上海光源超導三次諧波腔低電平研制

張志剛 趙玉彬 徐 凱 鄭 湘 常 強 趙申杰 馬震宇 蔣鴻儒楊文峰 黃雪芳 王 巖 是 晶 侯洪濤

（中國科學院上海高等研究院 上海 201204）

束流壽命是同步輻射光源的最重要設計參數之一，其中托歇克散射是影響束流壽命的主要因數［1?2］。隨著上海光源越來越多插入件的安裝和調試使用，提高束流壽命將成為一個重大挑戰(zhàn)。在二期升級建設中，上海光源自主研制的超導三次諧波腔已安裝就位并通過束流測試，達到拉伸束團提高束流壽命的目標。

諧波腔的工作模式有主動式和被動式兩種。與主動式諧波腔相比，被動式諧波腔具有以下特點：1）無需高頻功率源提供功率，環(huán)路控制結構相對簡化，諧波腔在正常工作時，束團相對感應電壓的相位基本不變，束團拉伸只通過調節(jié)調諧器；2）對于固定流強條件下，感應腔壓的相位和幅度關系固定，無法同時滿足幅度和相位皆處于最佳拉伸狀態(tài)，故總的拉伸效果低于主動式諧波腔；3）因依賴束流流強建立腔壓，低流強條件下應用受限。由于被動式諧波腔不需要高頻功率源提供功率，故在工程實施和成本預算方面具有較大優(yōu)勢，目前國際和國內的主流皆采用被動式諧波腔。如國際上瑞士的SLS（Swiss Light Source）［3?4］與意大利的Elettra［4］的超導三次諧波腔，美國的APS-U（Advanced Photon Source Upgrade）［5］和NSLS-II（National Synchrotron Light Source II）［6?7］的超導四次諧波腔，國內合肥光源的常溫四次諧波腔。其中，SLS和合肥光源的諧波腔的控制均采用的系統是PLC控制系統，合肥光源的控制器通過調節(jié)慢速電機使諧波腔腔壓的穩(wěn)定在（40±0.5）kV范圍［6］。

上海光源二期高頻系統（如圖1）包含超導三次諧波腔、低電平控制器、信號監(jiān)測和聯鎖控制器、電機驅動器等，各設備的簡要功能作用介紹如表1。

表1 上海光源高頻二期設備功能簡介Table 1 Equipment function of SSRF phase II

圖1 上海光源二期高頻系統框圖LLRF—低電平控制器，Feedback—感應耦合的腔壓信號，Beam—束流位置探測信號Fig.1 Block diagram of RF system at the phase II of SSRF LLRF—Low level radio frequency,Feedback—Coupling voltage,Beam—Beam position monitor

1 諧波腔模型及腔壓

諧振腔可等效為圖2所示的并行諧振電路模型，Rs是諧振腔的分路阻抗，Ib是平均電子束流的鏡像電流，C和L分別為諧振腔的等效電容和電感［8?10］。

圖2 諧振腔的網絡模型Fig.2 Model of electrical model of resonance cavity

諧振腔的諧振角頻率可以被表示為：

諧振腔的阻抗可以被表示為：

ωrf是儲存環(huán)的高頻角頻率，根據等效的電路模型，束流經過諧振腔所感應的電壓為［2，10?13］：

在頻率為nω的諧振腔中感應的電壓為：

上海光源主高頻有3臺500 MHz的超導腔，在三次諧波腔投入運行后，束團感應的加速電場是主高頻腔壓和諧波腔腔壓之和。束團在前進時受到諧波腔壓調制，實際長度隨之改變，從而達到拉伸的目的，其總腔壓可表示為：

