西安200 MeV质子应用装置直线注入器低电平控制系统设计与测试

刘卧龙， 赵铭彤， 高建超， 姜 勇， 赵 军， 王志宇， 王茂成， 吕 伟， 王百川， 雷 钰， 邢庆子， 程 诚， 王忠明

(1. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室， 西安 710024； 2. 西北核技术研究所， 西安 710024； 3. 北京航天广通科技有限公司， 北京 100854； 4. 清华大学 工程物理系， 北京 100084)

西安200 MeV质子应用装置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)由200 MeV质子同步加速器和7 MeV负氢离子直线注入器组成，是基于加速器的空间质子辐照地面模拟专用装置，可开展宇航级抗辐射电子器件的空间辐射效应和辐射探测技术等方面的研究工作[1-2]。注入器由负氢离子源(IS)、低能传输段(LEBT)、RFQ、DTL和中能传输段(MEBT)组成，包括RFQ、DTL和散束器3台的工作频率为325 MHz射频腔，采用2套500 kW四极管功率源和1套15 kW全固态功率源提供射频功率，射频激励信号由LLRF产生。该注入器可产生脉冲宽度为40 μs、重复频率为0.5 Hz的7 MeV脉冲负氢离子束流，其中，RFQ将来自LEBT的负氢离子束流由50 keV加速至3 MeV； DTL进一步将束流加速至7 MeV；最后散束器将束流动量分散度由1%降低至0.45%，提高束流注入同步环时的注入效率[3-4]。腔内电场强度的幅值和相位监测控制对直线加速器至关重要，是保持束流纵向动力学参数匹配和实现束团稳定加速的关键环节。现代加速器通常使用LLRF对腔内电场强度进行监测与控制，XiPAF直线注入器采用3套独立的LLRF，实现对RFQ、DTL和散束器腔内射频电场强度的精确控制。

1 XiPAF直线注入器射频功率源

XiPAF直线注入器如图1所示。3台射频腔的工作频率均为325 MHz，以脉冲模式运行，射频脉冲最大重复频率为1 Hz。考虑建立加速电场的功率损耗、束流损耗及功率传输系统的损耗，RFQ，DTL和散束器需要的射频峰值功率分别为406 ,263,7 kW。为保证束流的脉冲宽度为40 μs，考虑加速腔内电场建立所需的填充时间，馈入RFQ，DTL腔内的射频功率脉冲宽度应不小于60 μs；散束器建场时间更长，入腔功率脉冲宽度须不小于120 μs。直线注入器射频参数如表1所列[5-6]。

表1 XiPAF直线注入器射频参数Tab.1 RF parameters of XiPAF linac injector

图1 XiPAF直线注入器Fig.1 Linac injector of XiPAF

基于上述需求研制了2种型号共3套功率源，直线注入器功率源系统结构如图2所示。其中，2套500 kW四极管功率源用于RFQ和DTL，包括2套独立的功率放大链路，各自配有独立的LLRF、推动级及灯丝、栅极和帘栅电源，共用1套阳极电源及1套监控保护系统。功率源系统机械结构包括2套末级功放机柜、1套监控机柜及1套阳极高压电源机柜。与同等功率级别的速调管功率源系统相比，该系统结构更加紧凑。功率源系统运行在低重频、窄脉冲模式，工作频率为325 MHz，最大重复频率为1 Hz，最大脉冲宽度为150 μs，采用2级放大模式，推动级为全固态功率放大器，可将来自LLRF的325 MHz射频激励信号放大至7 kW输送给末级输入腔；末级功率放大器为BURLE公司的4616V4型四极管，配套BURLE Y1413型同轴输入输出腔，模块化阳极直流电源可为四极管阳极提供最高为24 kV的直流高压，使每只四极管可输出最高峰值为500 kW的射频功率，并由两路6.125 in(1 in = 2.54 cm)同轴微波传输线输送至RFQ以及DTL。

图2 直线注入器功率源系统结构图Fig.2 RF power system of linac injector

散束器采用1套15 kW全固态功率源，整机机械结构为1个19 in标准机柜，主体是4台5 kW固态功率放大器，功放结构为1个19 in 4U机箱，包括8个1 000 W功率放大器模块，功放管选用水平扩散型场效应管(LDMOS)，采用模块化设计，结构紧凑。功率源工作时，来自LLRF的325 MHz激励信号，首先经过1台200 W固态推动级放大，再通过功率分配网络，同相功率分配给4台5 kW固态放大器，经过进一步放大的射频功率进入末级功率合成隔离网络，同相功率合成为最高峰值为15 kW的射频功率，最终由3.125 in同轴微波传输线输送给散束器腔体。

