西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置直線注入器低電平控制系統(tǒng)設(shè)計與測試

劉臥龍， 趙銘彤， 高建超， 姜 勇， 趙 軍， 王志宇， 王茂成， 呂 偉， 王百川， 雷 鈺， 邢慶子， 程 誠， 王忠明

(1. 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室， 西安 710024； 2. 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024； 3. 北京航天廣通科技有限公司， 北京 100854； 4. 清華大學(xué) 工程物理系， 北京 100084)

西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)由200 MeV質(zhì)子同步加速器和7 MeV負氫離子直線注入器組成，是基于加速器的空間質(zhì)子輻照地面模擬專用裝置，可開展宇航級抗輻射電子器件的空間輻射效應(yīng)和輻射探測技術(shù)等方面的研究工作[1-2]。注入器由負氫離子源(IS)、低能傳輸段(LEBT)、RFQ、DTL和中能傳輸段(MEBT)組成，包括RFQ、DTL和散束器3臺的工作頻率為325 MHz射頻腔，采用2套500 kW四極管功率源和1套15 kW全固態(tài)功率源提供射頻功率，射頻激勵信號由LLRF產(chǎn)生。該注入器可產(chǎn)生脈沖寬度為40 μs、重復(fù)頻率為0.5 Hz的7 MeV脈沖負氫離子束流，其中，RFQ將來自LEBT的負氫離子束流由50 keV加速至3 MeV； DTL進一步將束流加速至7 MeV；最后散束器將束流動量分散度由1%降低至0.45%，提高束流注入同步環(huán)時的注入效率[3-4]。腔內(nèi)電場強度的幅值和相位監(jiān)測控制對直線加速器至關(guān)重要，是保持束流縱向動力學(xué)參數(shù)匹配和實現(xiàn)束團穩(wěn)定加速的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代加速器通常使用LLRF對腔內(nèi)電場強度進行監(jiān)測與控制，XiPAF直線注入器采用3套獨立的LLRF，實現(xiàn)對RFQ、DTL和散束器腔內(nèi)射頻電場強度的精確控制。

1 XiPAF直線注入器射頻功率源

XiPAF直線注入器如圖1所示。3臺射頻腔的工作頻率均為325 MHz，以脈沖模式運行，射頻脈沖最大重復(fù)頻率為1 Hz?？紤]建立加速電場的功率損耗、束流損耗及功率傳輸系統(tǒng)的損耗，RFQ，DTL和散束器需要的射頻峰值功率分別為406 ,263,7 kW。為保證束流的脈沖寬度為40 μs，考慮加速腔內(nèi)電場建立所需的填充時間，饋入RFQ，DTL腔內(nèi)的射頻功率脈沖寬度應(yīng)不小于60 μs；散束器建場時間更長，入腔功率脈沖寬度須不小于120 μs。直線注入器射頻參數(shù)如表1所列[5-6]。

表1 XiPAF直線注入器射頻參數(shù)Tab.1 RF parameters of XiPAF linac injector

圖1 XiPAF直線注入器Fig.1 Linac injector of XiPAF

基于上述需求研制了2種型號共3套功率源，直線注入器功率源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，2套500 kW四極管功率源用于RFQ和DTL，包括2套獨立的功率放大鏈路，各自配有獨立的LLRF、推動級及燈絲、柵極和簾柵電源，共用1套陽極電源及1套監(jiān)控保護系統(tǒng)。功率源系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)包括2套末級功放機柜、1套監(jiān)控機柜及1套陽極高壓電源機柜。與同等功率級別的速調(diào)管功率源系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。功率源系統(tǒng)運行在低重頻、窄脈沖模式，工作頻率為325 MHz，最大重復(fù)頻率為1 Hz，最大脈沖寬度為150 μs，采用2級放大模式，推動級為全固態(tài)功率放大器，可將來自LLRF的325 MHz射頻激勵信號放大至7 kW輸送給末級輸入腔；末級功率放大器為BURLE公司的4616V4型四極管，配套BURLE Y1413型同軸輸入輸出腔，模塊化陽極直流電源可為四極管陽極提供最高為24 kV的直流高壓，使每只四極管可輸出最高峰值為500 kW的射頻功率，并由兩路6.125 in(1 in = 2.54 cm)同軸微波傳輸線輸送至RFQ以及DTL。

圖2 直線注入器功率源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 RF power system of linac injector