式中：Vrf是主高頻系統的峰值電壓；ωrf是儲存環(huán)的高頻頻率；?s是同步相位角；ψh是相對諧波相位；n是諧波數。

上海光源三次諧波腔參數如表2所示［2，14?15］，圖3為高頻腔模擬計算值。

表2 上海光源三次諧波腔參數Table 2 Parameters of SSRF harmonic cavity

圖3 高頻腔壓模擬計算結果Fig.3 Simulation result of the voltage of the RF system

2 控制原理

超導三次諧波腔的低電平控制器的控制目標是通過慢速步進電機和快速壓電陶瓷（piezo）的協調控制手段，將諧波腔的腔壓幅度穩(wěn)定在±1%，由于上海光源的諧波腔工作于被動模式，唯一可調的參數只有失諧角。

上海光源三次諧波腔低電平控制器原理圖如圖4所示，入射信號包括參考信號、諧波腔感應腔壓信號以及束流位置探測器（Beam Position Monitor，BPM）感應信號三路射頻信號。束流位置探測器感應信號實時反饋流強信息；諧波腔感應腔壓信號實時追蹤諧波腔腔壓信息；以諧波腔的參考信號為基準，以感應腔壓信號與基準信號的差值作為失諧方向的判據。為了與上海光源儲存環(huán)高頻的低電平控制器兼容，采用的中頻信號頻率為31.25 MHz。

圖4 上海光源三次諧波腔低電平控制器原理圖Fig.4 Schematic diagram of the LLRF controller in 3rd harmonic cavity at SSRF

三次諧波腔低電平的控制模式分為自動閉環(huán)和人為干預閉環(huán)兩種工作機制。其中，在自動閉環(huán)機制下，當流強大于設定閾值，環(huán)路自動閉環(huán)；在人為干預閉環(huán)機制下，可通過調節(jié)慢速電機的位置和piezo電壓值使諧波腔處于拉伸狀態(tài)。

傳統的調諧方式一般都是單獨采用慢速調諧和人為干預閉環(huán)機制來實現腔壓的穩(wěn)定，無法實現腔壓的高穩(wěn)定性和智能化操作。本項目設計了慢速步進電機和快速壓電陶瓷協同控制的策略，達到腔壓控制的穩(wěn)定性要求。接下來將對束流信號處理、piezo電壓與位移的關系和控制算法進行介紹。

2.1 束流信號處理及測量

加速器束流位置測量系統常用的信號處理方法有差比法、對數比、幅相轉換、幅時轉換等方法［16?17］。綜合考慮束流運行參數、現場環(huán)境和束流動態(tài)范圍大等特點，在三次諧波腔的控制中，采用了對數比的信號處理方法，具體流程如圖5所示，包含對數檢波器（Detector）、低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）、信號放大器（Amplifier）、模擬數字采集模塊（SDAC）和現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）等器件；束流信號經圖5處理后在不同流強得到的數據如圖6，R2為0.9943，具有較好的線性，為§2.3中閉環(huán)控制中流強閾值設置做參考。

圖5 束流信號測量流程框圖Fig.5 Flow chart of the measurement beam sign

圖6 束流信號經檢波、濾波和放大后采集的數據Fig.6 Data collected after detecting、filtering and amplification

2.2 Piezo性能介紹和電壓位移關系

壓電陶瓷（piezo）是一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，具有壓電性、介電性、彈性等特質，兼具分辨率高、響應快、功耗小、高動態(tài)和最大可實現毫米的運動范圍的優(yōu)點［2］，同時封裝陶瓷具有機械強度高，便于安裝固定，可承受軸向拉力，抗干擾強，穩(wěn)定性高和保護陶瓷等特點，本項目采用的是機械封裝壓電陶瓷。

壓電陶瓷自身的結構特性對超導腔的調諧性能產生直接影響，尤其是固有特性中的遲滯特性與非線性。在工作電壓范圍內，壓電陶瓷升壓曲線和降壓曲線實驗數據測試如圖7不是重合的，在控制器中，系統下一時刻的輸出不僅取決于當前時刻的輸入和輸出，還取決于其處于升壓過程還是降壓過程，且上升曲線和下降曲線之間沒有對稱軸，以上這些特性，對控制算法提出更高的要求，壓電陶瓷的遲滯一般在設定電壓對應位移值得的10%~15%［18］。

