医用回旋加速器高频控制系统设计

中国工程物理研究院流体物理研究所自主研制了用于医疗诊断的PET医用回旋加速器。为满足该医用回旋加速器安全、稳定运行的要求,采用了不带低电平控制功能的高频系统,避免了直接接触高压的危险。选用西门子的S7-1500可编程控制器为前端控制器,完成了系统工作频率的精确扫描,实现了高频系统相位稳定、幅度稳定、安全联锁等。该系统连续运行的结果表明：控制系统的设计满足加速器运行及调试要求,为系统的稳定运行提供了支撑。     

医用回旋加速器高频控制系统设计

中国工程物理研究院流体物理研究所自主研制了用于医疗诊断的PET医用回旋加速器。为满足该医用回旋加速器安全、稳定运行的要求,采用了不带低电平控制功能的高频系统,避免了直接接触高压的危险。选用西门子的S7-1500可编程控制器为前端控制器,完成了系统工作频率的精确扫描,实现了高频系统相位稳定、幅度稳定、安全联锁等。该系统连续运行的结果表明:控制系统的设计满足加速器运行及调试要求,为系统的稳定运行提供了支撑。     

201.5MHz中子照相用RFQ加速器低电平控制系统的设计

北京大学自主研制了基于射频四极(Radio Frequency Quadrupole,RFQ)强流氘束加速器。为满足该加速器稳定运行的要求,设计了一套低电平控制系统,系统主要包含自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)和自动频率控制(Automatic Frequency Control,AFC)两种方式,可实现对腔体频率、进腔功率的自动控制和手动控制。为保证安全、稳定运行,对SWR(Standing Wave Ratio)、限位信号进行监测,通过RS232协议和Lab VIEW界面实现HMI(Human Machine Interface),亦可实现与PLC(Programmable Logic Controller)的无缝对接。连续闭环运行表明,控制系统对场幅度和相位的控制精度能够达到±1%和±1°之内,证明该低电平控制系统达到了RFQ加速器对各路功率和腔体频率稳定控制的要求。     

用于回旋加速器射频低电平系统的通用DSP固件程序设计

针对回旋加速器射频系统幅度、相位、启动逻辑、联锁保护、在线参数修改等控制需求,编写了一种基于有限状态机的通用DSP固件程序。该固件程序将射频系统启动过程划分为5个状态:封锁RF信号、搜索腔体谐振点、提升射频功率、匹配相位、幅相闭环控制。该固件程序通过串口与本地上位机和远程控制机进行实时通信,支持在线修改射频系统启动参数;采用异步事件驱动方式,实现对打火和反射功率过大等异常情况快速响应。该固件程序成功应用于CYCIAE-100回旋加速器射频低电平系统中,在CYCIAE-100回旋加速器调束过程中,完成了射频系统的启动控制和设备保护,满足加速器控制系统的需求。     

100MeV回旋加速器高频系统的初步设计

100MeV回旋加速器高频系统近期的工作进展包括腔体的结构和数值计算、高频功率发生器、稳定度闭环控制设计等。高频系统由四分之一波长的铜质共振腔、高频功率发生器和低电平控制电路构成。它的主要参数如下:运行频率,44.5MHz;高频输出功率,120kW;高频频率稳定性,±5×10-8;D电     

用于回旋加速器低电平系统的通用软硬件系统设计与实现

针对回旋加速器射频系统幅度、相位、频率、自动启动逻辑、联锁保护、在线参数修改等控制需求，设计了一种用于回旋加速器低电平系统的软硬件系统。该系统的硬件基于ZYNQ系列FPGA和高速ADC及DAC。采用数字下变频技术实现了幅度、相位和调谐控制；采用数字电路实现了腔体打火的快速检测。幅度控制精度为0.015%，相位控制精度为0.04°。该系统充分发挥了数字低电平系统的全可编程优势，通过上位机修改参数即可适用于多种回旋加速器。     

5 100MeV回旋加速器高频腔体设计与木模实验

在100MeV回旋加速器中，高频腔体的频率范围为43～45MHz，Dee电压分布中心区为60kV，大半径区域约为120kV。要求腔体在满足频率要求和Dee电压分布的同时，有良好的机械稳定度和较低的功率损耗。     

