15-MeV電子直線加速器的低電平系統

張俊強　劉亞娟　鐘少鵬　李 林　李英民　顧 強（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區　上海 201800）

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15-MeV電子直線加速器的低電平系統

張俊強劉亞娟鐘少鵬李 林李英民顧 強
（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區上海 201800）

摘要15-MeV電子加速器驅動的光中子源裝置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1,TPNS1)是專為釷基熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)核數據測量設計和建造的。為保證直線加速器提供穩定的、高品質的束流，開發了基于可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)技術的低電平控制系統，利用上下變頻、IQ(In-phase and Quadrature)調制解調技術實現了直線加速器幅度和相位的反饋控制。經測試，幅度和相位的控制精度達到±0.4%，可達±0.6°。長時間的運行表明，整個數字化環路的響應時間快，穩定性好，滿足中子源裝置的運行要求。

關鍵詞直線加速器，低電平，可編程邏輯門陣列，波形采集，反饋控制

中國科學院戰略性先導科技專項項目(No.XDA02010100)資助

第一作者：張俊強，男，1974年出生，2013年于中國科學院上海應用物理研究所獲博士學位，研究方向為直線加速器的低電平控制

Supported by Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(No.XDA02010100)

First author:ZHANG Junqiang,male,born in 1974,graduated from Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences with a master’s

degree in 2013,focusing on low level RF control of linear accelerators

Low level radio frequency system of 15-MeV electrons linac

ZHANG JunqiangLIU YajuanZHONG ShaopengLI LinLI YingminGU Qiang
(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Jiading Campus,Shanghai 201800,China)

AbstractBackground:The photo-neutron source driven by 15-MeV electrons linac in Thorium molten salt reactor(TMSR)program was designed for nuclear data measurement.Purpose:To ensure the linac to provide stable and high quality beam bunches,a low level radio frequency(LLRF)control system based on field programmable gate array(FPGA)was developed.Methods:LLRF realized digital amplitude and phase feedback control by using up-down converter,IQ(In-phase and Quadrature)modulator and demodulator techniques.Results:After commission,the control accuracy of amplitude and phase is less than ±0.4%and ±0.6o,respectively.Conclusion:Long time running indicates that the whole digital control loop has the properties of fast time response and good stability,which meets the demand of photo-neutron facility.

Key wordsLinac,LLRF,FPGA,Waveform acquisition,Feedback control

15-MeV電子加速器驅動的光中子源裝置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1,TPNS1)是中國科學院上海應用物理研究所釷基熔鹽堆核能系統(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)先導專項研究課題之一，建成后將主要側重于總截面和俘獲截面的核數據測量、某些中子/伽馬輻照的研究以及開展相關的中子探測器和反應堆用中子探測器的研制和刻度等[1]。裝置中采用電子直線加速器作為驅動，電子能量為15 MeV，脈沖寬度為3 ns-3 s，脈沖頻率為1-266 Hz 可調，平均脈沖電流0.5 mA，最大功率為7.5 kW。

1　微波系統

電子直線加速器由電子槍、S波段預聚束器（工作頻率2 856 MHz）、16腔行波聚束器、S波段加速管、偏轉磁鐵和聚焦磁鐵等構成[2]。預聚束器的功率源為一臺固態放大器，聚束器與加速管則共同由一臺速調管提供微波功率。而兩套功率源的激勵供給、幅度相位的調節及控制則由兩套低電平來實現，低電平同時具有波形監測、聯鎖保護的輸出等功能，如圖1所示。

圖1　直線加速器微波系統Fig.1　Diagram of linac RF system.

