HLS 800 MeV直線加速器相位控制系統(tǒng)的研制

王雪濤 黃貴榮 林宏翔 周偉實 金 凱 賈大春 劉勇濤

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室 合肥 230029）

合肥光源(HLS)正在進行重大升級改造，其中直線加速器的能量將從200 MeV提升到800 MeV，實現(xiàn)儲存環(huán)的滿能量注入。6 m加速段的數(shù)量由4個增加到8個，速調(diào)管由5個增加到8個，其中6個配備了能量倍增器(SLED)。微波低電平控制系統(tǒng)相應(yīng)的改進為：研制相位穩(wěn)定系統(tǒng)取代人工調(diào)相方式控制Linac各加速段微波相位；研制相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)能量倍增。這兩個系統(tǒng)合稱為Linac相位控制系統(tǒng)，本文介紹了相控系統(tǒng)的方案設(shè)計和樣機研制過程。

1 LINAC相位控制系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)方案

依據(jù)Linac升級改造總體方案，速調(diào)管輸出功率脈沖的長度為4 μs，前3 μs為能量倍增器儲能過程，在第 3 μs時速調(diào)管的輸出微波相位迅速翻轉(zhuǎn)180°，能量倍增器開始釋能，實現(xiàn)能量倍增[1]。具有快速改變微波相位功能的器件有電控移相器和I/Q調(diào)制器等(I/Q, in-phase/quadrature, 同相正交)，采用電控移相器技術(shù)相對簡單，而用I/Q調(diào)制器的優(yōu)點是在切斷I/Q控制信號時，I/Q調(diào)制器的RF輸出將被關(guān)斷，可用于系統(tǒng)的連鎖保護。因此在樣機研制時選擇了I/Q調(diào)制器作為相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的執(zhí)行器件，圖1為方案示意圖。

圖1 180°相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)方案示意圖Fig.1 Schematics of the 180° phase reversal system.

根據(jù)HLS能量倍增器(正由中科院高能所制作)設(shè)計參數(shù)，進行了相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定度計算，結(jié)果表明當(dāng)相位翻轉(zhuǎn)在(180±2)°范圍內(nèi)，能倍器的輸出功率偏差小于0.03%，滿足直線加速器0.1%的束流能量穩(wěn)定度要求。

1.2 相位穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計方案

直線加速器相位穩(wěn)定系統(tǒng)一般由高穩(wěn)定的相位參考基準(zhǔn)(恒溫傳輸線)、鑒相單元、數(shù)據(jù)處理單元和相位反饋單元組成。其中鑒相單元是整個系統(tǒng)中極其重要的環(huán)節(jié)，目前在加速器領(lǐng)域廣泛采用 I/Q技術(shù)進行相位測量[2,3]，其原理是將RF信號轉(zhuǎn)化為正交的低頻I/Q信號，通過數(shù)字取樣和處理得到RF信號的幅相信息。

I/Q幅相測量有模擬或數(shù)字方式，模擬I/Q技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)方便，一般用模擬器件將微波信號下變頻為直流（或脈沖直流）后進行數(shù)字取樣。由于模擬器件的固有偏差，如模擬 I/Q解調(diào)器的 I/Q輸出不平衡，鑒相結(jié)果存在誤差，須作較復(fù)雜的逐點校準(zhǔn)[2]。數(shù)字 I/Q一般用數(shù)字中頻變頻和取樣技術(shù)，通過一些數(shù)據(jù)處理方法作自校準(zhǔn)，能精確地測定兩路信號的相位差[3]。

然而，在直線加速器相位閉環(huán)反饋控制的應(yīng)用場合，某一加速段的加速相位由監(jiān)測束流的能量變化獲得，穩(wěn)相系統(tǒng)的作用是長期鎖定該相位，若對小的相位變化有足夠高的測量精度，即可實現(xiàn)穩(wěn)相，模擬I/Q技術(shù)完全可以勝任。數(shù)字I/Q技術(shù)的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需額外引入一個中頻信號用于下變頻和數(shù)字取樣，若直線加速器很長，功率源和加速段數(shù)量就較多，則中頻信號的產(chǎn)生、傳輸和處理系統(tǒng)的構(gòu)建較復(fù)雜，成本較高。

我們調(diào)研了北京正負電子對撞機(BEPCII)和上海光源(SSRF) Linac的低電平微波相位控制方案[4?7]。BEPCII的 1.89 GeV Linac共有 16 路高功率微波系統(tǒng)，采用了模擬I/Q技術(shù)進行微波相位測量。SSRF的150 MeV Linac有兩套功率源，距離很近，它們的控制系統(tǒng)集成在一起，采用了數(shù)字I/Q技術(shù)。長期運行情況表明，兩種方案都可行，鑒于改造后的HLS-Linac與BEPCII較為類似，我們決定采用模擬I/Q技術(shù)進行微波鑒相。

