性扫频源系统。该系统的核心器件为直接数字频率合成器(DDS)AD9910,采用该芯片的RAM模式和数字斜坡模式,详细介绍各模式工作原理及寄存器的具体配置过程,并分别以这两种模式实现了输出扫频信号。测试结果表明,两种方式均可实现高频高速捷变稳定信号的连续扫频。该扫频源具有高精度、稳定性好、频率捷变快和小型化的等特,为LC传感器的工程应用提供技术基础。     

HIRFL注入器高频腔体与高频机的匹配

 叙述了兰州重离子加速器注入器(SFC)高频系统的200 kW高频机与高频腔体的功率匹配，匹配测量系统的工作原理，以及对匹配系统的改进和完善，并对高频腔体的输入阻抗和耦合电容进行了计算。为提高高频系统的稳定性和可靠性，对影响高频功率传输和D电压提高的问题进行了深入的研究和改进。采用矢量阻抗仪冷态测量腔体匹配阻抗的方法和一些相应的技术和措施，用矢量电压表动态测量功率输出级的相位差，判断D电路是否工作在匹配状态，从而使SFC的D电压由原来的50~65 kV（不稳定）提高到稳定工作的105 kV，改善了SFC的工作状态和保证了SFC的高效运行。     

直线感应加速器中束流负载对加速腔压波形的影响

在神龙二号直线感应加速器的调试中,虽然电容探头和电阻分压器测到的空载加速腔电压波形基本一致,但是带束流负载时两者的波形有明显差异,针对此实验现象开展了研究。仔细模拟了束流波形和电压波形相对时间差异引起的波形差异,得到束流提前、同步和滞后条件下的腔压波形,确认相对时间差是导致波形差异的一个重要原因。建立了加速腔的分布参数电路模型,模拟结果表明束流负载效应到达两种探头的时间不同,这会导致腔压波形的不同;由于电容探头距离加速间隙更近,所以电容探头测到的波形更接近束流实际得到的加速波形。后续的调试实验获得了没有加速电压时束流产生的负载效应波形,证明束流负载到达两个探头的时刻确实不同,对加速器出口束流能谱的测量结果也表明束流的能谱分布和电容探头波形的叠加结果基本符合,上述结果表明该研究所用的模拟和分析方法是有效的,可以用于加速器的调试和性能优化。     

5MW中性束弧电源DC/DC变换器的设计与实现

中性束离子源弧放电具有气体放电等离子体的非线性特性,工作时还会受到气体压强、外磁场、阴极状态等因素的影响,采用晶闸管相控调压技术的弧电源很难实现对这种大功率电弧的稳定的闭环控制。为此,提出了一种多相多重的大电流DC/DC变换器,具有响应速度快、电流上升时间短、电流纹波小等特点,大幅提高了离子源弧放电闭环控制的稳定性。设计了滤波电感能量回馈电路,弧电源可以根据中性束系统的需要使弧电流快速减小0%~100%(可调),然后根据控制信号迅速恢复正常弧电流输出,形成一个弧电流凹坑。电源还采用超级电容储能技术,使电源体积减小了2/3,电网容量小于10kV·A。离子源放电时不会受到电网波动的影响,弧放电更加稳定。实验数据显示:该电源最大输出为220kW/1500A,电流纹波在1%以内,电流上升时间约100μs,最大超调量小于3%,可以满足5 MW中性束离子源及系统的要求。     

兰州重离子加速器冷却存储环慢引出控制系统

兰州重离子加速器冷却存储环为了进行深层重离子治疗肿瘤的实验,需要长时间、均匀地慢引出束流至高能束运线,以满足深层重离子治疗肿瘤的束流要求。慢引出控制系统采用加速器控制系统的同步时间信号来进行同步控制以实现整个过程控制;当加速器控制系统的同步事例的同步触发信号进行触发控制以及数据切换（频率值、tune值、电压幅值）,波形发生器通过这三个数据信息产生相应的波形及进行放大器放大并控制静电偏转板以实现束流RF-KO方式慢引出。慢引出控制系统的同步事例接收器主要由FPGA与光纤接口组成,实现同步事例的高速稳定传输与强抗干扰性。深层重离子治疗肿瘤的正常运行以及冷却存储环已实现104 s超长周期的慢引出实验表明,慢引出控制系统能实现实验束流需求的慢引出。     

