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°.      

超导低温垂测2K系统设计

为了检验加速器驱动次临界系统直线加速器中的超导腔性能,需要在超导腔装入低温恒温器之前进行低温超导测试(2K、4K)。为满足25MeV超导直线加速器调试运行,需要建造一套超导低温测试系统与实验平台,用来对超导腔的性能进行垂直测试,检验腔体是否达到设计目标,使其满足工程使用需求。     

兰州重离子加速器腔体反馈电缆漂移的补偿方法

理论分析了兰州重离子加速器腔体的低电平稳定系统中各传输通道对腔体的长期稳定度的影响，根据现有低电平稳定系统的实际情况，提出了用附加测试电缆来补偿反馈电缆漂移的方法。测试了环境温度的变化对电缆在实施补偿前后的相位与损耗的影响，测试结果表明:采用电缆补偿后的长期相位稳定度可以降低到原来的1/50，长期幅度漂移可以最少降低到原来的1/10。     

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°。     

低β 162.5 MHz taper型HWR腔的机械性能分析（英文）

北京大学正在设计β=0.09,频率为162.5 MHz taper型的二分之一波长射频超导谐振腔(HWR腔),这种腔针对高流强质子束(约100mA)和氘束(约50mA)的加速而设计。对于这种超导腔而言机械性能分析是十分重要的,可以通过机械性能分析来估计由于腔体的形变带来的频率偏移。用ANSYS分析了由于液氦压力不稳定造成的麦克风效应以及洛伦兹力造成的腔体失谐,并且对沿腔体轴线方向的调谐进行了分析。模拟结果显示这只腔压力敏感系数为31.1 Hz/kPa,洛伦兹力系数为-0.41Hz/(MV·m~(-1))~2。腔体的调谐范围达到±177kHz,足够补偿腔体可能的频率偏移。腔体的机械性能满足腔体正常运行的要求。     

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。     

超导腔垂直测试数字化自激励环路研制

介绍北京大学垂直测试系统的数字化自激励环路系统,重点分析了实际测试中避免多单元(cell)超导腔模式串扰的方法以及偏离四倍频采样对信号幅度和相位的影响。该系统运行稳定可靠,可有效区分1.3 GHz8π/9模,解决了多cell超导腔测试中模式串扰问题。分析了超导腔自激励环路在垂直测试中的应用,介绍了北京大学垂直测试系统的数字化自激励环路,采用上下变频方案的射频前端和包括有限脉冲响应滤波器的数字算法,系统简洁扩展性强。重点分析了实际测试中避免多cell超导腔模式串扰的方法以及偏离四倍频采样对信号幅度和相位的影响。在多种不同频率超导腔的垂直测试中该系统运行稳定可靠,可有效区8π/9模,解决了多cell超导腔测试中模式串扰问题。     

高热稳定性高精细度光学法布里-珀罗腔系统

设计了由超低膨胀玻璃材料制作的光学法布里-珀罗(F-P)腔及其真空控温系统,通过双重控温系统实现了F-P腔在环境温度为10~40℃范围的精确控制,该系统在24h内的温度波动约为±0.004℃。通过分析F-P腔的共振频率和铯原子饱和吸收谱,获得了F-P腔的共振频率和腔体材料膨胀系数随温度的变化。通过对测得的数据进行拟合,可以精确确定零膨胀温度为29.286±0.057℃。所提出的温度控制系统有望获得热稳定度为3.494×10~(-14)的光学频率标准。     

1.3 GHz超导腔磁通排出效应研究

设计并搭建了一套高精度的磁场测量和补偿系统,并结合中国科学院高能物理研究所(IHEP)的2K超导腔垂直测试平台对1.3 GHz单加速间隙超导腔的磁通排出效应开展了实验研究:利用研制的磁场测量和补偿系统能够精密地测量超导腔赤道位置磁场,并能够将磁场补偿至小于5.0×10-8 T;并对超导腔不同表面温度梯度下的磁通排出效应进行了测量分析;对钉扎了磁场的超导腔进行了射频性能测试,研究了超导腔电阻对磁通钉扎的敏感度,以及在不同电场梯度下超导腔的表面电阻变化情况。结果表明,研制的高精度磁场测量和补偿系统能够满足超导腔磁通排出研究的需求;高的超导腔表面温度梯度有利于磁通的排出;磁通钉扎电阻的敏感度随着加速电场梯度的增加而增大,导致超导腔的性能下降。此实验研究也为后续超导腔的研制奠定了一定基础。     

锁相环在超导射频技术中的应用

利用压控振荡器锁相环路(VCO-PLL)锁定超导射频谐振腔体的本征频率,使腔体稳定谐振。在原理验证阶段,利用NI-Labview对实验原理做了仿真。得到的仿真结果显示,环路增益选取的不同会直接影响整个系统的锁定状态。在实验测试阶段,根据原理和仿真结果搭建了相应的实验平台,从而得到环路锁定的测试结果。最后在低温超导态测试阶段,用经过验证的实验平台对IMP-HWR010超导腔体进行了频率锁定测试,并得到了腔体频率随氦压变化的实际测量结果,df/dp约为0.73 Hz/Pa。     