低電平系統采用上下變頻和IQ(In-phase and Quadrature)調制解調原理，實現微波功率源幅度、相位的反饋控制[3]。系統包括信號源、RF前端及數據采集卡。信號源產生參考信號RFref，再經分頻和混頻產生本振信號(Local Oscillator,LO)及時鐘，并提供一路50 MHz的信號給定時系統同步；RF前端實現信號的上下變頻，RFref和功率源輸出功率RFfwd的頻率為2 856 MHz，在RF前端與頻率為2 806 MHz 的LO混頻，下變頻為50 MHz的中頻信號，再經低通濾波后到X6-400M采集卡，形成兩路模數轉換器(Analog to Digital Converter,ADC)信號。X6-400M完成中頻信號的ADC采集、數字化運算處理，并由數模轉換器(Digital to Analog Converter,DAC)輸出調制后的50 MHz中頻信號，經RF前端上變頻至2 856 MHz，作為固態放大器的激勵信號?？删幊踢壿嬮T陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的外部參考時鐘為50 MHz，觸發信號來自定時系統。

低電平的核心是X6-400M，是美國Innovation Intergration公司產品，有兩路14位同步采樣通道，采樣速率400 MSPs，或12位使用時采樣速率可達500 MSPs。在寬帶直接采樣應用中，模擬輸入的帶寬可達400 MHz。兩路DAC通道有效位數是16位，雙通道模式時最大更新速率為500 MSPs，而單通道模式時可以達到1 GSPs。DAC具有可選的2×、4×插值模式[4]。X6-400M的系統框圖如圖2所示。

使用外部時鐘輸入，ADC和DAC可以進行同步采樣。觸發控制提高了數據接收的精度控制，并集成到FPGA邏輯中。觸發模式包括可編程大小幀、脈沖重復間隔、外部和軟件。利用外部觸發輸入可以實現多卡運行。邏輯程序中觸發元件可以進行定制來滿足不同的觸發需求。

低電平同時還實現微波信號的幅度和波形檢測、聯鎖保護等功能。波形采集則是由中國研華公司生產的MIC-3714同步模擬采集卡完成，MIC-3714板卡有4個相互獨立的采集通道，每個通道由ADC鎖存器、控制單元和緩存器(First Input First Output,FIFO)組成。每路將接收到的外界動態信號變換為電信號，經過各自的ADC變換后，并由各自的鎖存器鎖存，在邏輯控制單元的控制下，緩存到各自的FIFO內。而共同的數據通道由PCI(Peripheral Component Interconnect)總線控制器、PCI總線、主機內存和硬盤組成，負責將四路采集到的數據進行合并，然后在控制信號的控制下，經PCI總線控制器和PCI總線傳輸至內存，再由主機對數據進行存儲到磁盤，實現多路數據的實時采集與實時存儲。分辨率為12位，采樣速率可以達到30 MHz[5]。

圖2　X6-400M系統框圖Fig.2　Block diagram of X6-400M.

臺灣凌華公司的cPCI-7230是具有16路隔離數字量輸入(Digital Input,DI)與16路隔離數字量輸出(Digital Output,DO)的數字I/O板卡，在外部信號與系統之間具有5000 V(rms)高隔離電壓，具有大電流驅動能力及鉗位二極管保護的達林頓集電極開路數字量輸出。當MIC-3714采集到的反射功率RFrefl超過設定值時，cPCI-7230會輸出聯鎖控制量，通過光耦，將聯鎖信號送到中控聯鎖和調制器，停止調制器觸發，保護速調管，避免受到高功率損壞。光耦輸出電路如圖3所示。

圖3　CPCI7230輸出耦合電路Fig.3　Output circuit of CPCI7230.

