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°.      

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.     

基于FPGA的HIMM同步高频信号源设计

针对医用重离子加速器装置(HIMM)同步加速器对于高频系统不同能量波形输出的需求,设计实现可输出不同能量对应腔体电压及偏磁电流波形的同步信号源。该系统以ARTERA公司FPGA作为核心处理元件,接收并处理多组腔体电压及偏磁电流波形文件,同时以DAC作为输出单元,通过接收同步光触发信号实现不同能量对应给定波形信号的无缝切换及同步输出,完成HIMM同步高频信号源的设计。测试结果表明,该信号源工作稳定,可实现各种不同能量对应波形的无缝切换及同步输出,其性能完全满足HIMM系统对碳离子捕获加速的要求。相比于商业任意波形发生器产品,该系统价格低廉,且模块化的设计易于集成,可广泛应用于其他需产生任意波形信号的场合。     

基于滑模极值搜索的SSC-LINAC RFQ调谐系统设计与测试

将滑模极值搜索算法引入基于腔体反射信号的SSC-LINAC射频四极场加速器(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)腔体频率稳定系统设计中,结合Lyapunov稳定性理论和SSC-LINAC RFQ高频系统的特点,对滑模极值搜索算法的控制增益和参考信号进行改进;通过求解微分方程,得到腔体反射信号关于时间和调谐杆位置的函数。通过软件仿真和设计硬件系统,对基于滑模极值搜索算法的调谐过程进行仿真与实际测试,结果显示,所设计的频率稳定系统能够在较短时间内实现SSC-LINAC RFQ腔体功率自动馈入过程且频率稳定度满足设计指标要求,通过了长时间稳定性试验。证明了将滑模极值搜索算法应用于高频谐振腔调谐工作的可行性。     

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°。     

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。     

DPIS-RFQ系统的高频参数测试及功率锻炼

中国科学院近代物理研究所于2007年开始进行等离子体直接注入项目的预研。详细介绍了RFQ系统的高频参数测试的方法及结果,并针对高脉冲功率的测试提出通过标定定向耦合器来测试脉冲功率的方法。介绍了系统锻炼的情况,包括针对功率源末级和腔内电极的打火问题提出了理论的分析和改善的方法。高频参数的测试和载束实验证实整套系统满足加速器的设计要求。     

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。