15-MeV電子直線加速器的低電平系統(tǒng)

張俊強(qiáng)　劉亞娟　鐘少鵬　李 林　李英民　顧 強(qiáng)（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū)　上海 201800）

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15-MeV電子直線加速器的低電平系統(tǒng)

張俊強(qiáng)劉亞娟鐘少鵬李 林李英民顧 強(qiáng)
（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū)上海 201800）

摘要15-MeV電子加速器驅(qū)動的光中子源裝置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1,TPNS1)是專為釷基熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)核數(shù)據(jù)測量設(shè)計(jì)和建造的。為保證直線加速器提供穩(wěn)定的、高品質(zhì)的束流，開發(fā)了基于可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)技術(shù)的低電平控制系統(tǒng)，利用上下變頻、IQ(In-phase and Quadrature)調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直線加速器幅度和相位的反饋控制。經(jīng)測試，幅度和相位的控制精度達(dá)到±0.4%，可達(dá)±0.6°。長時間的運(yùn)行表明，整個數(shù)字化環(huán)路的響應(yīng)時間快，穩(wěn)定性好，滿足中子源裝置的運(yùn)行要求。

關(guān)鍵詞直線加速器，低電平，可編程邏輯門陣列，波形采集，反饋控制

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目(No.XDA02010100)資助

第一作者：張俊強(qiáng)，男，1974年出生，2013年于中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所獲博士學(xué)位，研究方向?yàn)橹本€加速器的低電平控制

Supported by Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(No.XDA02010100)

First author:ZHANG Junqiang,male,born in 1974,graduated from Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences with a master’s

degree in 2013,focusing on low level RF control of linear accelerators

Low level radio frequency system of 15-MeV electrons linac

ZHANG JunqiangLIU YajuanZHONG ShaopengLI LinLI YingminGU Qiang
(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Jiading Campus,Shanghai 201800,China)

AbstractBackground:The photo-neutron source driven by 15-MeV electrons linac in Thorium molten salt reactor(TMSR)program was designed for nuclear data measurement.Purpose:To ensure the linac to provide stable and high quality beam bunches,a low level radio frequency(LLRF)control system based on field programmable gate array(FPGA)was developed.Methods:LLRF realized digital amplitude and phase feedback control by using up-down converter,IQ(In-phase and Quadrature)modulator and demodulator techniques.Results:After commission,the control accuracy of amplitude and phase is less than ±0.4%and ±0.6o,respectively.Conclusion:Long time running indicates that the whole digital control loop has the properties of fast time response and good stability,which meets the demand of photo-neutron facility.

Key wordsLinac,LLRF,FPGA,Waveform acquisition,Feedback control

15-MeV電子加速器驅(qū)動的光中子源裝置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1,TPNS1)是中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)先導(dǎo)專項(xiàng)研究課題之一，建成后將主要側(cè)重于總截面和俘獲截面的核數(shù)據(jù)測量、某些中子/伽馬輻照的研究以及開展相關(guān)的中子探測器和反應(yīng)堆用中子探測器的研制和刻度等[1]。裝置中采用電子直線加速器作為驅(qū)動，電子能量為15 MeV，脈沖寬度為3 ns-3 s，脈沖頻率為1-266 Hz 可調(diào)，平均脈沖電流0.5 mA，最大功率為7.5 kW。

1　微波系統(tǒng)

電子直線加速器由電子槍、S波段預(yù)聚束器（工作頻率2 856 MHz）、16腔行波聚束器、S波段加速管、偏轉(zhuǎn)磁鐵和聚焦磁鐵等構(gòu)成[2]。預(yù)聚束器的功率源為一臺固態(tài)放大器，聚束器與加速管則共同由一臺速調(diào)管提供微波功率。而兩套功率源的激勵供給、幅度相位的調(diào)節(jié)及控制則由兩套低電平來實(shí)現(xiàn)，低電平同時具有波形監(jiān)測、聯(lián)鎖保護(hù)的輸出等功能，如圖1所示。

圖1　直線加速器微波系統(tǒng)Fig.1　Diagram of linac RF system.

