高能电子成像直线加速器低电平控制系统研制

周有为，曹树春，申晓康，赵全堂，宗 阳，张子民,*

(1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学 核科学与技术学院，北京 100049)

高能电子成像由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室首先提出并开展了相关研究，其利用30 MeV电子束进行了静态薄靶的成像实验[1]。中国科学院近代物理研究所提出将高能电子成像技术作为诊断工具，探索高能量密度物理和惯性约束聚变物理过程中的关键科学问题[2]。近代物理研究所与美国阿贡国家实验室、清华大学合作，完成了高能电子成像装置的物理设计并开展了相关实验研究，验证了高能电子成像作为高能量密度物理诊断方法的可行性[3-6]。为更深入地开展高能电子成像实验，近代物理研究所正在建造一台50 MeV的电子直线加速器，专用于高能电子成像实验研究。这台电子直线加速器由热阴极微波电子枪、α磁铁、加速管、偏转磁铁和聚焦磁铁等构成，工作频率为2 856 MHz，重复频率5～50 Hz可调，流强可达400 mA[7]。该加速器的低电平控制系统采用上下变频、IQ解调技术[8-10]和PXI板卡，实现微波功率源相位的反馈控制，要求对加速场相位控制精度稳定在±1°内。本文给出低电平控制系统的设计和实现过程，并进行相关测试。

1 低电平控制系统硬件设计及实现

低电平控制系统用于控制高频功率源的高频信号幅度和相位，保证加速器的稳定运行。目前常用的低电平控制方法有幅度相位分离控制方法和矢量控制方法，本系统中采用的是幅度相位分离控制方法。对于这台加速器而言，速调管处于饱和工作模式，输出信号幅度不能体现输入信号的幅度变化，低电平控制系统无法通过调节信号输出幅度来进行幅度反馈控制。因此，本控制系统主要控制对象是信号的相位，仅包含相位控制反馈回路，幅度稳定性通过调整速调管的工作状态来保证。

低电平控制系统总体布局如图1所示，其包括：微波信号源、本振信号生成模块、上下变频模块、时钟模块、数字化及其处理模块等。其中，微波信号源为控制系统提供同步信号和射频参考信号；本振信号生成模块产生上下变频所需的本振信号；上下变频模块用于将射频信号下变频为中频信号，及将中频信号上变频为射频信号；时钟模块的功能是生成采样时钟信号和分配同步信号；数字化及其处理模块用于中频信号的采集、处理和闭环控制。该系统的工作过程为：从电子枪和加速管提取出的射频功率信号与本振信号混频，下变频为10 MHz的中频信号，送入采集板卡PXIe-5105完成中频信号的采集，经过模数转换器(ADC)形成两路数字信号到计算机，进行数字化运算处理。数模转换器(DAC)输出调制后的10 MHz中频信号，上变频为2 856 MHz的射频信号，作为固态放大器的激励信号。

低电平系统微波信号源采用罗德与施瓦茨公司生产的SMB100A型信号源，该型信号源配备有产生10 MHz信号的内部参考信号源，该信号同时可作为外部参考信号输出。因此，本设计中信号源同步输出10 MHz的同步信号和2 856 MHz的射频参考信号。

本振信号的产生如图2所示，本振信号的生成采用直接频率合成的方法，利用数字分频器、混频器及带通滤波器来合成本振信号。由于信号源同步输出10 MHz的同步信号和2 856 MHz的射频参考信号，因此直接将同步信号和射频参考信号混频，经过放大滤波，得到2 846 MHz的本振信号，减少了使用分频器而引入的相位噪声。图3为由该方法产生的本振信号频谱，频谱仪的参考电平为23.00 dBm，本振信号的功率为22.74 dBm，最大杂波2 866 MHz信号功率为-30.32 dBm，抑制比为53.06 dB，本振信号频谱干净。

图1 低电平控制系统总体布局Fig.1 General layout of low level radio frequency control system

图2 本振信号生成图Fig.2 Diagram of local signal generation

a——2 846 MHz信号功率；b——2 866 MHz信号功率图3 本振信号频谱Fig.3 Spectrum of local signal frequency

本设计中时钟板卡采用美国国家仪器公司的PXI-5404波形发生器，时钟和同步信号分配如图4所示。10 MHz同步信号从时钟板卡的同步信号输入端口输入，驱动板卡产生40 MHz的ADC采样时钟，同时利用板卡内部的锁相环，从同步信号输出端口输出同步信号发送到DAC，以同步其产生的10 MHz中频信号。外部触发信号从可编程功能输入端口PFI0输入，通过PXIe-1073机箱背板上的PXI局部总线和PXI触发总线，将信号发送给ADC，从而实现数据的同步采集过程。

