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(chéng)， 王忠明

(1. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fù)氫離子直線(xiàn)注入器組成，是基于加速器的空間質(zhì)子輻照地面模擬專(zhuān)用裝置，可開(kāi)展宇航級(jí)抗輻射電子器件的空間輻射效應(yīng)和輻射探測(cè)技術(shù)等方面的研究工作[1-2]。注入器由負(fù)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(tái)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(lì)信號(hào)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(fù)氫離子束流，其中，RFQ將來(lái)自L(fǎng)EBT的負(fù)氫離子束流由50 keV加速至3 MeV； DTL進(jìn)一步將束流加速至7 MeV；最后散束器將束流動(dòng)量分散度由1%降低至0.45%，提高束流注入同步環(huán)時(shí)的注入效率[3-4]。腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的幅值和相位監(jiān)測(cè)控制對(duì)直線(xiàn)加速器至關(guān)重要，是保持束流縱向動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配和實(shí)現(xiàn)束團(tuán)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(duì)腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，XiPAF直線(xiàn)注入器采用3套獨(dú)立的LLRF，實(shí)現(xiàn)對(duì)RFQ、DTL和散束器腔內(nèi)射頻電場(chǎng)強(qiáng)度的精確控制。

1 XiPAF直線(xiàn)注入器射頻功率源

XiPAF直線(xiàn)注入器如圖1所示。3臺(tái)射頻腔的工作頻率均為325 MHz，以脈沖模式運(yùn)行，射頻脈沖最大重復(fù)頻率為1 Hz。考慮建立加速電場(chǎng)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(chǎng)建立所需的填充時(shí)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(chǎng)時(shí)間更長(zhǎng)，入腔功率脈沖寬度須不小于120 μs。直線(xiàn)注入器射頻參數(shù)如表1所列[5-6]。

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

圖1 XiPAF直線(xiàn)注入器Fig.1 Linac injector of XiPAF

基于上述需求研制了2種型號(hào)共3套功率源，直線(xiàn)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(dú)立的功率放大鏈路，各自配有獨(dú)立的LLRF、推動(dòng)級(jí)及燈絲、柵極和簾柵電源，共用1套陽(yáng)極電源及1套監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)。功率源系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括2套末級(jí)功放機(jī)柜、1套監(jiān)控機(jī)柜及1套陽(yáng)極高壓電源機(jī)柜。與同等功率級(jí)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(yùn)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(jí)放大模式，推動(dòng)級(jí)為全固態(tài)功率放大器，可將來(lái)自L(fǎng)LRF的325 MHz射頻激勵(lì)信號(hào)放大至7 kW輸送給末級(jí)輸入腔；末級(jí)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(yáng)極直流電源可為四極管陽(yáng)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(xiàn)輸送至RFQ以及DTL。

圖2 直線(xiàn)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(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)為1個(gè)19 in標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，主體是4臺(tái)5 kW固態(tài)功率放大器，功放結(jié)構(gòu)為1個(gè)19 in 4U機(jī)箱，包括8個(gè)1 000 W功率放大器模塊，功放管選用水平擴(kuò)散型場(chǎng)效應(yīng)管(LDMOS)，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊。功率源工作時(shí)，來(lái)自L(fǎng)LRF的325 MHz激勵(lì)信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)1臺(tái)200 W固態(tài)推動(dòng)級(jí)放大，再通過(guò)功率分配網(wǎng)絡(luò)，同相功率分配給4臺(tái)5 kW固態(tài)放大器，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大的射頻功率進(jìn)入末級(jí)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(xiàn)輸送給散束器腔體。

2 低電平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研制了同一型號(hào)的3套數(shù)字化LLRF，用于產(chǎn)生直線(xiàn)注入器的射頻信號(hào)，監(jiān)測(cè)和控制RFQ，DTL及散束器射頻電場(chǎng)。LLRF可根據(jù)設(shè)定的射頻電場(chǎng)脈寬和電場(chǎng)強(qiáng)度的相位及幅度，生成用于驅(qū)動(dòng)射頻功率源的325 MHz激勵(lì)信號(hào)，閉環(huán)模式下可根據(jù)信號(hào)拾取器(pickup)采集到的射頻腔內(nèi)電場(chǎng)信號(hào)，實(shí)時(shí)解算出腔內(nèi)實(shí)際的電場(chǎng)參數(shù)，并通過(guò)反饋算法對(duì)輸出的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)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?xún)?nèi)。

2.1 模擬組件設(shè)計(jì)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(hào)，數(shù)字組件用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理。模擬和數(shù)字信號(hào)可通過(guò)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(hào)的基礎(chǔ)，包括本振組件、時(shí)鐘分配組件和上下變頻組件。本振組件使用來(lái)自外部信號(hào)源的325 MHz參考信號(hào)產(chǎn)生361 MHz本振信號(hào)(LO)；上下變頻組件可通過(guò)混頻方式，將325 MHz信號(hào)下變頻為36 MHz中頻信號(hào)(IF)，或?qū)⒅蓄l信號(hào)上變頻為325 MHz信號(hào)；時(shí)鐘組件可通過(guò)將中頻信號(hào)倍頻，產(chǎn)生144 MHz采樣時(shí)鐘信號(hào)。