2 低电平控制系统设计

研制了同一型号的3套数字化LLRF，用于产生直线注入器的射频信号，监测和控制RFQ，DTL及散束器射频电场。LLRF可根据设定的射频电场脉宽和电场强度的相位及幅度，生成用于驱动射频功率源的325 MHz激励信号，闭环模式下可根据信号拾取器(pickup)采集到的射频腔内电场信号，实时解算出腔内实际的电场参数，并通过反馈算法对输出的信号参数进行调整，实现对腔内电场强度的幅度和相位的闭环控制，控制稳定度分别为±1%，±1°以内。

2.1 模拟组件设计及工作流程

LLRF包括数字组件与模拟组件，其中模拟组件用于生成不同频率的射频信号，数字组件用于对数字信号进行运算处理。模拟和数字信号可通过模拟-数字转换器(ADC)和数字-模拟转换器(DAC)相互转换。

模拟组件是LLRF产生射频信号的基础，包括本振组件、时钟分配组件和上下变频组件。本振组件使用来自外部信号源的325 MHz参考信号产生361 MHz本振信号(LO)；上下变频组件可通过混频方式，将325 MHz信号下变频为36 MHz中频信号(IF)，或将中频信号上变频为325 MHz信号；时钟组件可通过将中频信号倍频，产生144 MHz采样时钟信号。

LLRF模拟组件的工作流程如图3所示。开环模式工作时，由数字组件根据设定的射频脉冲参数产生数字中频信号，经过DAC得到模拟中频信号，再经过上变频，生成325 MHz的激励信号；闭环工作时，来自pickup的325 MHz腔内电场信号下变频为中频信号，由ADC对36 MHz的中频信号以144 MHz的采样时钟进行4倍频采样，得到的数字采样信号最后由数字组件进行运算处理，解算电场参数并产生新的激励信号，完成对电场强度幅度和相位的监测与控制。

图3 LLRF工作流程Fig.3 Workflow of LLRF

2.2 数字组件设计及工作流程

数字组件是LLRF实现电场强度的幅度和相位控制的关键环节，核心硬件为1块FPGA芯片，另有2块DSP芯片协助FPGA进行数据计算和信号处理，充分发挥DSP的浮点运算能力和FPGA快速定点处理的优势[7-8]。软件算法采用了加速器射频控制领域广泛应用的数字正交调制解调技术(I/Q)[9-10], 可实现I/Q解调、比例积分反馈控制(PI)及数字控制振荡器(NCO)等功能。

LLRF以数字I/Q解调技术处理经过下变频的pickup信号，信号可表示为正弦波V=cos(ωφ)，在2维复坐标系可表述为复矢量V=Aej(ωt+φ)，复矢量在实轴上的投影称为I(In_phase)分量，I=Acos(ωt+φ)；在虚轴上的投影称为Q(quadrature)分量，Q=Asin(ωt+φ)。通过测量一个特定正弦波复矢量的I分量和Q分量，可获得该正弦信号的振幅和相位。

LLRF数字处理算法如图4所示，工作过程分为5个步骤：1)由ADC对经过下变频的36 MHz pickup信号进行4倍频采样，一个中频周期内采样4次，两个相邻采样点之间的相位间隔为π/2。设第一个采样点P1=Acos(ωt+φ)=I,可知采样得到的数据将以I, -Q, -I,Q的顺序重复出现，重复频率为中频频率；2)在ADC对中频信号采样的过程中，会使每个采样点的值叠加一个固定的直流偏移分量，可通过直流偏移移除单元对同一周期内的采样数据进行校准，去除直流分量，得到本周期对应时刻的I和Q；3)取相邻的2个采样点作为相应时刻复矢量在实轴和虚轴上的投影，即以t时刻一对相邻的It、Qt表示一个复矢量Vt(It,Qt)，为对采样值与设定值进行比较，这些复矢量需要一个统一的参考基准，以第一个复矢量Vt1(It1,Qt1)为基准，后续所有的复矢量都必须旋转到相同的位置上，各矢量的旋转角度依次为-90°，-180°，-270°，……，即对复矢量乘以相应的旋转矩阵,同时为校准功率传输与放大链路带来的电场强度幅度增减与相移，还需对所有复矢量乘以一个校准矩阵，经过旋转与校准后得到的一系列复矢量即为I/Q解调的结果，可表征相应时刻加速腔内电场强度的幅度和相位；4)闭环工作模式下，将每个时刻的复矢量与I、Q设定值Iset、Qset比较，产生的差值作为闭环反馈控制的输入，采用数字PI算法实现电场强度的幅度和相位的反馈控制，以采样信号的I、Q值作为控制对象，在数字采样时间间隔Δt非常小的情况下，数字PI控制方程可写为时域差分形式，选择适当的比例和积分项系数kP，kI，可使得I，Q值稳定在设定值Iset，Qset附近，最终通过NCO模块将经过反馈控制得到的I，Q两路信号调制为36 MHz中频数字信号，然后输出到DAC中产生模拟中频信号，进一步经过上变频，输出射频激励信号；5)开环模式下，NCO模块直接将设定值Iset、Qset调制为36 MHz中频数字信号，继而经过DAC及上变频，输出射频激励信号。

