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。     

上海光源直线加速器的能量反馈控制

海光源恒流注入的运行模式,需要直线加速器提供持续、稳定和高品质的束流。阐述了八条形电极束流位置探测器(BPM)的工作原理及其对直线加速器至增强器低能运输线的束流进行能散的测量,并以（微波）幅度或相位作为调节参数,采用比例积分(PI)控制算法对束流能散进行反馈控制,实现了束流能量的长期稳定性,保证了直线加速器束流的高效率注入。     

BEPCⅡ直线加速器重大改造和束流调试进展

BEPCⅡ直线加速器的重大改造旨在获得高流强、小发射度和小能散的正负电子束, 以满足对撞机亮度提高两个两级的要求. 这对直线加速器各系统和束流物理是一个挑战. 文章介绍了直接决定束流性能的新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流测量系统等的改造情况; 叙述了束流物理研究; 介绍了束流调试进展情况和进一步改进计划.     

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。     

BEPCII直线加速器相控系统设计研究

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、IfA 单元的开发.搭建了相控最小系统对系统进行了验证.     

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。     

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。     

BEPCⅡ直线加速器的束流调试和稳定运行

BEPCⅡ重大改造工程要求将对撞机的峰值亮度提高近百倍,并具有高积分亮度,为此必须对作为注入器的直线加速器进行重大改造,提供高能、强流、小发射度和小能散度的正负电子束,达到高注入速率(正电子50mA/min.)的要求.这对直线加速器各系统和束流调试是一个挑战.在成功建造了新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流轨道测量系统等的基础上,着重叙述了束流参数的调试结果,束流能量、能散度、发射度、传输效率均达到(或优于)设计指标.描述了束流参数稳定性的研究、改进和成功地达到稳定运行.最后简述了新建中的次谐波聚束系统,以进一步提高束流性能和注入速率.     

BEPCⅡ直线加速器的束流调试和稳定运行

BEPCⅡ重大改造工程要求将对撞机的峰值亮度提高近百倍, 并具有高积分亮度, 为此必须对作为注入器的直线加速器进行重大改造, 提供高能、强流、小发射度和小能散度的正负电子束, 达到高注入速率(正电子50mA/min.)的要求. 这对直线加速器各系统和束流调试是一个挑战. 在成功建造了新电子源、新正电子源、新微波功率源、相位控制系统和束流轨道测量系统等的基础上, 着重叙述了束流参数的调试结果, 束流能量、能散度、发射度、传输效率均达到(或优于)设计指标. 描述了束流参数稳定性的研究、改进和成功地达到稳定运行. 最后简述了新建中的次谐波聚束系统, 以进一步提高束流性能和注入速率.     

自由电子激光对微波源稳定性的要求

 由自由电子激光物理出发，讨论自由电子激光对射频直线加速器微波功率源稳定性的要求，并据此得出国内目前已在运行的两台自由电子激光装置实现稳定运行微波功率源稳定性需达到的指标。     

合肥光源逐束团相位测量及纵向不稳定性诊断

为了研究储存环束流多束团纵向运动特性,在合肥光源（HLS-II）上研制了一套逐束团相位测量系统。该系统利用示波器直接采集BPM和信号,采用过零点检测法、时间差分（Temporal Difference, TD）法相结合的方法从BPM和信号中提取出逐束团相位。介绍了逐束团相位测量系统的系统构架、相位提取方法以及在HLS-II上的一些实验结果。通过对该系统记录的5 ms时间长度的逐束团多圈相位数据的离线分析,得到多束团纵向运动的同步振荡的频率、纵向工作点、束团振荡的模式信息以及振荡模式增长率等特征信息,诊断出HLS-II在top-off恒流运行期间存在2个较强的纵向耦合束团不稳定模式,并提取出了2个振荡模式的增长率。该系统的逐束团相位测量结果及相关纵向不稳定性分析可为机器研究、纵向反馈系统调试评估及高频RF系统的性能评估等提供参考。     

R&D of an LLRF control system for a 162.5 MHz radio frequency system

This paper describes a low level radio frequency control system that was developed by the Institute of Modern Physics Chinese Academy of Sciences, and will be used in Injector Ⅱ of the China-ADS project. The LLRF control system consists of an RF modulated front end, fast analog-to-digital converter (ADC) modules, and a digital signal processing board based on a field programmable gate array. The system has been tested on a room temperature cavity with 12-hr, and the results illustrate that the stability of amplitude and phase achieved ± 0.32% and ± 0.35 degrees, respectively.     

