120 MeV电子直线加速器在线自动老练系统研制

孙 彬，王 煜，黑东炜，李斌康，谭新建，翁秀峰，付竹明，刘 军

(西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024)

基于光阴极微波电子枪的S波段常温直线加速器，可产生低发射度、低能散、精确时间同步的高品质束流。为保证加速器的性能指标和稳定运行，需对微波系统进行老练，主要有两个目的：低功率去除表面吸附气体和高功率去除表面毛刺及污迹；减少及最终消除微波系统在高功率状态的打火次数[1]。老练是一缓慢过程，通常需要连续开机几周甚至数月，如果发生打火还需等待真空恢复，对馈入功率进行调整，防止设备损坏，给老练实验人员带来很大的工作强度[2-3]。为降低实验人员的工作强度、提高老练效率、缩短老练时间，本文基于EPICS和SNL研制120 MeV电子直线加速器在线自动老练系统。

1 120 MeV电子直线加速器

120 MeV电子直线加速器由光阴极微波电子枪、两段3 m长SLAC型S波段行波加速管、发射度补偿螺线管线圈、加速段螺线管线圈、锁模激光器系统、同步控制系统、3套速调管微波功率源及各类电源和磁铁等组成，如图1所示。电子束设计指标为：电荷量0.1～0.5 nC，归一化发射度<1.0 mm·mrad，能散<0.3%(均方根值)，束团长度1～3 ps(均方根值)。

图1 120 MeV电子直线加速器设计方案图Fig.1 Architecture of 120 MeV electron linear accelerator

120 MeV电子直线加速器控制系统的结构如图2所示，将前端运行于工控机的IOC(input/output controller)改为运行于服务器集群内虚拟化环境中的虚拟机IOC(vmIOC)，vmIOC与设备控制器通过局域网进行通信[4-5]。

图2 电子直线加速器控制系统体系结构Fig.2 Architecture of electron linear accelerator control system

所有的子系统如调制器、磁铁电源、真空电源、CCD相机、示波器、电机、同步定时、人身安全联锁和设备安全联锁等均使用EPICS控制和监测(图3)，为应用SNL开发在线自动老练系统打下了良好的架构基础[6]。

2 自动老练系统研制

微波系统老练主要分为两步：低功率去除表面吸附气体和高功率去除表面毛刺及污迹。当加速管系统真空度达到一定值后，为进一步提高系统真空度，需高温烘烤去除真空腔的内壁表面吸附气体，但微波系统中的波导、加速管等元件的材质均为无氧铜，直接烘烤会造成元件表面氧化。为去除元件表面吸附的气体，可采用低功率微波老练，馈入较低的微波功率，离子受到微波电场的加速作用在腔内振荡，由于电子能量小、自由程大，与表面吸附气体分子碰撞，可使更多的分子电离，并释放气体，此时观察钛泵离子流增大、真空度下降，出现明显的放气，即电子倍增过程。此过程依赖于系统真空度好坏和钛泵离子流大小，缓慢增大功率，释放更多的气体。当功率增加到一定大小后，放气现象明显减轻，真空度提升，钛泵离子流变小，低功率去除微波系统表面吸附气体过程完成。

图3 脉冲调制器和设备安全联锁系统界面Fig.3 Graphical user interfaces of modulator and machine protect system

为提高腔体表面峰值场强，需继续进行高功率老练，去除在微波系统加工过程中波导、微波腔和加速管等元件内表面的毛刺和污迹。随着高功率老练的进行，功率进一步提高时，腔体内表面的电场强度增大，表面毛刺会发生尖端放电现象，产生场致发射电流，即打火现象。当每次打火发生后，系统都会切断高压，并检测真空度状态，等待打火产生的气体慢慢排出，同时适当降低微波功率，然后再增大微波功率，整个老练过程所加的功率在“打火-放气-恢复”的过程中逐步提升，直到不再出现打火现象为止[7-8]。微波老练完成后，调制器工作在标称高压值下，微波系统内部无打火现象。

目前公开报道的自动老练系统中，中国科学院高能物理研究所的汤树明[9]和候汨等[10]采用的是基于VME的解决方案，上海光源的王国林[2]采用的是基于PXI和LabView的解决方案，都需增加专用硬件设备和信号线缆或引入外部开发工具，在加速器控制系统之外开发单独的老练系统进行老练，系统复杂度较高。