图4 LLRF数字处理算法Fig.4 LLRF digital processing algorithm

2.3 结构及接口设计

LLRF机械结构为19英寸标准5U机箱，可置于功率源系统机柜内。LLRF机箱通过以太网与控制计算机连接，在Windows环境下运行控制程序，可对输出的激励信号幅度、相位、脉宽及闭环反馈参数进行设置，也可通过加速器中央控制系统远程控制。LLRF由外部3.3 V TTL信号触发开始工作，3台LLRF的触发信号均由加速器同步定时系统提供，实现RFQ、DTL和散束器3路射频脉冲同步；3套LLRF的参考信号来自同一个外部325 MHz信号源，保证3台射频腔内的射频电场相位关系严格相参。

设计了1套驻波比保护系统(SRP)，包括驻波比解算电路及射频开关电路，可为3路射频链路提供独立的驻波比保护。来自3套LLRF的射频激励信号先通过SRP机箱的射频开关电路，再接入功率源推动级；驻波比解算电路分别接入RFQ、DTL和散束器功率传输线上的定向耦合器信号，根据入射与反射信号实时计算电压驻波比(VSWR)。当腔体打火或严重失谐时，VSWR将超过设定的阈值，SRP射频开关将切断从LLRF输出到推动级的射频激励信号，保护响应时间小于10 μs，可实现射频脉宽内的快速保护，避免功率源及传输系统受到更多反射功率的冲击，防止腔体继续打火。

3 低电平控制系统测试

3.1 低电平控制系统自测

首先测试LLRF鉴定相位和幅度的精度。将信号发生器产生的325 MHz信号接入LLRF pickup信号输入端口，依次改变输出信号的相位和幅度，使用LLRF读取信号的相位和幅度，测得LLRF最小可鉴别的相位差为0.5°，最小可鉴别的幅度差为0.4%，满足幅度和相位控制稳定度分别在±1%，±1°以内的要求。然后测试LLRF对信号幅度和相位的闭环控制稳定度，以LLRF输出的激励信号代替pickup信号，使LLRF自身形成信号控制环路，在闭环模式下运行24小时，由LLRF读取并记录信号的幅度和相位值，测试结果如图5、图6所示。由图5和图6可见LLRF对信号幅度和相位控制的稳定度分别在±1%，±1°以内。

图5 LLRF信号幅度闭环控制测试结果Fig.5 Amplitude test result of LLRF close-loop control

图6 LLRF信号相位闭环控制测试结果Fig.6 Phase test result of LLRF close-loop control

3.2 注入器射频功率源系统联调

在注入器射频功率源系统联调前，首先，用射频信号发生器代替LLRF作为射频激励信号源，对RFQ、DTL和散束器进行射频功率老练，以60 μs脉宽、1 Hz重频的325 MHz射频功率馈入RFQ和DTL腔体，从100 kW以下的低功率开始，在不发生打火的前提下，逐步提升入腔功率，最终馈入RFQ和DTL的功率分别达到406 kW、263 kW；其次，对散束器以120 μs脉宽射频功率进行老练，最终入腔功率达到7 kW；然后，以LLRF产生的射频激励，分别对RFQ、DTL和散束器的LLRF闭环反馈功能进行了测试。将来自各个射频腔的pickup信号接入LLRF，调整I、Q参数的PI反馈系数kP(I)、kI(I)、kP(Q)、kI(Q)，最终使各个射频腔内的电场强度的幅度和相位与设定值的偏差均保持在±1%,±1°以内。驻波比保护装置在注入器运行的过程中工作正常，VSWR保护阈值设为3，在加速腔发生打火或严重失谐时，保护装置能够在10 μs以内切断LLRF输出的射频激励信号。

3.3 束流实验结果

将3套LLRF应用于直线注入器调试实验，使用加速器中央控制系统内的调束软件逐个扫描RFQ、DTL和散束器电场强度的幅度和相位等参数，确定各个射频腔的准确入腔功率和各腔之间正确的相对相位，从而实现整个注入器束流纵向参数的匹配及束流传输效率的最优化。逐步实施了RFQ 3 MeV束流加速实验、DTL 7 MeV束流加速实验及散束器降低7 MeV束流能散实验。使用交流束流变压器(ACCT)测得注入器各位置处的束流强度如图7所示。

图7 XiPAF注入器各位置处的束流强度Fig.7 Beam currents at different locations of XiPAF linac injector

4 总结

针对XiPAF直线注入器的使用需求，研制了3套数字化LLRF，用于驱动2套500 kW四极管功率源和1套15 kW固态功率源，实现了RFQ、DTL和散束器腔内射频电场强度的幅度和相位的精确控制。LLRF输出射频频率为325 MHz，基于FPGA芯片和数字I/Q控制算法，以PI控制算法实现闭环反馈控制，腔内射频电场强度的幅度和相位稳定度分别达到了±1%,±1°以内。应用LLRF顺利实施了XiPAF注入器7 MeV负氢束流注入实验。