低電平系統(tǒng)采用上下變頻和IQ(In-phase and Quadrature)調(diào)制解調(diào)原理，實(shí)現(xiàn)微波功率源幅度、相位的反饋控制[3]。系統(tǒng)包括信號源、RF前端及數(shù)據(jù)采集卡。信號源產(chǎn)生參考信號RFref，再經(jīng)分頻和混頻產(chǎn)生本振信號(Local Oscillator,LO)及時鐘，并提供一路50 MHz的信號給定時系統(tǒng)同步；RF前端實(shí)現(xiàn)信號的上下變頻，RFref和功率源輸出功率RFfwd的頻率為2 856 MHz，在RF前端與頻率為2 806 MHz 的LO混頻，下變頻為50 MHz的中頻信號，再經(jīng)低通濾波后到X6-400M采集卡，形成兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)信號。X6-400M完成中頻信號的ADC采集、數(shù)字化運(yùn)算處理，并由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter,DAC)輸出調(diào)制后的50 MHz中頻信號，經(jīng)RF前端上變頻至2 856 MHz，作為固態(tài)放大器的激勵信號?？删幊踢壿嬮T陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的外部參考時鐘為50 MHz，觸發(fā)信號來自定時系統(tǒng)。

低電平的核心是X6-400M，是美國Innovation Intergration公司產(chǎn)品，有兩路14位同步采樣通道，采樣速率400 MSPs，或12位使用時采樣速率可達(dá)500 MSPs。在寬帶直接采樣應(yīng)用中，模擬輸入的帶寬可達(dá)400 MHz。兩路DAC通道有效位數(shù)是16位，雙通道模式時最大更新速率為500 MSPs，而單通道模式時可以達(dá)到1 GSPs。DAC具有可選的2×、4×插值模式[4]。X6-400M的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

使用外部時鐘輸入，ADC和DAC可以進(jìn)行同步采樣。觸發(fā)控制提高了數(shù)據(jù)接收的精度控制，并集成到FPGA邏輯中。觸發(fā)模式包括可編程大小幀、脈沖重復(fù)間隔、外部和軟件。利用外部觸發(fā)輸入可以實(shí)現(xiàn)多卡運(yùn)行。邏輯程序中觸發(fā)元件可以進(jìn)行定制來滿足不同的觸發(fā)需求。

低電平同時還實(shí)現(xiàn)微波信號的幅度和波形檢測、聯(lián)鎖保護(hù)等功能。波形采集則是由中國研華公司生產(chǎn)的MIC-3714同步模擬采集卡完成，MIC-3714板卡有4個相互獨(dú)立的采集通道，每個通道由ADC鎖存器、控制單元和緩存器(First Input First Output,FIFO)組成。每路將接收到的外界動態(tài)信號變換為電信號，經(jīng)過各自的ADC變換后，并由各自的鎖存器鎖存，在邏輯控制單元的控制下，緩存到各自的FIFO內(nèi)。而共同的數(shù)據(jù)通道由PCI(Peripheral Component Interconnect)總線控制器、PCI總線、主機(jī)內(nèi)存和硬盤組成，負(fù)責(zé)將四路采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后在控制信號的控制下，經(jīng)PCI總線控制器和PCI總線傳輸至內(nèi)存，再由主機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲到磁盤，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與實(shí)時存儲。分辨率為12位，采樣速率可以達(dá)到30 MHz[5]。

圖2　X6-400M系統(tǒng)框圖Fig.2　Block diagram of X6-400M.

臺灣凌華公司的cPCI-7230是具有16路隔離數(shù)字量輸入(Digital Input,DI)與16路隔離數(shù)字量輸出(Digital Output,DO)的數(shù)字I/O板卡，在外部信號與系統(tǒng)之間具有5000 V(rms)高隔離電壓，具有大電流驅(qū)動能力及鉗位二極管保護(hù)的達(dá)林頓集電極開路數(shù)字量輸出。當(dāng)MIC-3714采集到的反射功率RFrefl超過設(shè)定值時，cPCI-7230會輸出聯(lián)鎖控制量，通過光耦，將聯(lián)鎖信號送到中控聯(lián)鎖和調(diào)制器，停止調(diào)制器觸發(fā)，保護(hù)速調(diào)管，避免受到高功率損壞。光耦輸出電路如圖3所示。

圖3　CPCI7230輸出耦合電路Fig.3　Output circuit of CPCI7230.