在相位反饋控制部分中，BEPCII和SSRF分別使用了機械移相器和電控移相器 EPS (Electrical Phase Shifter)進行相位控制。BEPCII-Linac的后續(xù)15個速調(diào)管的激勵功率耦合自第一個速調(diào)管的輸出，只能用高功率機械移相器調(diào)整微波相位。SSRF為每個速調(diào)管配置一臺1 kW固態(tài)放大器(SSA)進行驅(qū)動，在SSA前插入低功率電控移相器進行相位調(diào)整。HLS Linac升級到800 MeV后，8個速調(diào)管全部用SSA驅(qū)動。電控移相器有快速、精確、無回位誤差的優(yōu)點，因此采用電控移相器作為相位反饋的主要手段，同時保留了機械移相器（在IΦA(chǔ)機箱內(nèi)）作為后備方案。HLS Linac相位控制系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 HLS相位控制系統(tǒng)總體方案Fig.2 Schematics of the phase control system.

HLS 800 MeV Linac能量穩(wěn)定度的總體設(shè)計指標(biāo)為 0.5%，各分系統(tǒng)按 0.1%的指標(biāo)設(shè)計。為達到這一設(shè)計要求，各加速段相位至少應(yīng)穩(wěn)定在±2°范圍內(nèi)。在相位穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計上我們給出更嚴格的指標(biāo)，其具體參數(shù)為：相位分辨率±0.1°；相位閉環(huán)反饋控制精度±0.5°。

2 相位控制系統(tǒng)樣機研制和測試

2.1 相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，I/Q調(diào)制器采用了 Pulsar Microwave公司的IDOH-01-45，其基本參數(shù)見表1。I/Q脈沖電壓信號由Agilent 33250A 80 MHz函數(shù)和任意波形發(fā)生器提供，它的脈沖上升沿能達到5 ns，在外觸發(fā)Burst+pulse模式下，可輸出高穩(wěn)定的短脈沖，電壓分辨率為0.1 mV，輸出至I/Q調(diào)制器I/Q端的電壓幅度為±500 mV，電壓精度可達0.02%。

表1 I/Q調(diào)制器IDOH-01-45參數(shù)Table 1 The parameters of IDOH-01-45.

用網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)定33250A輸出脈沖信號的電平和直流偏置(圖 3)，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀測量速度較慢，33250A設(shè)置為重復(fù)頻率10 Hz、占空比50%的長脈沖輸出模式。調(diào)整33250A的脈沖電平和直流偏置，網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的I/Q調(diào)制器輸出RF信號的相位翻轉(zhuǎn)精度達(180±0.2)°。隨后，將33250A設(shè)置為相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作時所需的外觸發(fā)短脈沖模式，在實驗室環(huán)境下進行了測試。I/Q調(diào)制器的LO輸入信號由Agilent 8257D信號源提供，輸出RF信號的高速測量用經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)的I/Q相位測量裝置。圖4記錄了～2500次翻轉(zhuǎn)的相位數(shù)據(jù)，平均翻轉(zhuǎn)相位為～180.5°，RMS偏差小于 1°，最大偏差～1.5°。翻轉(zhuǎn)相位產(chǎn)生誤差的原因可能是33250 A在高速跳變的情況下，脈沖輸出電平有一定的隨機偏差。

圖3 相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的標(biāo)定Fig.3 Calibration of the phase reversal.

圖4 相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定度測試Fig.4 Stability test for the phase reversal system.

相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)在直線加速器現(xiàn)場測試需鋪設(shè)時序光纖，由于改造工程即將對直線加速器電纜重新布局，現(xiàn)場測試暫未安排。依據(jù)下一節(jié)相位穩(wěn)定系統(tǒng)的現(xiàn)場測試結(jié)果，現(xiàn)場噪聲的影響為±0.3°，在這一噪聲水平下，樣機達到設(shè)計要求。

2.2 相位穩(wěn)定系統(tǒng)

微波相位穩(wěn)定系統(tǒng)主要由I/Q鑒相器、ADC數(shù)據(jù)采集設(shè)備、電控移相器及控制軟件組成。其中數(shù)據(jù)采集設(shè)備為Pico公司的Pico4424虛擬示波器；I/Q鑒相器仍采用 IDOH-01-458；電控移相器為 Pulsar Microwave公司的 S7-H67-444A，其工作電壓為0?10 V，移相范圍大于 360°，控制電壓由 16 bits的PCI-6202 DAC板卡提供。在Labview[8]平臺下編寫了控制軟件，本地機采用服務(wù)器/客戶端模式與加速器的EPICS中央控制系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)連接。

