快循环同步加速器射频加速电压幅度的数字化控制

　　在中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)中,控制束流损失是纵向束流动力学设计的重要一环,射频加速电压、射频频率和同步加速相位是决定纵向束流动力学的主要因素。RCS射频系统的主要作用是为束流提供所需的射频电压,完成对注入质子束团的纵向俘获和加速。

　　射频系统通过低电平控制系统(LLRF)来实现对电压幅度和加速相位的控制,并同时提供扫频载波信号。LLRF经历过全模拟控制、数字加模拟控制和正在发展的全数字控制三个阶段[1]。由于对RCS射频系统的动态性能和稳定性要求较高,并且控制功能复杂,低电平控制系统将采用全数字的控制技术。本文将重点介绍电压幅度数字控制回路的设计方案。

　　1　RF低电平控制系统的设计方案

　　根据CSNS/ RCS的物理设计要求,射频系统需要8~10个铁氧体加载腔,提供最大165 kV的射频加速电压。每腔配以独立的偏流源系统、射频功率源和低电平控制系统。在RCS中,铁氧体加载腔以脉冲方式工作,占空比为50%,重复频率25 Hz,即每个工作周期为20 ms。在一个工作周期内,射频系统要提供变化的射频频率、加速电压和同步加速相位,以满足对由直线加速器注入到环形同步加速器中的质子束团进行俘获、加速和引出的需要。经RAMA程序优化设计的加速电压[2]、射频频率的变化情况如图1所示。为减小射频俘获过程中的束流损失,要求在加速开始阶段很短的时间内射频电压梯度有很大的提高,对应于整个加速周期开始的0.5 ms内,加速电压由起始的21 kV提高到70 kV;在5 ms附近,电压上升到最大值165 kV;在加速周期的最后阶段,电压下降到约为100 kV。

　　CSNS/RCS LLRF数字控制系统主要由以下几个部分组成:(1)电压幅度控制环,控制腔的加速电压幅度跟随电压幅度曲线;(2)束流同步相位控制环,控制腔压相位来保持它与束流相位的同步,用以抑制同步振荡;(3)腔体调谐控制环,通过控制腔的偏流源电流来改变加载电感,使高频腔在设定的RF频率下谐振;(4)束流前馈补偿环,通过功率放大器产生相反的电流来抵消束流的感应电流,用以补偿大束流负载。整个系统的结构如图2所示。

　　RCS射频电压幅度控制回路的结构如图3所示。电压幅度控制环路通过射频电压幅度信号与电压幅度设定值的比较,得到误差信号。误差信号经过控制器来控制输入到射频腔的功率,以达到稳定和改变腔压的目的[3]。　　其中前置放大器用于将射频信号放大,产生足以驱动功率放大器的输出功率,功率放大器将射频信号放大到百kW量级,经磁耦合方式馈入射频加速腔,腔的间隙电压对质子束流加速。

　　由于固态前置放大器采用宽带放大器,在其工作范围内可以看成是线性放大器[4]。末级功放采用射频大功率四极管放大器,铁氧体加载腔实际是射频功率源的末级调谐负载,腔体谐振是通过对铁氧体偏流磁场的调节(偏流源)实现的。因此铁氧体加载腔的带宽决定了功率放大器的带宽。