散束器采用1套15 kW全固態(tài)功率源，整機機械結(jié)構(gòu)為1個19 in標準機柜，主體是4臺5 kW固態(tài)功率放大器，功放結(jié)構(gòu)為1個19 in 4U機箱，包括8個1 000 W功率放大器模塊，功放管選用水平擴散型場效應(yīng)管(LDMOS)，采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊。功率源工作時，來自LLRF的325 MHz激勵信號，首先經(jīng)過1臺200 W固態(tài)推動級放大，再通過功率分配網(wǎng)絡(luò)，同相功率分配給4臺5 kW固態(tài)放大器，經(jīng)過進一步放大的射頻功率進入末級功率合成隔離網(wǎng)絡(luò)，同相功率合成為最高峰值為15 kW的射頻功率，最終由3.125 in同軸微波傳輸線輸送給散束器腔體。

2 低電平控制系統(tǒng)設(shè)計

研制了同一型號的3套數(shù)字化LLRF，用于產(chǎn)生直線注入器的射頻信號，監(jiān)測和控制RFQ，DTL及散束器射頻電場。LLRF可根據(jù)設(shè)定的射頻電場脈寬和電場強度的相位及幅度，生成用于驅(qū)動射頻功率源的325 MHz激勵信號，閉環(huán)模式下可根據(jù)信號拾取器(pickup)采集到的射頻腔內(nèi)電場信號，實時解算出腔內(nèi)實際的電場參數(shù)，并通過反饋算法對輸出的信號參數(shù)進行調(diào)整，實現(xiàn)對腔內(nèi)電場強度的幅度和相位的閉環(huán)控制，控制穩(wěn)定度分別為±1%，±1°以內(nèi)。

2.1 模擬組件設(shè)計及工作流程

LLRF包括數(shù)字組件與模擬組件，其中模擬組件用于生成不同頻率的射頻信號，數(shù)字組件用于對數(shù)字信號進行運算處理。模擬和數(shù)字信號可通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)相互轉(zhuǎn)換。

模擬組件是LLRF產(chǎn)生射頻信號的基礎(chǔ)，包括本振組件、時鐘分配組件和上下變頻組件。本振組件使用來自外部信號源的325 MHz參考信號產(chǎn)生361 MHz本振信號(LO)；上下變頻組件可通過混頻方式，將325 MHz信號下變頻為36 MHz中頻信號(IF)，或?qū)⒅蓄l信號上變頻為325 MHz信號；時鐘組件可通過將中頻信號倍頻，產(chǎn)生144 MHz采樣時鐘信號。

LLRF模擬組件的工作流程如圖3所示。開環(huán)模式工作時，由數(shù)字組件根據(jù)設(shè)定的射頻脈沖參數(shù)產(chǎn)生數(shù)字中頻信號，經(jīng)過DAC得到模擬中頻信號，再經(jīng)過上變頻，生成325 MHz的激勵信號；閉環(huán)工作時，來自pickup的325 MHz腔內(nèi)電場信號下變頻為中頻信號，由ADC對36 MHz的中頻信號以144 MHz的采樣時鐘進行4倍頻采樣，得到的數(shù)字采樣信號最后由數(shù)字組件進行運算處理，解算電場參數(shù)并產(chǎn)生新的激勵信號，完成對電場強度幅度和相位的監(jiān)測與控制。

圖3 LLRF工作流程Fig.3 Workflow of LLRF

2.2 數(shù)字組件設(shè)計及工作流程

數(shù)字組件是LLRF實現(xiàn)電場強度的幅度和相位控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，核心硬件為1塊FPGA芯片，另有2塊DSP芯片協(xié)助FPGA進行數(shù)據(jù)計算和信號處理，充分發(fā)揮DSP的浮點運算能力和FPGA快速定點處理的優(yōu)勢[7-8]。軟件算法采用了加速器射頻控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)字正交調(diào)制解調(diào)技術(shù)(I/Q)[9-10], 可實現(xiàn)I/Q解調(diào)、比例積分反饋控制(PI)及數(shù)字控制振蕩器(NCO)等功能。

LLRF以數(shù)字I/Q解調(diào)技術(shù)處理經(jīng)過下變頻的pickup信號，信號可表示為正弦波V=cos(ωφ)，在2維復(fù)坐標系可表述為復(fù)矢量V=Aej(ωt+φ)，復(fù)矢量在實軸上的投影稱為I(In_phase)分量，I=Acos(ωt+φ)；在虛軸上的投影稱為Q(quadrature)分量，Q=Asin(ωt+φ)。通過測量一個特定正弦波復(fù)矢量的I分量和Q分量，可獲得該正弦信號的振幅和相位。

