15-MeV电子直线加速器的低电平系统

张俊强　刘亚娟　钟少鹏　李 林　李英民　顾 强（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区　上海 201800）



15-MeV电子直线加速器的低电平系统

张俊强刘亚娟钟少鹏李 林李英民顾 强
（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区上海 201800）

摘要15-MeV电子加速器驱动的光中子源装置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1,TPNS1)是专为钍基熔盐堆(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)核数据测量设计和建造的。为保证直线加速器提供稳定的、高品质的束流，开发了基于可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)技术的低电平控制系统，利用上下变频、IQ(In-phase and Quadrature)调制解调技术实现了直线加速器幅度和相位的反馈控制。经测试，幅度和相位的控制精度达到±0.4%，可达±0.6°。长时间的运行表明，整个数字化环路的响应时间快，稳定性好，满足中子源装置的运行要求。

关键词直线加速器，低电平，可编程逻辑门阵列，波形采集，反馈控制

中国科学院战略性先导科技专项项目(No.XDA02010100)资助

第一作者：张俊强，男，1974年出生，2013年于中国科学院上海应用物理研究所获博士学位，研究方向为直线加速器的低电平控制

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电子加速器驱动的光中子源装置(TMSR Photo-Neutron Source Phase 1,TPNS1)是中国科学院上海应用物理研究所钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)先导专项研究课题之一，建成后将主要侧重于总截面和俘获截面的核数据测量、某些中子/伽马辐照的研究以及开展相关的中子探测器和反应堆用中子探测器的研制和刻度等[1]。装置中采用电子直线加速器作为驱动，电子能量为15 MeV，脉冲宽度为3 ns-3 s，脉冲频率为1-266 Hz 可调，平均脉冲电流0.5 mA，最大功率为7.5 kW。

1　微波系统

电子直线加速器由电子枪、S波段预聚束器（工作频率2 856 MHz）、16腔行波聚束器、S波段加速管、偏转磁铁和聚焦磁铁等构成[2]。预聚束器的功率源为一台固态放大器，聚束器与加速管则共同由一台速调管提供微波功率。而两套功率源的激励供给、幅度相位的调节及控制则由两套低电平来实现，低电平同时具有波形监测、联锁保护的输出等功能，如图1所示。

图1　直线加速器微波系统Fig.1　Diagram of linac RF system.

低电平系统采用上下变频和IQ(In-phase and Quadrature)调制解调原理，实现微波功率源幅度、相位的反馈控制[3]。系统包括信号源、RF前端及数据采集卡。信号源产生参考信号RFref，再经分频和混频产生本振信号(Local Oscillator,LO)及时钟，并提供一路50 MHz的信号给定时系统同步；RF前端实现信号的上下变频，RFref和功率源输出功率RFfwd的频率为2 856 MHz，在RF前端与频率为2 806 MHz 的LO混频，下变频为50 MHz的中频信号，再经低通滤波后到X6-400M采集卡，形成两路模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)信号。X6-400M完成中频信号的ADC采集、数字化运算处理，并由数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)输出调制后的50 MHz中频信号，经RF前端上变频至2 856 MHz，作为固态放大器的激励信号。可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的外部参考时钟为50 MHz，触发信号来自定时系统。

低电平的核心是X6-400M，是美国Innovation Intergration公司产品，有两路14位同步采样通道，采样速率400 MSPs，或12位使用时采样速率可达500 MSPs。在宽带直接采样应用中，模拟输入的带宽可达400 MHz。两路DAC通道有效位数是16位，双通道模式时最大更新速率为500 MSPs，而单通道模式时可以达到1 GSPs。DAC具有可选的2×、4×插值模式[4]。X6-400M的系统框图如图2所示。

使用外部时钟输入，ADC和DAC可以进行同步采样。触发控制提高了数据接收的精度控制，并集成到FPGA逻辑中。触发模式包括可编程大小帧、脉冲重复间隔、外部和软件。利用外部触发输入可以实现多卡运行。逻辑程序中触发元件可以进行定制来满足不同的触发需求。

低电平同时还实现微波信号的幅度和波形检测、联锁保护等功能。波形采集则是由中国研华公司生产的MIC-3714同步模拟采集卡完成，MIC-3714板卡有4个相互独立的采集通道，每个通道由ADC锁存器、控制单元和缓存器(First Input First Output,FIFO)组成。每路将接收到的外界动态信号变换为电信号，经过各自的ADC变换后，并由各自的锁存器锁存，在逻辑控制单元的控制下，缓存到各自的FIFO内。而共同的数据通道由PCI(Peripheral Component Interconnect)总线控制器、PCI总线、主机内存和硬盘组成，负责将四路采集到的数据进行合并，然后在控制信号的控制下，经PCI总线控制器和PCI总线传输至内存，再由主机对数据进行存储到磁盘，实现多路数据的实时采集与实时存储。分辨率为12位，采样速率可以达到30 MHz[5]。

图2　X6-400M系统框图Fig.2　Block diagram of X6-400M.