100 MeV回旋加速器高频腔体设计与木模实验

在100MeV回旋加速器中,高频腔体的频率范围为43～45MHz,Dee电压分布中心区为60kV,大半径区域约为120kV。要求腔体在满足频率要求和Dee电压分布的同时,有良好的机械稳定度和较低的功率损耗。为充分利用磁铁谷区的空间,设计的两个腔体完全安放在两个相对的谷区中,外腔做成三角形,     

CRAFT-ICRF低电平控制系统的设计和实现

在聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)的实验中,为了稳定控制射频功率和满足复杂的物理实验需求,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)芯片的低电平控制系统。通过上位机输入射频信号功率参数,采用对数检波器AD8307、直接数字频率合成器(DDS)、高精度的模数转换器(ADC)以及模拟衰减器等芯片,完成了射频功率测量与稳定输出、射频功率的反馈控制以及多阶功率调制等功能设计与实现。搭建了一套能够高效开展低电平控制系统的测试平台,通过实验验证该系统的功率反馈控制与多阶调制的有效性的同时,实现±0.3%的幅度稳定度和±0.3°的相位稳定度,且达到长时间稳定运行的要求。     

HLS数字低电平系统的研制与在线调试

研制了数字低电平系统(DLLRF)替换了合肥光源(HLS)原模拟系统,实现储存环高频腔的频率调谐和高频加速场的快速幅相反馈控制。该系统主要由模拟信号变频和基于FPGA的数字处理两大功能模块构成。经过离线和在线调试,DLLRF闭环控制下高频场的无载幅相稳定度达到±0.1%和±0.1°。带束流运行后进一步优化了环路参数,储存环最高流强达到460 m A,并成功实现了300 m A TOP-OFF运行模式,高频场的载束幅相稳定度达到±0.2%和±0.2°。     

15-MeV电子直线加速器的低电平系统

15-MeV电子加速器驱动的光中子源装置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1,TPNS1)是专为钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)核数据测量设计和建造的。为保证直线加速器提供稳定的、高品质的束流,开发了基于可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)技术的低电平控制系统,利用上下变频、IQ(In-phase and Quadrature)调制解调技术实现了直线加速器幅度和相位的反馈控制。经测试,幅度和相位的控制精度达到±0.4%,可达±0.6°。长时间的运行表明,整个数字化环路的响应时间快,稳定性好,满足中子源装置的运行要求。     

基于FPGA的DDS信号获取与PI反馈算法设计

介绍了上海质子治疗装置高频低电平系统中扫频配置和PI反馈控制算法。通过编写Verilog HDL代码对AD9858芯片进行配置,实现了直接数字频率合成和频率扫描的功能,设计了PI算法以保证高频腔腔压幅度和相位的高精度和高稳定性。     

SXFEL装置上速调管输入输出特性曲线的线性化

在上海软X射线自由电子激光(Soft X-ray Free-electron Laser,SXFEL)中的微波低电平控制系统中,通过对各速调管的输出信号进行测量和控制,保证加速器的稳定运行并且达到技术指标。另一方面,SXFEL中的脉冲速调管的输入输出特性存在非线性的关系,这种电子管放大器不理想的非线性特性会导致微波低电平(Low Level Radio Frequency,LLRF)控制系统调节的效率降低。基于SXFEL装置,采用基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的数字预失真方法,在LLRF控制系统中设计了一套实现高功率速调管放大器线性化的在线系统。S波段加速装置和其相应的东芝E3730A速调管及高压调制器和低电平系统实地测试结果表明,在LLRF控制系统中建立的在线系统能够有效补偿速调管带来的非线性问题,提高微波低电平控制系统的精度及准确性。     

Advanced topics on RF amplitude and phase detection for low-level RF systems

Low-level radio frequency(LLRF) systems stabilize the electromagnetic field in the RF cavities used for beam acceleration in particle accelerators. Reliable, accurate, and precise detection of RF amplitude and phase is particularly important to achieve high field stability for pulsed accelerators of free-electron lasers(FEL). The digital LLRF systems employ analog-to-digital converters to sample the frequency down-converted RF signal and use digital demodulation algorithms to calculate the RF amplitude and phase. Different sampling strategies and demodulation algorithms have been developed for these purposes and are introduced in this paper. This article focuses on advanced topics concerning RF detection,including accurate RF transient measurement, wideband RF detection, and RF detection with an asynchronous trigger, local oscillator, or clock. The analysis is based on the Swiss FEL measurements, but the algorithms introduced are general for RF signal detection in particle accelerators.     