120 MeV电子直线加速器控制系统所有的底层设备均可通过EPICS进行远程控制，自动化老练系统可通过SNL实现与PV(progress variable)变量通信，并使用CSS(control system studio)建立统一OPI(operator interface)，使用CSS功能模块Archive Engine建立归档系统，并通过Alarm Handler实现报警功能。

状态描述语言SNL为实时控制系统中的顺序操作提供了简单而又强大的编程工具。SNL程序基于状态转换图的概念，程序代码不必涉及复杂的任务调度、事件处理和输入输出等，只需按照状态转换图进行顺序编程并设置好状态跳转条件。通过SNL编写的程序先要使用SNC编译器编译生成对应的C源代码，然后再由C编译器(如gcc)、汇编器和链接器生成可执行的二进制代码，最后下载到IOC上与EPICS数据库一起运行，并通过CA(channel access)与EPICS数据库记录进行通信。SNL既可提供复杂而易于理解的操作过程，也可提供复杂的闭环控制机制。通过Sequencer提供的命令，不必重新启动IOC即可完成SNL程序的启动、停止和重新加载等。SNL程序还具备访问CA客户端文件系统、嵌入C语言代码、调用C子程序等功能[11]。SNL程序语法简洁，与IOC兼容性好，完全满足自动老练系统开发的需求。

研制的自动老练系统的运行流程如图4所示，在vmIOC中开辟两个独立线程，1个线程负责检测打火，监控系统运行状态，检测到微波打火后，停高压，自动降高压值，真空度恢复后，对联锁保护进行自动复位，并加高压，另1个线程负责对高压值按需求自动升压，在较低电压时，电压步长较大，步长时间较短，随着功率的增加，电压步长间隔减小，步长时间增长，以适应随着馈入功率的增加带来的打火现象增加，逐步完成老练过程。系统工作流程如图4所示。

系统界面如图5所示，左侧为自动老练系统界面，记录了1次打火现象，右侧为报警系统界面。自动老练系统不需增加新的硬件设备，不需引入额外的信号线，不需对加速器控制系统进行修改，可完全独立于控制系统外运行，不会对控制系统造成额外的影响。

图4 自动老练系统运行流程图Fig.4 Flow chart of automatic conditioning system

图5 自动老练系统界面和报警系统界面Fig.5 Graphical user interfaces of automatic conditioning system and alarm system

根据Archive Engine归档日志记录，电子枪和2套加速管在24 h内约发生打火现象共约500余次，平均每3 min需要处理1次微波打火，人工处理1次打火事件约需0.5～1 min，自动老练系统处理1次打火事件仅需0.5～1 s，24 h就可节约5 h的处理时间，而且打火发生时间是随机的，必须时刻关注装置报警情况。打火引起的真空度变化会触发设备安全联锁保护，需要实验人员保持较高的注意力才能让老练持续进行，自动老练避免了联锁保护系统复位使老练过程中断造成的时间浪费，在设备安全联锁报警主机，可通过电话/短信方式通知实验人员关键设备故障，方便实验人员及时发现硬件故障。综上所述，自动老练系统通过自动处理打火软报警事件，电话通知硬件故障硬报警事件，实现了24 h不间断老练，从而提高了老练效率，降低了实验人员的工作量。图6为2017年6月13日测试运行期间调制器高压变化曲线，由23 kV逐步提高到38 kV，系统运行良好。

自动老练系统研制完成后，120 MeV电子直线加速器微波系统从2017年6月中旬开始为期3个月的集中老练工作，自动老练系统将原计划4个月的集中老练时间缩短为3个月，图7a所示的电子枪高压老练到28 kV，图7b所示的加速管高压老练到38 kV，达到了设计指标，第1个月时，装置打火放气现象较严重，表明内表面存在较多的毛刺和污迹，随着老练的持续进行，打火现象逐渐减少，集中老练完成。

图6 系统测试运行记录Fig.6 System archive logout of test running

图7 系统老练3个月记录Fig.7 System archive logout of 3 months conditioning

3 结论

120 MeV电子直线加速器在线自动老练系统将实验人员从重复的操作中解放出来，提高了老练效率，缩短了约25%的老练时间。与现有的基于VME和PXI的自动老练系统相比，不需修改控制系统软硬件体系结构、增加新的硬件设备、增加新的控制信号线缆，极大降低了系统复杂度，节约了系统开发成本。自动老练系统在120 MeV电子直线加速器上成功应用并取得了非常良好的效果，为电子束流达到并超过设计指标打下了良好的基础。