加速管和聚束器共用一套低電平，但是相位都需要獨(dú)立調(diào)節(jié)，所以在加速管的波導(dǎo)分支上安裝了大功率移相器用于調(diào)節(jié)加速管的相位，驅(qū)動機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)動控制卡采用臺灣凌華公司的PXI-8164。

低電平的輸入輸出控制器(Input and Output Controller,IOC)采用cPCI總線的機(jī)箱架構(gòu)，承載著X6-400M、MIC-3714、cPCI-7230和PXI-8164，操作系統(tǒng)為WINDOWS 7。

2　FPGA控制算法

低電平的反饋控制可分為IQ矢量控制和幅度相位分離的低電平控制[6]。對IQ矢量反饋，I和Q可以使用一套比例積分(Proportional-Integral,PI)控制系數(shù)，不需要CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)算法來進(jìn)行幅度相位的轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)簡單，邏輯延遲少。圖4是FPGA的反饋控制算法，50 MHz的中頻信號IFref和IFfwd進(jìn)入ADC采集后，經(jīng)解調(diào)得到I和Q，再經(jīng)FIR(Finite Impulse Response)濾波器。濾波后的IQ與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差，由PI控制器實(shí)現(xiàn)輸出。PI控制器輸出的IQ數(shù)值，經(jīng)直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)調(diào)制得到50 MHz的中頻信號。DAC的輸出采用正交調(diào)制的方式，采樣率是ADC的兩倍，為400 MHz。

圖4　FPGA控制算法Fig.4　Control algorithm of FPGA.

3　調(diào)試運(yùn)行

低電平系統(tǒng)開發(fā)完成后，在中子源裝置進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)束及長時間運(yùn)行，幅度的控制精度為±0.4%，相位可達(dá)±0.6°，達(dá)到±1%和±1°的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如圖5所示。整個數(shù)字化環(huán)路的響應(yīng)時間快，穩(wěn)定性好，直線加速器的輸出束流穩(wěn)定，滿足了中子源裝置的測試要求。MIC-3714對微波信號的波形進(jìn)行采集，包括速調(diào)管的輸出反射，加速結(jié)構(gòu)的輸入輸出，滿足了加速器性能分析和系統(tǒng)監(jiān)測需要。波形采集及束流傳輸如圖6所示。在束流傳輸圖形中，波形a是觸發(fā)信號，波形b和c是電子槍輸出和加速管之后的束流，而波形d則是經(jīng)過90o偏轉(zhuǎn)后的束流，可以看出束流頭部丟失，這是由于束流負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)引起束流頭部能量增高，而造成頭部束流的丟失。下一步將繼續(xù)進(jìn)行FPGA 數(shù)字算法的前饋控制，去降低束流負(fù)載的影響，達(dá)到脈寬內(nèi)電子能量的一致，實(shí)現(xiàn)全脈寬束流的偏轉(zhuǎn)，從而提高束流的傳輸效率，降低能散，減小輻射。

圖5　幅相相位穩(wěn)定性Fig.5　Amplitude and phase stability.

圖6　波形采集及束流傳輸圖形Fig.6　Waveform acquisition and beam transport.

4　結(jié)語

本文利用上下變頻、IQ調(diào)制解調(diào)及FPGA數(shù)字化信息處理技術(shù)建立了一套基于cPCI架構(gòu)的低電平控制系統(tǒng)，完成了15-MeV直線加速器功率源幅度、相位的反饋控制，控制精度達(dá)到指標(biāo)要求，同時實(shí)現(xiàn)波形采集、聯(lián)鎖保護(hù)輸出及步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制。上層應(yīng)用程序采用EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)，實(shí)現(xiàn)用戶與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的信息交互。經(jīng)一年的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，低電平系統(tǒng)保持長期穩(wěn)定運(yùn)行，滿足了中子源測試的要求。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-10-15，修回日期：2016-01-05

DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.030403

中圖分類號TL274+.2