LLRF數(shù)字處理算法如圖4所示，工作過程分為5個步驟：1)由ADC對經(jīng)過下變頻的36 MHz pickup信號進行4倍頻采樣，一個中頻周期內(nèi)采樣4次，兩個相鄰采樣點之間的相位間隔為π/2。設(shè)第一個采樣點P1=Acos(ωt+φ)=I,可知采樣得到的數(shù)據(jù)將以I, -Q, -I,Q的順序重復(fù)出現(xiàn)，重復(fù)頻率為中頻頻率；2)在ADC對中頻信號采樣的過程中，會使每個采樣點的值疊加一個固定的直流偏移分量，可通過直流偏移移除單元對同一周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進行校準，去除直流分量，得到本周期對應(yīng)時刻的I和Q；3)取相鄰的2個采樣點作為相應(yīng)時刻復(fù)矢量在實軸和虛軸上的投影，即以t時刻一對相鄰的It、Qt表示一個復(fù)矢量Vt(It,Qt)，為對采樣值與設(shè)定值進行比較，這些復(fù)矢量需要一個統(tǒng)一的參考基準，以第一個復(fù)矢量Vt1(It1,Qt1)為基準，后續(xù)所有的復(fù)矢量都必須旋轉(zhuǎn)到相同的位置上，各矢量的旋轉(zhuǎn)角度依次為-90°，-180°，-270°，……，即對復(fù)矢量乘以相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣,同時為校準功率傳輸與放大鏈路帶來的電場強度幅度增減與相移，還需對所有復(fù)矢量乘以一個校準矩陣，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)與校準后得到的一系列復(fù)矢量即為I/Q解調(diào)的結(jié)果，可表征相應(yīng)時刻加速腔內(nèi)電場強度的幅度和相位；4)閉環(huán)工作模式下，將每個時刻的復(fù)矢量與I、Q設(shè)定值Iset、Qset比較，產(chǎn)生的差值作為閉環(huán)反饋控制的輸入，采用數(shù)字PI算法實現(xiàn)電場強度的幅度和相位的反饋控制，以采樣信號的I、Q值作為控制對象，在數(shù)字采樣時間間隔Δt非常小的情況下，數(shù)字PI控制方程可寫為時域差分形式，選擇適當(dāng)?shù)谋壤头e分項系數(shù)kP，kI，可使得I，Q值穩(wěn)定在設(shè)定值Iset，Qset附近，最終通過NCO模塊將經(jīng)過反饋控制得到的I，Q兩路信號調(diào)制為36 MHz中頻數(shù)字信號，然后輸出到DAC中產(chǎn)生模擬中頻信號，進一步經(jīng)過上變頻，輸出射頻激勵信號；5)開環(huán)模式下，NCO模塊直接將設(shè)定值Iset、Qset調(diào)制為36 MHz中頻數(shù)字信號，繼而經(jīng)過DAC及上變頻，輸出射頻激勵信號。

圖4 LLRF數(shù)字處理算法Fig.4 LLRF digital processing algorithm

2.3 結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計

LLRF機械結(jié)構(gòu)為19英寸標準5U機箱，可置于功率源系統(tǒng)機柜內(nèi)。LLRF機箱通過以太網(wǎng)與控制計算機連接，在Windows環(huán)境下運行控制程序，可對輸出的激勵信號幅度、相位、脈寬及閉環(huán)反饋參數(shù)進行設(shè)置，也可通過加速器中央控制系統(tǒng)遠程控制。LLRF由外部3.3 V TTL信號觸發(fā)開始工作，3臺LLRF的觸發(fā)信號均由加速器同步定時系統(tǒng)提供，實現(xiàn)RFQ、DTL和散束器3路射頻脈沖同步；3套LLRF的參考信號來自同一個外部325 MHz信號源，保證3臺射頻腔內(nèi)的射頻電場相位關(guān)系嚴格相參。

設(shè)計了1套駐波比保護系統(tǒng)(SRP)，包括駐波比解算電路及射頻開關(guān)電路，可為3路射頻鏈路提供獨立的駐波比保護。來自3套LLRF的射頻激勵信號先通過SRP機箱的射頻開關(guān)電路，再接入功率源推動級；駐波比解算電路分別接入RFQ、DTL和散束器功率傳輸線上的定向耦合器信號，根據(jù)入射與反射信號實時計算電壓駐波比(VSWR)。當(dāng)腔體打火或嚴重失諧時，VSWR將超過設(shè)定的閾值，SRP射頻開關(guān)將切斷從LLRF輸出到推動級的射頻激勵信號，保護響應(yīng)時間小于10 μs，可實現(xiàn)射頻脈寬內(nèi)的快速保護，避免功率源及傳輸系統(tǒng)受到更多反射功率的沖擊，防止腔體繼續(xù)打火。