圖7 Piezo電壓(0~1 000 V)與位移實驗數據測試（升壓和降壓曲線）Fig.7 Experimental data of piezo voltage and displacement(increase or decrease)

2.3 控制算法

三次諧波腔頻調環(huán)路控制原理框圖如圖8所示。以諧波腔的參考信號為基準，以感應腔壓信號與基準信號的差值作為慢速調諧電機和快調諧piezo的控制輸入，考慮控制功能的獨立性與安全性，將慢調諧電機的控制環(huán)路和快調諧piezo的控制環(huán)路獨立設計。

圖8 頻調控制方案簡圖Fig.8 Brief schematic of the controller in tuner

慢調諧電機和快調諧piezo都有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種模式。在開環(huán)模式下，慢調諧電機是通過人機交互界面手動控制慢調諧電機的使能和方向，通過位移傳感器信號或實時諧波腔腔壓反饋來決定電機是否需要繼續(xù)動作；快調諧piezo的控制采用人機交互界面手動設置piezo驅動電壓，并通過實時諧波腔腔壓反饋來人為決定是否需要繼續(xù)進行調節(jié)piezo驅動電壓。

在閉環(huán)模式下，頻調環(huán)路采用電機慢調諧和Piezo快調諧協同控制策略，電機負責大范圍的粗調諧，而piezo負責細調諧，兩者的運行閾值關系如圖9所示。為保證閉環(huán)控制的安全性，設計有感應腔壓閾值，即當感應腔壓幅值大于設置閾值時，閉環(huán)有效，反之無效。

慢調諧的閉環(huán)模式控制：為了減少步進電機的動作頻度和延長使用壽命，采用二級閾值控制，具體如圖9所示。△Amp表示諧波腔頻率的活動范圍，±Th2表示諧波腔頻率控制環(huán)路啟動馬達閾值設置，±Th1表示諧波腔頻率控制環(huán)路馬達停止閾值，諧波腔慢調諧閉環(huán)頻率差值與電機動作解析如表3所示。

圖9 慢調諧和Piezo快調諧閾值關系圖Fig.9 Tuning thresholds related to the status of motor(slow tuning)and piezo(fast tuning)

表3 慢調諧閉環(huán)頻率差值與電機動作解析Table 3 Analysis the relation between the difference of frequency and status of motor in close loop

Piezo快調諧的閉環(huán)模式控制：在閉環(huán)控制時，piezo始終處于調諧狀態(tài)，±Th3表示諧波腔頻率在此范圍內piezo工作電壓不改變，考慮piezo工作的安全性和實際工作電壓需求，其工作電壓必須≥0，故在設計時，可設置piezo最小輸出電壓（≥0）和最大輸出電壓。

2.4 Quench邏輯設計及測試

因三次諧波腔為被動腔，沒有功率源提供入射信號，只能采用參考信號與感應腔壓信號來設計quench聯鎖條件，當前項目使用的聯鎖觸發(fā)條件如下：當探測到的腔壓與設定值的絕對值大于設定的閾值時，超導腔處于失超狀態(tài)，激活并輸出quench聯鎖信號，對諧波腔工作環(huán)境異常判斷進而通過主高頻作出對應響應保護諧波腔，判定流程如圖10所示。為便于故障追查，聯鎖信號增加鎖存功能（圖10中的quench_latchout）。

圖10 Quench判定流程圖Fig10 Chart of the judgement on quench

在工程應用，quench保護響應慢會對諧波腔的安全運行帶來隱患，故對quench判定時延較為關注，通過軟硬件設計及開發(fā)，失超探測功能通過聯調，經測試（如圖11所示），低電平探測判定quench聯鎖信號傳給諧波腔的PLC時延約為16 μs，諧波腔的PLC接收到quench信號，然后再反饋給主高頻的發(fā)射機的時延約為62 μs，主高頻的發(fā)射機接收到quench聯鎖信號并做出響應的時延約為100 μs，即當低電平控制器監(jiān)測判斷quench聯鎖信號到主高頻對此信號做出響應時間在200 μs以內，滿足使用需求。