Digital prototype of LLRF system for SSRF

This paper describes a field programming gate array(FPGA)based low level radio frequency (LLRF)prototype for the SSRF storage ring RF system.This prototype includes the local oscillator(LO),analog front end,digital front end,RF out,clock distributing,digital signal processing and communication functions.All feedback algorithms are performed in FPGA.The long term of the test prototype with high power shows that the variations of the RF amplitude and the phase in the accelerating cavity are less than 1%and 1°respectively.and the variation of the cavity resonance frequency is controlled within ±10 Hz.     

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°。     

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。     

HIRFL数字化高频低电平控制系统研究

在HIRFL加速器系统中, 需要对射频加速电压的幅度和相位进行精确控制,以实现对重离子的精确俘获、 加速和引出。传统的幅度、相位稳定控制系统采用幅度和相位两个反馈闭合环路来分别稳定腔体电压的幅度和相位。 数字化高频低电平控制系统(LLRF) 基于可编程逻辑门阵列（FPGA）和数字信号处理（DSP）, 采用直接数字频率合成（DDS）与数字正交调制解调（I/Q）技术来实现对高频功率源的控制。 相位控制精度更高, 系统更加稳定。 目前控制系统在假负载上通过了长期稳定性的实验和高功率实验, 幅度偏差小于或等于±1％, 相位偏差小于或等于±0.5°。 In order to ensure that the beam quality is well enough, we need to precisely control the frequency, amplitude and phase of cavity electric field. Traditional control system consists of amplitude loop and phase loop. And these two loops control amplitude and phase stability respectively. The digital low level radio frequency (LLRF) system, which uses advanced digital control technology, needs only one feed back loop to control amplitude and phase stability. The phase control precision and stability of the system are higher than the traditional control system. The LLRF system is based on field programmable gate array (FPGA) and digital signal processing (DSP), and implemented by direct digital frequency synthesis (DDS) and digital orthogonal modulation and demodulation (I/Q) technology. The digital LLRF system has been tested in a long term stability and high power experiments. The amplitude deviation is lower than ±1%, and phase control accuracy is within ±1°.      

提高微波功率源性能的一种新型控制系统

本控制系统用于抑制大功率速调管输出微波功率宏脉冲平顶波纹,改善电子直线加速器输出束流的品质.控制方法采用微分线性逼近和矩阵算法对系统的输入和输出进行分析,求出代表系统响应的传输矩阵,从而将复杂的激励一响应计算转化为简单的代数运算.实验结果显示出宏脉冲平项波纹得到了有效抑制,说明采用自适应前馈控制来获得平坦的宏脉冲平顶是切实可行的.     

上海光源数字化低电平控制系统的硬件设计与实现

 设计了上海光源高频低电平控制系统,它是以数字化技术为基础,采用上下变频和IQ调制解调技术,实现幅度、频率和相位的反馈控制。上海光源储存环的束流设计流强为300 mA,为了抑制由此带来的Robinson不稳定性和纵向零模束流振荡,加入了高频直接反馈和零模束流反馈环路。从上下变频技术、IQ调制解调技术、时钟分配及锁相技术等方面对上海光源数字化低电平系统的硬件设计及其实现进行了阐述,给出了该系统试验、高功率下运行的测试结果,实现了设计要求的幅度控制精度±1%、频率控制精度 ±10 Hz和相位控制精度± 1°的技术指标。     

用于铯芯片级原子钟的4.596 GHz射频源研制

芯片级原子钟主要包括射频模块、物理封装模块以及其他的外围控制模块。射频模块的设计关系到芯片级原子钟的短期稳定度,所以射频模块在芯片级原子钟的设计时是非常重要的一部分。本文利用数字锁相环技术实现频率为4.596 GHz的射频源,射频源由三部分组成,包括小数分频频率综合器、压控振荡器和环路滤波器。数字锁相环具有相位噪声低,频谱稳定度高等特点。此外,由于小数分频频率综合器是可编程的,可以通过配置N分频器与R分频器实现输出频率的快速扫描。与此同时,根据相关公式,可以计算出三阶无源环路滤波器的近似参数值,所设计的环路滤波器具有300 kHz的环路带宽以及55的相位裕度。最后,整个基于数字锁相环技术实现的射频源通过仿真、硬件实现以及测试。测试结果显示,射频源的相位噪声为-74.02 dBc/Hz@300 Hz,符合芯片级原子钟射频源的设计要求。     

BEPC Ⅱ注入器相控系统的设计

 以2.856GHz频率上相位控制达到±2°为目标，阐述北京正负电子对撞机重大改造工程注入器相控系统设计思路，提出相应的系统实现结构。在分析相控过程的基础上，分解系统指标，把它作为相控系统详细设计和关键部件测试的依据。最后，针对相位测量这一关键问题，给出了具体的实现方法。