CSNS RCS射频系统双谐波模式低电平控制模拟实验

介绍了中国散裂中子源/快循环质子同步加速器一期工程(CSNS-Ⅰ/RCS)拟采用的双谐波加速方案。针对该方案需要在加速周期内对8个射频腔之一进行工作模式切换的特殊要求,对设计实现的基于现场可编程门阵列（FPGA）技术的数字化低电平控制系统采取了一系列优化措施,包括模式切换时段控制回路的开环、功率源两级调谐回路的错时闭环等。在射频系统样机平台开展的模拟实验表明该低电平控制系统动态性能良好,双谐波方案可行性得到了一定程度的验证。     

100MeV强流回旋加速器射频数字低电平系统研制

介绍了100MeV射频低电平控制系统的设计及其桌面实验的组成. 通过实测, 验证了他激模式下幅度控制环路和相位控制环路中实现数字式控制的可行性. 初步测试数据及调试过程均表明数字式控制可用于100MeV回旋加速器的射频低电平控制系统.     

SSRF高频低电平系统

整个高频系统包括谐振加速腔、高频功率源和180kW发射机、低电平控制与连锁保护.高频工作频率为499.65MHz.SSRF 500MHz低电平控制系统由信号源、反馈控制回路(频率调谐环路、相位控制环路、幅度控制环路)和连锁保护等构成.加速器高频腔控制系统的稳定性是加速器设计中一项重要指标,特别是在高流强条件下,更是对高频的稳定性提出了较高的要求.如何在加速器中合理地利用先进技术,是整机工作在稳定可靠而又易于控制的状态是低电平系统分析与设计的任务.由于高频系统庞大,低电平控制的对象复杂,作为加速器高频系统中的控制,无论其基础理论还是电子线路,在其各自的领域中都属于比较成熟的东西,但将他们结合起来,组成一个系统并要求系统性能最优,也有一些特殊的难度和要求.例如强束流与加速腔之间的耦合,用腔到束流的传递函数来描述,都是其他系统控制领域中所没有的问题,又要考虑几百千瓦的微波功率器件,它们之间还存在着复杂的耦合,这都增加了系统设计的难度.同时各种回路组成系统时,随机产生的干扰信号也是必须考虑的因素.SSRF系统对低电平控制的要求:1)使各腔间电压相位一致;2)使总加速电压和幅度稳定;3)使腔的频率正确调谐;4)发生异常状态时,保证设备的安全连锁.本文介绍了这个系统的构成和原理、技术指标、安装调试和测试结果     

兰州冷却储存实验环高可靠性低电平控制系统

为控制高频加速腔体产生具有稳定的幅度、相位和频率的射频加速电场,设计了实验环高频低电平控制系统。为保证控制的稳定性、可靠性和实时性,系统各功能模块以硬件模拟电路为主体,同时为了协调控制各功能模块的工作并补偿某些功能模块的非线性误差,增加了数字模块。该系统由相位稳定、幅度稳定和频率调谐3个子系统组成,采用高频鉴相、PID控制、DSP和FPGA等技术。目前,控制系统通过了长期稳定性的实验和高功率实验,幅度控制精度±3%,相位控制精度±2°,频率调谐精度±5°。     

STF数字微波低电平系统研究

STF是KEK为国际直线对撞机(ILC)建立的试验装置. 在STF中, 数字微波低电平系统用于控制超导腔的RF相位和幅度. 在没有实际腔运行的情况下, 设计了一个基于FPGA技术的实时超导腔模拟器, 用于测试微波低电平系统的硬件和算法. 超导腔的数字控制器用FPGA实现, 其中采用了PI反馈控制和前馈控制算法. 测试表明, 超导腔模拟器和控制器都工作良好, 可用于STF微波低电平系统的进一步开发.     

CSNS LINAC低电平射频控制系统软件设计

低电平射频控制系统主要用于对加速腔的高频场和谐振频率的控制,保证加速器的稳定运行并输出高品质的束流.低电平控制系统软件提供可视化操作界面,实现数据显示和存储、自动化算法等功能,提高了低电平系统的可操作性,减少了人工作业量和故障率.软件开发具有灵活性强、开发周期短的特点,适合控制速度要求相对不高而逻辑较为复杂的功能开发....     

强流质子RFQ加速器高频数字低电平控制系统

强流质子RFQ加速器加速场的频率为352.2 MHz,加速场幅度和相位的精度分别要求控制在±1%和±1°的范围,为了达到这一要求,设计了一套数字低电平控制系统,该系统包括加速场的幅度和相位控制、腔体的谐振频率控制和高功率射频连锁保护3个部分。腔体采样信号的下变频及反馈激励信号的上变频由模拟器件来完成。幅相实时反馈处理过程采用数字I/Q解调的方法,在1块stratixⅡ的FPGA板上实现,板上另有3块DSP用于通信和协助FPGA进行数据处理。系统完成后与RFQ加速器进行联机调试,测试结果基本满足控制精度的要求。     

LLRF超导腔体控制系统的测试

中国科学院近代物理研究所自主研发的ADS注入器Ⅱ第一代高频低电平(LLRF)控制系统,工作频率为162.5 MHz;LLRF系统是由基于I/Q采样的正交解调技术构成的全数字闭环反馈控制系统,其主要功能是实现超导腔腔体电压幅值稳定控制、相位稳定控制与腔体谐振频率控制;LLRF控制系统在液氦温区超导腔上进行了系统稳定度和性能的在线测试,根据实验数据计算得超导腔体电压幅度稳定度为±3.4‰,相位稳定度为±0.3°,腔体表面峰值电场(Epk)能长时间稳定在25.1 MV/m。通过实验测试,检验了LLRF控制系统的性能,并对测试过程中出现的问题进行了分析,为将来超导腔LLRF控制系统运行积累了经验。     