图4 时钟分配模块Fig.4 Layout of clock distribution module

低电平系统中使用的数字板卡和机箱，均是美国国家仪器公司生产的成熟商业化产品。PXIe-1073机箱内置MXI-Express控制器，具有远程连接能力，可持续处理250 MB/s的数据。PXIe-5105有8路同步采样通道，12位垂直分辨率，实时采样率60 MS/s，模拟带宽60 MHz。PXI-5404具有1.07 μHz的频率分辨率和12位幅值分辨率，100 MHz带宽，采样率为300 MS/s，用直接数字合成技术精确生成波形。图5为DAC生成的中频信号频谱。图5a频谱仪参考电平为23.00 dBm，图5b参考电平为10.00 dBm，测得中频信号功率为9.70 dBm，30 MHz谐波信号功率为-50.96 dBm，抑制比为60.66 dB，中频信号频谱干净。

图6为时钟信号相位噪声谱，频谱仪参考电平为5.00 dBm。测得40 MHz时钟载波功率为3.88 dBm，在频偏20 kHz处的噪声功率为-72.54 dBm，分辨率带宽为200 kHz，由此可计算出频偏20 kHz处的相位噪声为-140.2 dBc/Hz，时钟信号相位噪声较小，性能优异。

a——10 MHz信号功率；b——30 MHz谐波信号功率图5 中频信号频谱Fig.5 Spectrum of intermediate frequency

a——40 MHz时钟信号电平；b——频偏20 kHz处的噪声电平图6 时钟信号相位噪声谱Fig.6 Phase noise spectrum of clock signal

本设计下变频采用的混频器为Mini公司的ZX05-42MH-S，该混频器的作用是将拾取到的射频信号下变频为中频信号，其工作频率范围为5～4 200 MHz，中频输出为5～3 500 MHz。实验中，对混频器在不同输入功率下的中频输出进行测量，结果如图7所示，可看出，当混频器输入信号的功率在-1～6 dBm之间时，混频器的输出是线性的，输出信号可有效反映输入信号的大小。本设计中，混频器输入的射频信号功率为1.5 dBm，测试结果表明，该混频器的中频信号能有效反映射频信号幅度和相位的信息。

图7 混频器线性度测量结果Fig.7 Measurement result of mixer linearity

2 数字化算法

时域内中频信号[11-12]可表示为:

y(t)=Asin(wct+φ(t))=

Acosφ(t)sin(wct)+Asinφ(t)cos(wct)

(1)

其中：A为幅度；φ为初相位；wc为角速度；t为时间。

若以I=Acosφ(t)和Q=Asinφ(t)，则有：

(2)

(3)

本系统中，采样时钟频率是中频信号频率的4倍，得到的输出信号为S(n)=I、Q、-I、-Q、…的采样序列。I和-I、Q和-Q分别按式(4)、(5)通过相差和平均，去除信号中的直流成分，得到正交分离的I、Q，再利用式(2)、(3)[13]及通过LabVIEW编程分别计算得到幅度和相位。

(4)

(5)

闭环反馈采用数字比例-积分(PI)控制器，图8为低电平数字化算法的流程。来自下变频模块输出的10 MHz中频信号，经过I/Q采样后，形成I/Q采样序列，送入控制计算机。I/Q值经过LabVIEW程序计算，得到信号相位，再经数字滑动平均滤波器(DMAF)滤波，比较滤波后相位和设定的相位，得出偏差，由PI控制器进行调节实现输出。相位控制板卡根据PI控制器的输出，产生调制后的10 MHz中频信号。

3 低电平控制系统人机界面及测试结果

调试界面如图9所示，控制程序采用LabVIEW开发，从而实现参数设定和数据显示。控制界面能设定PI参数，实现相位的开环和闭环控制，并实现对电子枪和加速管加速场的相位控制。

低电平控制系统搭建完成后，与电子直线加速器射频功率源联机进行无束流负载的高功率测试实验。在射频脉冲1 μs、脉冲重复频率10 Hz、速调管输出功率25 MW、无束流通过的情况下，低电平控制系统的采样信号从加速管拾取端引出，相位测量结果示于图10。图10a是相位稳定性随时间的变化情况，图10b是相位的直方分布。可看出，闭环后控制系统对相位的控制精度可达±0.5°(峰峰值)和0.110 8°(均方根)，优于±1°的设计指标，完全满足设计要求。

图8 低电平控制系统数字化算法流程Fig.8 Control algorithm of low level radio frequency control system

图9 低电平控制系统的LabVIEW界面Fig.9 LabVIEW operating panel of low level radio frequency control system

a——相位稳定性；b——相位直方分布图10 相位测量结果Fig.10 Phase test result

4 结论

本文利用上下变频、IQ解调技术和商业化PXI板卡，研制了一套低电平控制系统，实现了用于高能电子成像实验研究的射频电子直线加速器的相位反馈控制，相位稳定控制精度达到设计指标。在该低电平控制系统的设计中，本振信号的产生和上下变频的硬件实现均使用商业模拟微波器件，这些模拟器件体积小、使用简单、易获取。信号发生器和数字化模块采用成熟的商业化产品，集成度高、性能优异，板卡控制程序基于LabVIEW软件，易于开发且便于实验人员操作。商业模拟器件和商业化板卡的使用，不仅使整个低电平控制系统的结构紧凑，而且还可缩短开发时间。