大带宽高精度全数字化加速器高频稳定系统关键技术研究

Accelerator low level RF system is the key part of the accelerator. And it is the essential part of the accelerator to ensure that the beam can be accelerated. can realize complex algorithm and .Digital control technology is applied extensively in accelerator RF control domain by it is easy used and nimbly modified. The disadvantage that it is very difficult to achieve the Compatibility between wide bandwidth, high precision and stability, restricts the application of digital technology in accelerator domain. We will build the cavity and power supply mathematical model of LINAC. And the cavity pole cancellation module will be introduced to improve the stability of the system. A high gain digital loop filter will be designed to realize the high precision control. In order to further meet the requirement of high precision, the error such as clock jitter, cable temperature drift and zero drift of analog component, are calculated. And corresponding method are taken to reduce the error. Combined with the research results of each stage, wide bandwidth and high accuracy control algorithm will be designed. And the actual performance of the algorithm will be tested on the accelerator system. According to this, through the study of this subject, to Analysis these issues, and propose solutions for the future accelerator development, research and technology reserves.

加速器高频低电平系统是加速器的关键组成部分之一，是保证束流能够得到正常加速的必不可少部分。数字控制技术以其具有能够实现复杂的算法并且系统设计灵活等特点越来越广泛地应用到加速器低电平控制领域。但是现有的数字化低电平系统都难以实现大带宽、高精度和稳定性的兼容。本项目以直线加速器高频系统为研究对象建立精确的功率源及腔体数学模型，引入腔体极点抵消算法提高系统的稳定性。设计高增益数字环路滤波器以实现高精度控制。为进一步满足高精度的要求，建立了系统的误差模型，准确地估计了时钟抖动、电缆温漂、模拟器件零漂等误差源，并采取相应的补偿措施以提高控制精度。结合各阶段的研究成果设计出适合加速器工程应用的大带宽高精度并兼容稳定性的控制算法，并在实际加速器系统上对该算法的性能进行测试和评估。本项目旨在对数字化低电平技术发展中存在的限制因素进行分析，并提出解决方案，为今后加速器发展做预研和技术储备。

高频低电平系统是保证束流有效加速的关键设备之一。数字低电平系统的带宽、控制精度、稳定性能等均会对束流的品质产生重要影响。本课题以兰州重离子研究装置（HIRFL）为背景，研究了影响数字低电平性能的几个关键点，并改进了相应的关键技术。.主要研究内容包括被控对象腔体性能的研究、零极点对消法环路滤波器的设计方法、提高控制精度的几项关键技术。在腔体性能的研究过程中，详细推导了腔体在谐振和失谐状态下的传递函数，为后续环路滤波器的设计奠定基础。环路滤波器引入了零极点对消法，使系统的控制带宽达到13kHz；相位余量达到70°，幅度余量理论上为无穷大，保证了系统具有足够的稳定性。环路滤波器采用Xilinx FPGA实现，可以适应不同工作频率、不同品质因数的腔体，可移植性强。详细分析了系统的误差来源，设计了控制精度达到25±0.1℃的恒温控制系统，以尽可能减少放大器、滤波器、模数转换、数模转换等器件的温度漂移。创新性地设计了一种经济的腔体取样电缆的相位和损耗温度漂移补偿方法。. 根据研究成果升级了HIRFL高频系统的数字低电平系统的软件，并为SSC_LINAC研制了全新的数字低电平系统。全新数字低电平系统的长期相位稳定度为|∆∅|≤0.2°，幅度稳定度为|∆A/A|≤2×〖10〗^(-3)。由于扩展了控制带宽，系统具有非常好的相位调制抑制度和幅度调制抑制度，系统的瞬时稳定性能得到了大幅度提高。采用束流飞行时间法测试了SFC引出束流能量的稳定性，以验证低电平系统的控制精度和稳定性。系统升级前后束流能量的稳定度分别为8.5×10-3和4.3×10-3， 束流能量的稳定性提高了2倍。. 升级后的数字低电平对于HIRFL高频系统的稳定运行，提高束流性能具有重要意义。反馈环路的设计及实现方法、提高控制精度的相关技术对于后续SSC_LINAC、强流重离子加速器等的低电平设计奠定了理论和实践基础。