非PLL相位平均型参考线原型验证

射频相位参考线是粒子加速器的重要组成部分之一,为射频低电平控制系统(LLRF)、束流诊断系统、定时系统等提供稳定的相位锁定参考信号。为减少远距离传输过程中由环境温度变化导致的射频传输线中的射频相位漂移,多个加速器装置中已经采用射频相位参考线提供射频相位参考,这些相位参考的实现方案主要是基于恒温控制和基于光纤锁相。与这些方案相比,采用相位平均方法不仅可以保持长距离节点之间的相位稳定,而且更易于现场安装与维护。现有的带有锁相环(PLL)的终端短路方式实现相位平均参考线的方案仍有一些节点数量限制等方面的不足,本文对相位平均参考线结构进行了去除PLL的简化设计并进行了验证,以期增加更多的相位分配节点以及降低对射频器件参数的要求。对非PLL的单端输入终端短路相位平均方案与两端输入各节点间互为参考的相位平均方案分别进行了实验测试,结果表明两者的相位RMS精度可以达到0.1°~0.3°。并对不同的相位平均实现方案中相位不稳定的产生原因进行了分析,结果表明,除环境温度外,同轴线缆材质、合成相位与幅度的不平衡合成等也是重要影响因素。     

LLRF超导腔体控制系统的测试

中国科学院近代物理研究所自主研发的ADS注入器Ⅱ第一代高频低电平(LLRF)控制系统,工作频率为162.5 MHz;LLRF系统是由基于I/Q采样的正交解调技术构成的全数字闭环反馈控制系统,其主要功能是实现超导腔腔体电压幅值稳定控制、相位稳定控制与腔体谐振频率控制;LLRF控制系统在液氦温区超导腔上进行了系统稳定度和性能的在线测试,根据实验数据计算得超导腔体电压幅度稳定度为±3.4‰,相位稳定度为±0.3°,腔体表面峰值电场(Epk)能长时间稳定在25.1 MV/m。通过实验测试,检验了LLRF控制系统的性能,并对测试过程中出现的问题进行了分析,为将来超导腔LLRF控制系统运行积累了经验。     

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°.      

加速器高频D电路Q值的计算与测量

 介绍了回旋加速器高频单D型盒D电路Q值的计算与测量方法。重点对Q值的理论计算进行推导，并对计算原理进行说明。然后对计算结果和测量结果进行比较。得出的计算和测量结果基本吻合。误差产生的主要原因是计算过程中的近似和短路片接触电阻的取值，其中短路片接触电阻是一个重要因素，在设计腔体时应引起足够的重视。     

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 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.     

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.     

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。     

162.5 MHz高频数字低电平控制监控系统设计与实现

中国科学院近代物理研究所自主研发的ADS 162.5 MHz高频低电平控制采用数字化技术实现,控制环路的参数设置、开闭环操作以及状态监测都通过监控系统实现。该系统基于以太网通讯,采用轻量化客户端-服务器端的工作方式,运行在上位机的客户端程序发送指令数据包,运行在高频数字低电平系统的服务器端响应指令,完成参数监测与控制。系统首先以Atera公司Stratix Ⅲ系列现场可编程门阵列(FPGA)开发板为基础,构建以Nios Ⅱ处理器和三速以太网接口为核心的服务器端硬件系统;其次基于Micro C/OSⅡ实时操作系统和轻量级TCP/IP协议栈,设计服务器端软件系统;最后利用MFC设计运行于上位机的客户端界面程序。经过长时间测试运行,该监控系统运行稳定可靠,TCP发送和接收吞吐率达到11.931 038 Mbps和8.117 624 Mbps。     

回旋加速器高频腔的设计与分析

根据正电子发射断层显像(PET)回旋加速器的物理要求与实际情况,确定了PET回旋高频双腔体的具体设计方案。在加速电压比较高的要求下,充分利用有限的空间,设计1/4波长线的异型覆面的竖腔结构腔体,采用短路片与移动电容板双调谐结构,满足了频率调谐要求;同时获得较高的品质因数,达到了物理设计要求的加速电压。利用Microwave Studio CST程序对腔体的Q0值、热分布、功率损耗、微调电容做了详细的分析与计算;对实际测量值与仿真计算值进行了对比,并对产生的误差进行了分析和讨论。腔体电压实际测量值达到50kV以上,频率稳定度达到设计指标1.0×10-6/d。     

SSC新高频腔设计与分析

简要分析了HIRFL SFC与SSC之间的束流匹配关系, 给出了新高频腔的频率范围。 利用经典三维电磁场数值模拟软件MAFIA对SSC新高频腔体进行了模拟计算, 得出了SSC新高频腔体的相关物理参数, 并对频率范围、Q值、 并联阻抗和电压分布等参数进行了分析。 高频腔体的模拟计算结果完全符合SSC回旋加速器改造的物理设计及空间结构要求。