高加速梯度超导腔失谐机制及控制技术研究

Due to their thin walls and narrow bandwidths, the Lorentz force and microphonics detuning of the superconducting cavities with high accelerating gradient is comparable to or even larger than the bandwidth, which leads to the instability of the accelerating field and influences the beam quality in the absence of proper control. The research on the detuning mechanism and control technology of superconducting cavities with high accelerating gradient is rare in China. This project will focus on the key issues in the stable operation of superconducting cavities with high accelerating gradient, we will study the dynamic Lorentz force and microphonics detuning in theory and comparing to experiments, the response of the piezo tuner to its driving voltage and the adaptive feed forward control algorithm to compensate the detuning. Basing on the research and taking the 4-cell cavity in the high average power THz facility as an example, we will design the control scheme and develop a digital low level control system to maintain the stability of filed amplitude and phase within 0.05% (rms) and 0.05°(rms) respectively. The research of the project will helpful to the stable operation of the domestic high accelerating gradient superconducting accelerators, and provide technology reserve and personal training for the future large facilities based on the superconducting accelerators in China.

由于超导腔的薄壳结构和窄带宽，高加速梯度超导腔的洛伦兹力和麦克风效应造成的失谐量往往接近甚至超过其带宽，若不加以控制则造成加速场不稳定，从而影响束流品质。国内目前在高加速梯度超导腔的失谐机制及控制技术的研究上仍然比较欠缺，本项目将围绕稳定运行高加速梯度超导腔中的关键问题，对高加速梯度超导腔洛伦兹力失谐和麦克风效应的动态过程进行理论计算和低温实验研究，并研究低温下超导腔压电陶瓷调谐器对驱动电压的响应特性和控制驱动电压的自适应前馈控制算法。在这些研究的基础上，以用于高平均功率THz大型科学设备上的4-cell超导腔为例，设计其射频场的控制方案，研制出一套数字化低电平控制系统，使射频场幅度和相位的稳定度分别优于0.05%(rms)和0.05°(rms)。本项目的研究工作将为国产高加速梯度超导腔的稳定运行做出技术保证，同时也为我国未来建造基于超导加速器的大型科学装置提供技术和人才储备。

由于超导腔的薄壳结构和窄带宽，高加速梯度超导腔的洛伦兹力和麦克风效应造成的失谐量往往接近甚至超过其带宽，若不加以控制则造成加速场不稳定，从而影响束流品质。国内目前在高加速梯度超导腔的失谐机制及控制技术的研究上仍然比较欠缺，本项目围绕稳定运行高加速梯度超导腔中的关键问题开展研究。模拟计算了1.3 GHz 9-cell超导腔振动频率在1000 Hz以下的机械振动模式。完成了不同脉冲参数下洛伦兹力失谐的动态过程模拟，表明在二阶常微分失谐方程的近似下，高梯度运行超导腔存在机电耦合。在程序中仿真了超导腔动态洛伦兹力失谐的控制，表明合理的前馈能有效的补偿洛伦兹力对超导腔的影响。建立了整个射频系统的数学模型，利用Matlab/Simulink仿真优化了控制参数和自适应前馈控制算法，进行了模型验证，并利用System Verilog的特性进行模块化程序设计。编写完成了硬件模拟器，在硬件模拟器上调试了低电平控制系统的控制算法和射频前端的性能。项目组成员自行开发了低相位噪声的时钟板代替商业板AD9510和信号发生器，将本振与数字时钟的抖动从600 fs降至200 fs。研制完成了超导腔的数字化低电平控制系统，并在系统中集成了自激励系统（Self-Excited Loop）与信号源激励谐振（Generator Driven Resonator）控制方法,实现了从SEL模式到载束运行GDR模式的直接切换。该集成方式消除了连续波运行超导腔洛伦兹力失谐的动态影响，使超导腔快速达到目标梯度并维持射频场的高稳定性，能快速启动及恢复超导腔。在超导腔上的测试结果显示射频场幅度和相位的稳定度分别为0.01%(rms)和0.02°(rms)，达到预定的研究目标。本项目的研究工作为国产高加速梯度超导腔的稳定运行做出了技术保证，同时也为我国未来建造基于超导加速器的大型科学装置提供了技术和人才储备。