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。     

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。     

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。     

A vertical test system for China-ADS project injector II superconducting cavities

To test superconducting cavities, a vertical test system has been designed and set up at the Institute of Modern Physics （IMP）. The system design is based on VCO-PLL hardware and the NI Labview software. The test of the HWR010#2 superconducting cavity shows that the function of this test system is satisfactory for testing the low frequency cavity.     

A vertical test system for China-ADS project injector Ⅱ superconducting cavities

To test superconducting cavities, a vertical test system has been designed and set up at the Institute of Modern Physics (IMP). The system design is based on VCO-PLL hardware and the NI Labview software. The test of the HWR010#2 superconducting cavity shows that the function of this test system is satisfactory for testing the low frequency cavity.     

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.     

增益和相位一致性对功率合成效率的影响

发射机在功率合成的时候，由于各固态功率源模块间存在着增益和相位的差异，会导致功率合成效率的下降。针对这一问题，本文通过建立增益和相位的一致性对功率合成效率影响的模型，并结合MATLAB软件进行计算模拟，得到不同增益和相位分布下的最低合成效率分布，为发射机功率合成系统设计提供了具体的相位和增益指标，并为发射机的评估和验收提供了有力的理论依据。     

一种矩形腔式高功率合成器的设计

研究了一种基于矩形腔式功率合成的射频高功率合成器。该合成器可以实现功放模块与合成器的直接耦合,合成效率高,功率容量大,且功率容量可调,可以很好地满足目前CiADS中对固态发射机功率容量的梯度要求。12合1矩形腔式功率合成器仿真结果表明,合成器各输入端到输出端的幅度传输和相位传输具有很好的一致性,最大偏差分别在0.05 dB和0.5°以内,调节功放模块数量可以调节发射机的功率容量。     

C-ADS强流质子直线加速器调谐系统测试分析

调谐系统是C-ADS超导直线加速器不可或缺的一部分, 在加速器运行过程决定了超导腔的运行频率, 直接影响了粒子加速的效果。为了充分了解调谐系统的工作情况和分析调谐系统出现的问题, 设计了实验对调谐系统进行全方位测试。首先对调谐器的杠杆机构和剪叉机构进行了力学分析, 而后对半波长谐振(HWR) 超导腔在不同状态下进行了电场模拟, 得出设计的调谐力和调谐位移满足HWR腔频率调谐要求。最后通过详细实验, 采用自动、手动等方式测试了恒温器CM1, CM2, CM3中超导腔调谐器工作时的线性度、回程差、直线单元部分的线性度及回程。结果显示: CM1的调谐器基本满足慢调谐需要, CM2存在1200步回程, 主要原因在于直线单元部分; CM3中调谐器的回程差较大, 线性度不高, 需要进一步改进。