加速管和聚束器共用一套低電平，但是相位都需要獨立調節，所以在加速管的波導分支上安裝了大功率移相器用于調節加速管的相位，驅動機構為步進電機，運動控制卡采用臺灣凌華公司的PXI-8164。

低電平的輸入輸出控制器(Input and Output Controller,IOC)采用cPCI總線的機箱架構，承載著X6-400M、MIC-3714、cPCI-7230和PXI-8164，操作系統為WINDOWS 7。

2　FPGA控制算法

低電平的反饋控制可分為IQ矢量控制和幅度相位分離的低電平控制[6]。對IQ矢量反饋，I和Q可以使用一套比例積分(Proportional-Integral,PI)控制系數，不需要CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)算法來進行幅度相位的轉換，結構簡單，邏輯延遲少。圖4是FPGA的反饋控制算法，50 MHz的中頻信號IFref和IFfwd進入ADC采集后，經解調得到I和Q，再經FIR(Finite Impulse Response)濾波器。濾波后的IQ與設定值進行比較，得出偏差，由PI控制器實現輸出。PI控制器輸出的IQ數值，經直接數字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)調制得到50 MHz的中頻信號。DAC的輸出采用正交調制的方式，采樣率是ADC的兩倍，為400 MHz。

圖4　FPGA控制算法Fig.4　Control algorithm of FPGA.

3　調試運行

低電平系統開發完成后，在中子源裝置進行了聯機調束及長時間運行，幅度的控制精度為±0.4%，相位可達±0.6°，達到±1%和±1°的設計指標，如圖5所示。整個數字化環路的響應時間快，穩定性好，直線加速器的輸出束流穩定，滿足了中子源裝置的測試要求。MIC-3714對微波信號的波形進行采集，包括速調管的輸出反射，加速結構的輸入輸出，滿足了加速器性能分析和系統監測需要。波形采集及束流傳輸如圖6所示。在束流傳輸圖形中，波形a是觸發信號，波形b和c是電子槍輸出和加速管之后的束流，而波形d則是經過90o偏轉后的束流，可以看出束流頭部丟失，這是由于束流負載瞬態效應引起束流頭部能量增高，而造成頭部束流的丟失。下一步將繼續進行FPGA 數字算法的前饋控制，去降低束流負載的影響，達到脈寬內電子能量的一致，實現全脈寬束流的偏轉，從而提高束流的傳輸效率，降低能散，減小輻射。

圖5　幅相相位穩定性Fig.5　Amplitude and phase stability.

圖6　波形采集及束流傳輸圖形Fig.6　Waveform acquisition and beam transport.

4　結語

本文利用上下變頻、IQ調制解調及FPGA數字化信息處理技術建立了一套基于cPCI架構的低電平控制系統，完成了15-MeV直線加速器功率源幅度、相位的反饋控制，控制精度達到指標要求，同時實現波形采集、聯鎖保護輸出及步進電機的運動控制。上層應用程序采用EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)，實現用戶與數據采集設備的信息交互。經一年的運行實驗，低電平系統保持長期穩定運行，滿足了中子源測試的要求。

參考文獻

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2鐘少鵬,張俊強,張猛,等.EADSS直線加速器射頻系統設計[R].中國科學院上海應用物理研究所,2012 ZHONG Shaopeng,ZHANG Junqiang,ZHANG Meng,etal.Technical design report of EADSS linac RF system[R].Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,2012

3張志剛,趙玉斌,徐凱,等.基于I/Q解調原理的校準方法及實驗[J].核技術,2015,38(3):030102.DOI:10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030102 ZHANG Zhigang,ZHAO Yubin,XU Kai,et al.Calibration method and experiment based on I/Q demodulation principle[J].Nuclear Techniques,2015,38(3):030102.DOI:10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030102

4X6-400M user’s manual[M/CD].Innovative Integration,2012

5MIC-3714 user manual[M/CD].Advantech Co.,Ltd.,2005

6劉熔.BEPCⅡ次諧波聚束器低電平控制系統研制[D].北京:中國科學院研究生院,2010 LIU Rong.Develop the LLRF systems for sub-harmonic bunchers of BEPCⅡ linac[D].Beijing:Graduate University of Chinese Academy of Sciences,2010

收稿日期：2015-10-15，修回日期：2016-01-05

DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.030403

中圖分類號TL274+.2