Pico4424虛擬示波器有 16位的分辨率，量程設(shè)置在±500 mV時的最小分辨電壓為～0.03 mV。當(dāng)IDOH-01-458的 LO信號（相位基準(zhǔn)）設(shè)置為 10 dBmW、RF(待測信號)的幅度～0 dBmW時，I/Q信號的最大幅值約為±200 mV，所以RF信號相位變化 0.1°對應(yīng)的電壓變化為～0.2 mV (±200 mV對應(yīng)1800點)，大于Pico4424的電壓分辨率。因此在上述參數(shù)設(shè)置下相位測量分辨率可達到0.1°。相位穩(wěn)定系統(tǒng)樣機首先在實驗室環(huán)境下（溫度穩(wěn)定，無外部噪聲干擾）進行了自測，測量裝置見圖5。

圖5 相位穩(wěn)定系統(tǒng)測試裝置Fig.5 Schematics of the RF phasing system.

電控移相器的輸出連入I/Q調(diào)制器的RF信號輸入端，形成反饋閉環(huán)。圖6是開環(huán)相位測量結(jié)果，測試時間～2100 s，相位測量的平均值為 229.65°，均方根誤差小于0.1°，這說明相位測量的分辨率達到±0.1°。最大相位偏差±0.15°，因此測量裝置的自身精度可達±0.2°。圖7為相位閉環(huán)反饋測試，相位調(diào)整精度設(shè)置為±0.5°，為避免反饋過沖甚至自激，每個脈沖周期的反饋調(diào)整量為相位偏差量的30%?90%（視相位差大小而定）。通過設(shè)置不同的目標(biāo)相位，測試了環(huán)路對各種相位差 1°(80?79)、2°(79?77)、5°(77?72)、10°(72?62)和 20°(62?42)的響應(yīng)，從圖中看出反饋速度較平穩(wěn)，無過沖，調(diào)整時間大致在3 s (三個脈沖周期)。

圖6 開環(huán)相位測量結(jié)果Fig.6 Phase measurement results of open loop.

圖7 相位穩(wěn)定系統(tǒng)閉環(huán)實驗Fig.7 Closed loop test of RF phasing system.

在200 MeV Linac速調(diào)管大廳的1#功率源系統(tǒng)上對相位穩(wěn)定系統(tǒng)樣機進行現(xiàn)場測試。1#速調(diào)管由固態(tài)放大器驅(qū)動，可進行電控移相器的閉環(huán)反饋實驗。圖8為開閉環(huán)對比實驗，前1700 s系統(tǒng)開環(huán)，功率源系統(tǒng)的相位漂移～1.3°。這一漂移主要由速調(diào)管冷卻水的溫度變化引起。但由于冷卻水未安裝測溫裝置，無法確定相位漂移與水溫變化的關(guān)系。Linac升級改造將對冷卻水進行恒溫處理，這將大大提高速調(diào)管的工作穩(wěn)定性。

1700 s后進行閉環(huán)反饋測試，目標(biāo)相位設(shè)置為87°，閉環(huán)控制精度在3000 s前設(shè)置為±0.5°，其后為±0.3°。閉環(huán)后相位一直穩(wěn)定在(87±0.5)°，未能達到±0.3°。圖9為2100 ?2600 s的局部放大圖，從中發(fā)現(xiàn)相位測量的隨機誤差在～±0.3°，而反饋能達到的穩(wěn)定度一定大于系統(tǒng)誤差，所以閉環(huán)反饋不能使相位穩(wěn)定在±0.3°以內(nèi)。因此得出結(jié)論：相位穩(wěn)定系統(tǒng)的在線相位測量精度為±0.3°，閉環(huán)相位穩(wěn)定度最小能達到±0.5°。

圖8 相位穩(wěn)定系統(tǒng)在線測試實驗Fig.8 Online experiment with the RF phasing system.

圖9 噪聲對相位測量的影響Fig.9 Effect of noise on phase measurement.

3 結(jié)論

相位翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的相位翻轉(zhuǎn)精度達(180±2)°；相位穩(wěn)定系統(tǒng)樣機的相位測量分辨率為0.1°，在線相位測量精度為±0.3°，在±0.5°控制精度下相位閉環(huán)反饋運行正常，可達到±0.5°的長期穩(wěn)定度。樣機達到了設(shè)計要求，驗證了設(shè)計方案的可行性。目前相位穩(wěn)定系統(tǒng)10套正式裝置的制作已全面展開，直線加速器恒溫相位基準(zhǔn)和激勵功率傳輸、分配系統(tǒng)的構(gòu)建工作也正在進行。

致謝感謝高能所裴國璽、侯汨研究員，上海光源俞路陽、趙玉彬副研究員在相位控制系統(tǒng)方案調(diào)研和樣機制作過程中提供的寶貴經(jīng)驗和大力幫助。

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