LLRF模擬組件的工作流程如圖3所示。開(kāi)環(huán)模式工作時(shí)，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(hào)，經(jīng)過(guò)DAC得到模擬中頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)上變頻，生成325 MHz的激勵(lì)信號(hào)；閉環(huán)工作時(shí)，來(lái)自pickup的325 MHz腔內(nèi)電場(chǎng)信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)，由ADC對(duì)36 MHz的中頻信號(hào)以144 MHz的采樣時(shí)鐘進(jìn)行4倍頻采樣，得到的數(shù)字采樣信號(hào)最后由數(shù)字組件進(jìn)行運(yùn)算處理，解算電場(chǎng)參數(shù)并產(chǎn)生新的激勵(lì)信號(hào)，完成對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度幅度和相位的監(jiān)測(cè)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(jì)及工作流程

數(shù)字組件是LLRF實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)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(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和信號(hào)處理，充分發(fā)揮DSP的浮點(diǎn)運(yùn)算能力和FPGA快速定點(diǎn)處理的優(yōu)勢(shì)[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(shí)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(guò)下變頻的pickup信號(hào)，信號(hào)可表示為正弦波V=cos(ωφ)，在2維復(fù)坐標(biāo)系可表述為復(fù)矢量V=Aej(ωt+φ)，復(fù)矢量在實(shí)軸上的投影稱(chēng)為I(In_phase)分量，I=Acos(ωt+φ)；在虛軸上的投影稱(chēng)為Q(quadrature)分量，Q=Asin(ωt+φ)。通過(guò)測(cè)量一個(gè)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(hào)的振幅和相位。

LLRF數(shù)字處理算法如圖4所示，工作過(guò)程分為5個(gè)步驟：1)由ADC對(duì)經(jīng)過(guò)下變頻的36 MHz pickup信號(hào)進(jìn)行4倍頻采樣，一個(gè)中頻周期內(nèi)采樣4次，兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)之間的相位間隔為π/2。設(shè)第一個(gè)采樣點(diǎn)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A(yíng)DC對(duì)中頻信號(hào)采樣的過(guò)程中，會(huì)使每個(gè)采樣點(diǎn)的值疊加一個(gè)固定的直流偏移分量，可通過(guò)直流偏移移除單元對(duì)同一周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，去除直流分量，得到本周期對(duì)應(yīng)時(shí)刻的I和Q；3)取相鄰的2個(gè)采樣點(diǎn)作為相應(yīng)時(shí)刻復(fù)矢量在實(shí)軸和虛軸上的投影，即以t時(shí)刻一對(duì)相鄰的It、Qt表示一個(gè)復(fù)矢量Vt(It,Qt)，為對(duì)采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較，這些復(fù)矢量需要一個(gè)統(tǒng)一的參考基準(zhǔn)，以第一個(gè)復(fù)矢量Vt1(It1,Qt1)為基準(zhǔn)，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(duì)復(fù)矢量乘以相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣,同時(shí)為校準(zhǔn)功率傳輸與放大鏈路帶來(lái)的電場(chǎng)強(qiáng)度幅度增減與相移，還需對(duì)所有復(fù)矢量乘以一個(gè)校準(zhǔn)矩陣，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)與校準(zhǔn)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(shí)刻加速腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的幅度和相位；4)閉環(huán)工作模式下，將每個(gè)時(shí)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(shí)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度的幅度和相位的反饋控制，以采樣信號(hào)的I、Q值作為控制對(duì)象，在數(shù)字采樣時(shí)間間隔Δt非常小的情況下，數(shù)字PI控制方程可寫(xiě)為時(shí)域差分形式，選擇適當(dāng)?shù)谋壤头e分項(xiàng)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(guò)NCO模塊將經(jīng)過(guò)反饋控制得到的I，Q兩路信號(hào)調(diào)制為36 MHz中頻數(shù)字信號(hào)，然后輸出到DAC中產(chǎn)生模擬中頻信號(hào)，進(jìn)一步經(jīng)過(guò)上變頻，輸出射頻激勵(lì)信號(hào)；5)開(kāi)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(hào)，繼而經(jīng)過(guò)DAC及上變頻，輸出射頻激勵(lì)信號(hào)。

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(jì)

LLRF機(jī)械結(jié)構(gòu)為19英寸標(biāo)準(zhǔn)5U機(jī)箱，可置于功率源系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)。LLRF機(jī)箱通過(guò)以太網(wǎng)與控制計(jì)算機(jī)連接，在Windows環(huán)境下運(yùn)行控制程序，可對(duì)輸出的激勵(lì)信號(hào)幅度、相位、脈寬及閉環(huán)反饋參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也可通過(guò)加速器中央控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。LLRF由外部3.3 V TTL信號(hào)觸發(fā)開(kāi)始工作，3臺(tái)LLRF的觸發(fā)信號(hào)均由加速器同步定時(shí)系統(tǒng)提供，實(shí)現(xiàn)RFQ、DTL和散束器3路射頻脈沖同步；3套LLRF的參考信號(hào)來(lái)自同一個(gè)外部325 MHz信號(hào)源，保證3臺(tái)射頻腔內(nèi)的射頻電場(chǎng)相位關(guān)系嚴(yán)格相參。