中国散裂中子源直线射频低电平远程控制软件研制

中国散裂中子源一期工程的直线加速器,共有8套数字化射频低电平控制单元,射频低电平的本地控制属于EPICS的异构系统,无法直接与EPICS客户端进行通信。通过在射频低电平本地控制上位机程序中嵌入一个C#类型的EPICS服务器程序,实现了使用EPICS客户端对射频低电平系统的远程控制, 从而把射频低电平控制系统接入基于EPICS框架的控制系统中。直线射频低电平远程控制投入在线运行以来,运行稳定可靠。     

基于Labview的快循环扫频信号相位差测量算法实现

为了实现对中国散裂中子源(CSNS)/快循环同步加速器(RCS)射频系统中高频加速电压和束流两个同步变化的快循环扫频信号之间相位差的精确测量,需要选择合适的信号采集方案与相位差测量算法。介绍了常用的同频信号相位差测量算法,讨论了不同相位差测量算法的特点与适用性;详细描述了快速傅里叶变换(FFT)交叉谱法与加余弦窗FFT插值法两种相位差测量算法的原理。为了研究这两种算法在扫频信号测量中的适用性,利用NI的虚拟仪器技术以及Labview图形化编程技术,搭建扫频信号相位差测量系统,对这两种相位差测量算法进行仿真模拟。仿真结果表明,加余弦窗FFT插值算法可以满足快循环扫频信号相位差测量精度的要求。     

中国散裂中子源/快循环质子同步加速器射频同步相位环路的数字化控制

 介绍了中国散裂中子源/快循环质子同步加速器射频同步相位环路的数字化控制系统设计方案,并利用ALTERA公司的现场可编程门阵列开发面板进行了系统开发,完成了控制回路的编程与仿真,进行了桌面实验和低功率实验,并对其进行了分析与讨论。实验结果表明：同步相位环路运行稳定,控制误差小于1°,满足物理设计要求。     

Longitudinal RF capture and acceleration simulation in CSNS RCS

China Spallation Neutron Source (CSNS) is a high power proton accelerator-based facility. Uncontrolled beam loss is a major concern in designing the CSNS to control the radioactivation level. For the Rapid Cycling Synchrotron (RCS) of the CSNS, the repetition frequency is too high for the longitudinal motion to be fully adiabatic. Significant beam loss happens during the RF capture and initial acceleration of the injection period. To reduce the longitudinal beam loss, beam chopping and momentum offset painting methods are used in the RCS injection. This paper presents detailed studies on the longitudinal motion in the RCS by using the ORBIT simulations, which include different beam chopping factors, momentum offsets and RF voltage optimization. With a trade-off between the longitudinal beam loss and transverse incoherent tune shift that will also result in beam losses, optimized longitudinal painting schemes are obtained.     

Longitudinal RF capture and acceleration simulation in CSNS RCS

China Spallation Neutron Source (CSNS) is a high power proton accelerator-based facility. Uncontrolled beam loss is a major concern in designing the CSNS to control the radioactivation level. For the Rapid Cycling Synchrotron (RCS) of the CSNS, the repetition frequency is too high for the longitudinal motion to be fully adiabatic. Significant beam loss happens during the RF capture and initial acceleration of the injection period. To reduce the longitudinal beam loss, beam chopping and momentum offset painting methods are used in the RCS injection. This paper presents detailed studies on the longitudinal motion in the RCS by using the ORBIT simulations, which include different beam chopping factors, momentum offsets and RF voltage optimization. With a trade-off between the longitudinal beam loss and transverse incoherent tune shift that will also result in beam losses, optimized longitudinal painting schemes are obtained.     

CSNS/RCS环射频腔用铁氧体环测试系统研制

为测试环射频铁氧体加载同轴谐振腔中铁氧体环的性能和批量筛选铁氧体环,研制了铁氧体双环测量系统。与国内外同类设备相比,该系统采用了扫频测量的闭环控制,可以模拟射频腔的运行工况、实现对铁氧体环性能的动态测量。扫频范围测量结果表明:该测试系统满足在0~3 000 A偏流调谐范围内的1.02~2.44 MHz频率覆盖要求,固定频率点的高功率测量结果和材料性能参数与日本J-PARC测量数据吻合。     

A prototype RF power source for CSNS/RCS

A prototype RF power source has been built to supply high RF power to a ferrite-loaded cavity, which is a part of R&D of the Rapid Cycling Synchrotron of China Spallation Neutron Source (CSNS/RCS). A direct fast RF feedback amplifier, a 4:1 impedance transformer and auto tuning grid were locally located to compensate the heavy beam loading of CSNS/RCS. Design and commissioning of the RF power source is discussed here, also with some advice on system improvement.     

中国散裂中子源/快循环同步加速器束流负载效应的补偿

针对强流质子同步加速器中的束流负载效应,基于中国散裂中子源/快循环同步加速器射频系统样机,在不降低腔体Q值的前提下,以数字化低电平控制为主要技术手段,对束流负载效应进行补偿。提出完整的由多控制环路组成的束流负载效应补偿方案。该方案主要由引入自适应算法的束流前馈和高带宽低延时的射频直接反馈,以及在束流负载下对腔体谐振状态进行控制的腔体预失谐和动态调谐等组成。     

Introduction to the overall physics design of CSNS accelerators

The China Spallation Neutron Source (CSNS) is an accelerator-based facility. The