600 kV波形可调快前沿脉冲源的研制

 介绍了一种波形可调的高电压快前沿脉冲源。该脉冲源由Marx发生器、脉冲成型组件、主开关、匹配负载、分流电阻、串联电感等部件构成。各部件自成一体,呈模块化分布。以Marx发生器作为初级储能,通过调节发生器输出端分流电阻、串联电感及脉冲成型组件等模块,可以输出包括双指数波和方波在内的5种脉冲波形。输出脉冲幅值在200~600 kV范围内可调,最小脉冲前沿可达2 ns。     

强流相对论环形电子束自调制振荡研究

 主要研究了强流相对论环形电子束在等位谐振腔内的非线性自调制振荡，用小信号理论分析了电子起振的条件，得出了电子起振的扰动频率。基于该理论分析，又提出了一种不外加磁场的新型高功率微波器件，该器件主要由一个圆柱谐振腔和一个同轴波导输出腔构成。用2.5维MAGIC粒子模拟软件对该非线性过程进行数值模拟，分析了输入电压、电流对输出微波功率的影响。模拟结果表明这种结构中确实存在非线性不稳定性，自调制的扰动频率则由电子束的初始能量、电荷密度和电子束的半径以及谐振腔的空间结构给定。利用谐振腔长为4.7 cm、二极管电压为2.8 MV、电流为20 kA的电子束，可以得到频率为4.29 GHz、功率为6 GW的微波输出，束-波转换效率约为11%。     

脉冲氙灯电源研究

高速摄影的同步照明光源是利用脉冲氙灯作为输出负载的一种高亮度闪光光源。它的驱动电路采用脉冲形成网络PFN电路,利用Orcad Pspice软件对PFN放电电流仿真,其仿真结果具有一定的指导意义。电源具有手动触发和同步触发功能,同时输出脉冲的前沿和后沿具有良好的时间响应,氙灯充电电压0~3.5 kV可调,触发信号与光波形延时时间125 μs;实验结果验证了电源设计原理和技术方案的可行性。     

Photonically enabled agile rf waveform generation by optical comb shifting

We present a photonically enabled rf arbitrary waveform generator that can rapidly switch between two output waveforms. This method is based on line-by-line shaping of an optical comb and then converting the optical pulses to rf waveforms with a fast photodetector. It uses a single diode laser as the optical source and selects different patterns preprogrammed into an optical pulse shaper by shifting the laser frequency. We demonstrate minimum update delay times of 0.45 ns.     

直线变压器驱动源模块输出电流上升时间调节

针对磁驱动等熵压缩实验对加载电流波形的特殊需求,基于改造后的1MA直线变压器驱动源(LTD)原理性模块,开展了输出电流上升时间调节实验研究。48只开关分为4组,由4根高压电缆引入触发脉冲分别触发,共进行了三组不同电缆长度组合的触发放电实验。结果表明:在±32kV充电电压下,输出电流上升时间(0~100%)可由301.2ns增加至436.0ns,相应的输出电流幅度由294.0kA下降至210.2kA。实验还采用光纤探针阵列测试系统同时对其中40只多间隙气体开关的放电发光过程进行了诊断,获得了相应开关的闭合导通起始时间。基于实验参数,利用PSpice电路模型进行了校验,并对早期触发的支路组对后续触发支路组的影响进行了分析。实验初步验证了LTD模块内部子块通过分时放电实现输出波形调节的能力。