多线程通信方法在高频幅度控制中的应用

高频系统幅度控制环路开环时，束流将会在腔上引入与正常工作腔压可比的场，流强升高时束流要从腔上得到更多功率，此时腔自身消耗的功率保持不变，这就要求高频幅度控制发挥作用，满足束流和腔功率的要求。作为高频系统监控程序的一个组成部分，本文采用了多线程串口通信的方法实现了对SSRF高频系统激励电平的控制。     

EPICS based low-level radio frequency control system in LIPAc

The IFMIF–EVEDA (International Fusion Materials Irradiation Facility – Engineering Validation and Engineering Design Activity) linear accelerator, known as Linear IFMIF Prototype Accelerator (LIPAc), will be a 9 MeV, 125 mA continuous wave (CW) deuteron accelerator prototype to validate the technical options of the accelerator design for IFMIF. The primary mission of such facility is to test and verify materials performance when subjected to extensive neutron irradiation of the type encountered in a fusion reactor to prepare for the design, construction, licensing and safe operation of a fusion demonstration reactor (DEMO). The radio frequency (RF) power system of IFMIF–EVEDA consists of 18 RF chains working at 175 MHz with three amplification stages each. The low-level radio frequency (LLRF) controls the amplitude and phase of the signal to be synchronized with the beam and it also controls the resonance frequency of the cavities. The system is based on a commercial compact peripheral component interconnect (cPCI) field programmable gate array (FPGA) board, provided by Lyrtech and controlled by a Windows host PC. For this purpose, it is mandatory to communicate the cPCI FPGA board from EPICS Channel Access [1]. A software architecture on EPICS framework in order to control and monitor the LLRF system is presented.     

SHINE腔式BPM系统射频信号调理前端研制

基于低温超导直线加速器的上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）需1个分辨率可达200 nm的束流位置测量系统,以实现电子束与光子束在波荡器中的紧密相互作用和能量交换。现已研制的束流位置测量系统不能完全满足上述要求,为此,基于对关键技术指标的分配,设计研制了一个由C波段腔式探头、低噪声系数的单路下变频至低中频的射频信号调理前端以及专用数字信号束流位置处理器构成的CBPM系统样机。而作为连接腔式探头和数字信号采集电子学之间的桥梁,射频信号调理前端（radio frequency front end, RF前端）的结构和性能也直接决定了CBPM系统的性能。本文从SHINE对CBPM系统的整体需求为出发点,分析了系统对射频信号调理前端的指标分配,提出了一种放大器开关切换型RF前端的方案设计,并成功搭建了1套可模拟束流条件的离线全锁相采样测试平台。此外,在上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）中搭建了测试平台并完成了射频信号调理前端的带束性能评估,束流实验结果表明,在束团电荷量为100 pC、系统动态范围在±100 μm的条件下,采用腔式探头射频信号一分二的评估方法,位置分辨率可达71 nm,优于设计指标需求。     

基于冗余技术的强流质子RFQ控制系统设计

中国科学院近代物理研究所研制了一台用于ADS注入器Ⅱ的强流质子RFQ加速器。相对于常规功率源,用于RFQ腔体的功率源的控制精度要求更高、过程更复杂。控制系统需通过精确的水温控制实现频率调谐,水温的控制和监测精度要求为0.1 ℃。同时,为避免腔体因局部温度过高而损毁,控制系统必须实现实时的温度监测和可靠的联锁保护功能。为此,基于EPICS控制架构设计了RFQ控制系统,对关键控制代码的运行平台采用高性能冗余控制器,开发了具有网络冗余功能的IOC驱动程序,实现了水温联锁保护及高频系统控制。RFQ控制系统经现场测试,通信正常、运行稳定,冗余系统的主备切换时间在ms量级,满足RFQ腔体的控制要求。