設(shè)計(jì)了1套駐波比保護(hù)系統(tǒng)(SRP)，包括駐波比解算電路及射頻開(kāi)關(guān)電路，可為3路射頻鏈路提供獨(dú)立的駐波比保護(hù)。來(lái)自3套LLRF的射頻激勵(lì)信號(hào)先通過(guò)SRP機(jī)箱的射頻開(kāi)關(guān)電路，再接入功率源推動(dòng)級(jí)；駐波比解算電路分別接入RFQ、DTL和散束器功率傳輸線(xiàn)上的定向耦合器信號(hào)，根據(jù)入射與反射信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算電壓駐波比(VSWR)。當(dāng)腔體打火或嚴(yán)重失諧時(shí)，VSWR將超過(guò)設(shè)定的閾值，SRP射頻開(kāi)關(guān)將切斷從LLRF輸出到推動(dòng)級(jí)的射頻激勵(lì)信號(hào)，保護(hù)響應(yīng)時(shí)間小于10 μs，可實(shí)現(xiàn)射頻脈寬內(nèi)的快速保護(hù)，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(cè)試

3.1 低電平控制系統(tǒng)自測(cè)

首先測(cè)試LLRF鑒定相位和幅度的精度。將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的325 MHz信號(hào)接入LLRF pickup信號(hào)輸入端口，依次改變輸出信號(hào)的相位和幅度，使用LLRF讀取信號(hào)的相位和幅度，測(cè)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(mǎn)足幅度和相位控制穩(wěn)定度分別在±1%，±1°以?xún)?nèi)的要求。然后測(cè)試LLRF對(duì)信號(hào)幅度和相位的閉環(huán)控制穩(wěn)定度，以L(fǎng)LRF輸出的激勵(lì)信號(hào)代替pickup信號(hào)，使LLRF自身形成信號(hào)控制環(huán)路，在閉環(huán)模式下運(yùn)行24小時(shí)，由LLRF讀取并記錄信號(hào)的幅度和相位值，測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5和圖6可見(jiàn)LLRF對(duì)信號(hào)幅度和相位控制的穩(wěn)定度分別在±1%，±1°以?xún)?nèi)。

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

圖6 LLRF信號(hào)相位閉環(huán)控制測(cè)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(hào)發(fā)生器代替LLRF作為射頻激勵(lì)信號(hào)源，對(duì)RFQ、DTL和散束器進(jìn)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(kāi)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(dá)到406 kW、263 kW；其次，對(duì)散束器以120 μs脈寬射頻功率進(jìn)行老練，最終入腔功率達(dá)到7 kW；然后，以L(fǎng)LRF產(chǎn)生的射頻激勵(lì)，分別對(duì)RFQ、DTL和散束器的LLRF閉環(huán)反饋功能進(jìn)行了測(cè)試。將來(lái)自各個(gè)射頻腔的pickup信號(hào)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(gè)射頻腔內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度的幅度和相位與設(shè)定值的偏差均保持在±1%,±1°以?xún)?nèi)。駐波比保護(hù)裝置在注入器運(yùn)行的過(guò)程中工作正常，VSWR保護(hù)閾值設(shè)為3，在加速腔發(fā)生打火或嚴(yán)重失諧時(shí)，保護(hù)裝置能夠在10 μs以?xún)?nèi)切斷LLRF輸出的射頻激勵(lì)信號(hào)。

3.3 束流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將3套LLRF應(yīng)用于直線(xiàn)注入器調(diào)試實(shí)驗(yàn)，使用加速器中央控制系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)束軟件逐個(gè)掃描RFQ、DTL和散束器電場(chǎng)強(qiáng)度的幅度和相位等參數(shù)，確定各個(gè)射頻腔的準(zhǔn)確入腔功率和各腔之間正確的相對(duì)相位，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(shí)施了RFQ 3 MeV束流加速實(shí)驗(yàn)、DTL 7 MeV束流加速實(shí)驗(yàn)及散束器降低7 MeV束流能散實(shí)驗(yàn)。使用交流束流變壓器(ACCT)測(cè)得注入器各位置處的束流強(qiáng)度如圖7所示。

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

4 總結(jié)

針對(duì)XiPAF直線(xiàn)注入器的使用需求，研制了3套數(shù)字化LLRF，用于驅(qū)動(dòng)2套500 kW四極管功率源和1套15 kW固態(tài)功率源，實(shí)現(xiàn)了RFQ、DTL和散束器腔內(nèi)射頻電場(chǎng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，腔內(nèi)射頻電場(chǎng)強(qiáng)度的幅度和相位穩(wěn)定度分別達(dá)到了±1%,±1°以?xún)?nèi)。應(yīng)用LLRF順利實(shí)施了XiPAF注入器7 MeV負(fù)氫束流注入實(shí)驗(yàn)。