圖11 Quench延遲實測（Quench觸發(fā)、PLC接收到Quench信號、發(fā)射機接收到Quench信號）（彩圖見網絡版）Fig11 Delayed measurement of quench signal(Quench trigger,Quench to PLC,Quench to klystron in main RF system)(Color online)

3 束流穩(wěn)定性測試和束流壽命改善測試

當束流在120 mA top-up工作模式下，諧波腔正常工作時幅值穩(wěn)定度由開環(huán)的±5%（圖12（a））提高到閉環(huán)的±1%（圖12（b））以內，如圖12所示，達到設計指標，將數據列出來如表4。在閉環(huán)工作模式下，piezo電壓波動范圍在120 V范圍以內，無陡升陡降，如圖13所示，既提升了piezo的使用壽命，又得到了輸出電壓平滑穩(wěn)定的效果。

表4 諧波腔幅度穩(wěn)定性測試結果Table 4 Test results of amplitude stability in SSRF harmonic cavity

圖12 腔壓幅度穩(wěn)定性比較(a)開環(huán)≤±5%，(b)閉環(huán)≤±1%Fig.12 Amplitude stability comparison of cavity voltage(a)Open loop within±5%,(b)Close loop within±1%

圖13 Piezo電壓輸出Fig.13 Output voltage of piezo

在主高頻提供的總腔壓為4.5 MV的情形下，束流強度為200 mA時，諧波腔未工作時束流壽命為5.27 h，諧波腔工作時束流壽命能達到11.7 h，如圖14所示，束流壽命得到極大改善，同時束團長度從55 ps拉伸到116 ps。

圖14 束流壽命改善測試(a)未拉伸，(b)拉伸Fig.14 Improvement of beam life(a)Not stretched,(b)Stretched

4 結語

本文描述了上海光源被動式超導三次諧波腔的數字化低電平控制器的研制，解決了慢速電機和快速piezo協同控制的策略。經在線測試，在超過

120 mA正常工作狀態(tài)下，諧波腔感應腔壓的幅度穩(wěn)定度由開環(huán)控制的±5%提高到閉環(huán)控制的±1%以內，達到設計指標，piezo電壓波動范圍在120 V范圍以內，達到輸出電壓平滑穩(wěn)定的效果，同時quench延遲在200 μs以內，滿足使用需求。在流強為200 mA和儲存環(huán)高頻提供的同等腔壓條件下，諧波腔處于工作狀態(tài)時束流壽命提高1倍以上。

作者貢獻聲明張志剛：負責控制器的硬件板卡的設計、搭建、測試、軟件設計和調試、桌面測試、在線聯調、數據收集整理、文章的起草和最終版本的修訂；趙玉彬：負責控制器的硬件板卡的設計、軟件設計、控制邏輯合理性建議、項目的監(jiān)督和管理；徐凱：負責基于LinX上層軟件開發(fā)和數據收集；鄭湘：負責硬件板卡的設計、軟件設計合理性建議；常強：負責系統調試和實驗數據合理性判斷；趙申杰：負責聯鎖判斷和實驗數據合理性判斷；馬震宇：負責步進馬達離線測試；蔣鴻儒：負責基于LinX上層軟件開發(fā)和數據收集；楊文峰：負責數據收集整理；黃雪芳：負責基于LinX上層軟件開發(fā)和數據收集；王巖：負責步進馬達和Piezo性能離線測試；是晶：負責系統在線調試和數據收集；侯洪濤：負責項目的監(jiān)督和管理、系統在線調試和數據收集。