3 低電平控制系統(tǒng)測試

3.1 低電平控制系統(tǒng)自測

首先測試LLRF鑒定相位和幅度的精度。將信號發(fā)生器產(chǎn)生的325 MHz信號接入LLRF pickup信號輸入端口，依次改變輸出信號的相位和幅度，使用LLRF讀取信號的相位和幅度，測得LLRF最小可鑒別的相位差為0.5°，最小可鑒別的幅度差為0.4%，滿足幅度和相位控制穩(wěn)定度分別在±1%，±1°以內(nèi)的要求。然后測試LLRF對信號幅度和相位的閉環(huán)控制穩(wěn)定度，以LLRF輸出的激勵信號代替pickup信號，使LLRF自身形成信號控制環(huán)路，在閉環(huán)模式下運行24小時，由LLRF讀取并記錄信號的幅度和相位值，測試結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5和圖6可見LLRF對信號幅度和相位控制的穩(wěn)定度分別在±1%，±1°以內(nèi)。

圖5 LLRF信號幅度閉環(huán)控制測試結(jié)果Fig.5 Amplitude test result of LLRF close-loop control

圖6 LLRF信號相位閉環(huán)控制測試結(jié)果Fig.6 Phase test result of LLRF close-loop control

3.2 注入器射頻功率源系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

在注入器射頻功率源系統(tǒng)聯(lián)調(diào)前，首先，用射頻信號發(fā)生器代替LLRF作為射頻激勵信號源，對RFQ、DTL和散束器進行射頻功率老練，以60 μs脈寬、1 Hz重頻的325 MHz射頻功率饋入RFQ和DTL腔體，從100 kW以下的低功率開始，在不發(fā)生打火的前提下，逐步提升入腔功率，最終饋入RFQ和DTL的功率分別達到406 kW、263 kW；其次，對散束器以120 μs脈寬射頻功率進行老練，最終入腔功率達到7 kW；然后，以LLRF產(chǎn)生的射頻激勵，分別對RFQ、DTL和散束器的LLRF閉環(huán)反饋功能進行了測試。將來自各個射頻腔的pickup信號接入LLRF，調(diào)整I、Q參數(shù)的PI反饋系數(shù)kP(I)、kI(I)、kP(Q)、kI(Q)，最終使各個射頻腔內(nèi)的電場強度的幅度和相位與設(shè)定值的偏差均保持在±1%,±1°以內(nèi)。駐波比保護裝置在注入器運行的過程中工作正常，VSWR保護閾值設(shè)為3，在加速腔發(fā)生打火或嚴重失諧時，保護裝置能夠在10 μs以內(nèi)切斷LLRF輸出的射頻激勵信號。

3.3 束流實驗結(jié)果

將3套LLRF應(yīng)用于直線注入器調(diào)試實驗，使用加速器中央控制系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)束軟件逐個掃描RFQ、DTL和散束器電場強度的幅度和相位等參數(shù)，確定各個射頻腔的準確入腔功率和各腔之間正確的相對相位，從而實現(xiàn)整個注入器束流縱向參數(shù)的匹配及束流傳輸效率的最優(yōu)化。逐步實施了RFQ 3 MeV束流加速實驗、DTL 7 MeV束流加速實驗及散束器降低7 MeV束流能散實驗。使用交流束流變壓器(ACCT)測得注入器各位置處的束流強度如圖7所示。

圖7 XiPAF注入器各位置處的束流強度Fig.7 Beam currents at different locations of XiPAF linac injector

4 總結(jié)

針對XiPAF直線注入器的使用需求，研制了3套數(shù)字化LLRF，用于驅(qū)動2套500 kW四極管功率源和1套15 kW固態(tài)功率源，實現(xiàn)了RFQ、DTL和散束器腔內(nèi)射頻電場強度的幅度和相位的精確控制。LLRF輸出射頻頻率為325 MHz，基于FPGA芯片和數(shù)字I/Q控制算法，以PI控制算法實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，腔內(nèi)射頻電場強度的幅度和相位穩(wěn)定度分別達到了±1%,±1°以內(nèi)。應(yīng)用LLRF順利實施了XiPAF注入器7 MeV負氫束流注入實驗。