台湾凌华公司的cPCI-7230是具有16路隔离数字量输入(Digital Input,DI)与16路隔离数字量输出(Digital Output,DO)的数字I/O板卡，在外部信号与系统之间具有5000 V(rms)高隔离电压，具有大电流驱动能力及钳位二极管保护的达林顿集电极开路数字量输出。当MIC-3714采集到的反射功率RFrefl超过设定值时，cPCI-7230会输出联锁控制量，通过光耦，将联锁信号送到中控联锁和调制器，停止调制器触发，保护速调管，避免受到高功率损坏。光耦输出电路如图3所示。

图3　CPCI7230输出耦合电路Fig.3　Output circuit of CPCI7230.

加速管和聚束器共用一套低电平，但是相位都需要独立调节，所以在加速管的波导分支上安装了大功率移相器用于调节加速管的相位，驱动机构为步进电机，运动控制卡采用台湾凌华公司的PXI-8164。

低电平的输入输出控制器(Input and Output Controller,IOC)采用cPCI总线的机箱架构，承载着X6-400M、MIC-3714、cPCI-7230和PXI-8164，操作系统为WINDOWS 7。

2　FPGA控制算法

低电平的反馈控制可分为IQ矢量控制和幅度相位分离的低电平控制[6]。对IQ矢量反馈，I和Q可以使用一套比例积分(Proportional-Integral,PI)控制系数，不需要CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)算法来进行幅度相位的转换，结构简单，逻辑延迟少。图4是FPGA的反馈控制算法，50 MHz的中频信号IFref和IFfwd进入ADC采集后，经解调得到I和Q，再经FIR(Finite Impulse Response)滤波器。滤波后的IQ与设定值进行比较，得出偏差，由PI控制器实现输出。PI控制器输出的IQ数值，经直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)调制得到50 MHz的中频信号。DAC的输出采用正交调制的方式，采样率是ADC的两倍，为400 MHz。

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

3　调试运行

低电平系统开发完成后，在中子源装置进行了联机调束及长时间运行，幅度的控制精度为±0.4%，相位可达±0.6°，达到±1%和±1°的设计指标，如图5所示。整个数字化环路的响应时间快，稳定性好，直线加速器的输出束流稳定，满足了中子源装置的测试要求。MIC-3714对微波信号的波形进行采集，包括速调管的输出反射，加速结构的输入输出，满足了加速器性能分析和系统监测需要。波形采集及束流传输如图6所示。在束流传输图形中，波形a是触发信号，波形b和c是电子枪输出和加速管之后的束流，而波形d则是经过90º偏转后的束流，可以看出束流头部丢失，这是由于束流负载瞬态效应引起束流头部能量增高，而造成头部束流的丢失。下一步将继续进行FPGA 数字算法的前馈控制，去降低束流负载的影响，达到脉宽内电子能量的一致，实现全脉宽束流的偏转，从而提高束流的传输效率，降低能散，减小辐射。

图5　幅相相位稳定性Fig.5　Amplitude and phase stability.

图6　波形采集及束流传输图形Fig.6　Waveform acquisition and beam transport.

4　结语

本文利用上下变频、IQ调制解调及FPGA数字化信息处理技术建立了一套基于cPCI架构的低电平控制系统，完成了15-MeV直线加速器功率源幅度、相位的反馈控制，控制精度达到指标要求，同时实现波形采集、联锁保护输出及步进电机的运动控制。上层应用程序采用EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)，实现用户与数据采集设备的信息交互。经一年的运行实验，低电平系统保持长期稳定运行，满足了中子源测试的要求。

参考文献

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2钟少鹏,张俊强,张猛,等.EADSS直线加速器射频系统设计[R].中国科学院上海应用物理研究所,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张志刚,赵玉斌,徐凯,等.基于I/Q解调原理的校准方法及实验[J].核技术,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刘熔.BEPCⅡ次谐波聚束器低电平控制系统研制[D].北京:中国科学院研究生院,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

中图分类号TL274+.2