新型低beta超导腔调谐算法分析与测试

为了使腔体在复杂电磁环境下处于谐振状态,保持超导腔加速电压的幅度相位稳定,研发了一种应用于自激锁相模式的腔体新型调谐算法。利用正交电压Q值控制调谐器调谐,从而消除了输入和输出间的相位误差,给出了理论推导过程与该算法的可靠性分析。该算法已应用于中国科学院近代物理研究所ADS项目超导加速器中,简化了传统控制模式中的信号采样数量,提高了系统控制精度与抗干扰能力,使腔体克服了在调谐过程中由于功率上冲引起的氦压波动。保证了超导腔在工作状态下,频率稳定在162.5 MHz,频率误差小于17 Hz。For the purposes of keeping the resonant cavity steady in a complex electromagnetic environment and maintaining stable amplitude and phase, a new tuning algorithm for superconducting RF cavity operated in self-excited phase-locked mode has been developed. The quadrature voltage was employed to control the tuner under the phase-locked condition, so as to eliminate phase measurement between the input and the output. This paper demonstrates the principle of this "Minimum Q" tuning algorithm and presents an analysis of the stability of the system. The algorithm is applied to the superconducting accelerator of the Institute of Modern Physics' ADS project. The "Minimum Q" tuning algorithmnot only simplifies the number of signal sampling but also improves the control accuracy and anti-interference ability of the system, while enables the cavity to overcome the helium pressure fluctuation which caused by power overshoot. It ensures that the frequency of the superconducting cavity is stable at 162.5 MHz, and the frequency error is less than 17 Hz.     

CiADS束流负载效应前馈补偿的仿真评估

在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与$0.1^{\circ}$的幅相稳定度指标，前馈时序抖动的偏差不能超过0.79 μs，束流流强的直流偏差不能超过0.9%，并且给出了束流纹波的最大抖动幅值与纹波频率之间的关系。这些结果将为CiADS超导直线加速器相关子系统技术指标的确定提供依据。     

STF数字微波低电平系统研究

STF是KEK为国际直线对撞机(ILC)建立的试验装置. 在STF中, 数字微波低电平系统用于控制超导腔的RF相位和幅度. 在没有实际腔运行的情况下, 设计了一个基于FPGA技术的实时超导腔模拟器, 用于测试微波低电平系统的硬件和算法. 超导腔的数字控制器用FPGA实现, 其中采用了PI反馈控制和前馈控制算法. 测试表明, 超导腔模拟器和控制器都工作良好, 可用于STF微波低电平系统的进一步开发.     

Tuner control system of Spoke012 SRF cavity for C-ADS injector I

A new tuner control system for spoke superconducting radio frequency(SRF) cavities has been developed and applied to cryomodule I of the C-ADS injector I at the Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences. We have successfully implemented the tuner controller based on Programmable Logic Controller(PLC)for the first time and achieved a cavity tuning phase error of ±0.7?(about ±4 Hz peak to peak) in the presence of electromechanical coupled resonance. This paper presents preliminary experimental results based on the PLC tuner controller under proton beam commissioning.     

A tuning system for BEPCⅡ

The tuning system plays a very important role when a superconducting cavity is in operation. It cooperates with other control loops to adjust the cavity frequency with high precision, reduce the reflection power, guarantee the stability of beam, and ensure the safety of the superconducting cavity. This paper focuses mainly on the tuning system working principle, the working state and problems that Beijing Electron Positron Collider (BEPCⅡ) has encountered during operation.     

HWR010超导腔提取耦合器的优化设计

我国自主研发的超导加速器CAFe是ADS加速器的前端示范装置,其对加速器的运行稳定性有非常高的要求。在CAFe的运行中存在场致发射效应干扰超导腔提取信号的问题,是造成超导腔运行故障最频繁的问题之一,这严重降低了加速器的稳定性。这一问题是由于超导腔内的场致发射电子在相关微波传输器件上引起了放电现象,干扰了信号的传输并造成低电平控制系统对超导腔的错误控制,最终导致超导腔失谐和加速器停机故障。本文通过优化提取天线的结构,避免场致发射电子进入提取耦合器,从而解决传输信号异常的问题。优化后的天线在线运行效果良好,解决了超导腔这种提取信号异常的问题,提高了加速器运行的稳定性。     

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.     

超导腔数字自激垂直测试系统

基于数字自激算法设计并实现的超导腔垂直测试系统提高了超导腔的垂直测试效率,为先进光源技术研发与测试平台(PAPS)的超导腔批量化生产提供了重要保障;垂直测试系统的射频前端和时钟分配系统采用了二次上下变频方案,可以在一定范围内灵活设置测试系统自激环路的工作频率,增大了该测试系统的工作带宽。利用此系统完成了1.3 GHz 9-cell超导腔的通带频率测试,结果表明,该测试系统能有效避免不同模式之间的串扰,具备较强的频率分辨能力(<800 kHz),保证多单元超导腔性能验证的进行。