于天君 陸元榮

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201.5MHz中子照相用RFQ加速器低電平控制系統(tǒng)的設(shè)計

于天君 陸元榮

（北京大學重離子物理研究所 北京 100871）

北京大學自主研制了基于射頻四極(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)強流氘束加速器。為滿足該加速器穩(wěn)定運行的要求，設(shè)計了一套低電平控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)和自動頻率控制(Automatic Frequency Control, AFC)兩種方式，可實現(xiàn)對腔體頻率、進腔功率的自動控制和手動控制。為保證安全、穩(wěn)定運行，對SWR (Standing Wave Ratio)、限位信號進行監(jiān)測，通過RS232協(xié)議和LabVIEW界面實現(xiàn)HMI (Human Machine Interface)，亦可實現(xiàn)與PLC (Programmable Logic Controller)的無縫對接。連續(xù)閉環(huán)運行表明，控制系統(tǒng)對場幅度和相位的控制精度能夠達到±1%和±1°之內(nèi)，證明該低電平控制系統(tǒng)達到了RFQ加速器對各路功率和腔體頻率穩(wěn)定控制的要求。

RFQ加速器，低電平控制系統(tǒng)

北京大學中子照相系統(tǒng)已經(jīng)在北京大學建造和調(diào)試完成，該系統(tǒng)采用熱中子照相的技術(shù)，利用強流氘束射頻四極(Radio Frequency Quadrupole, RFQ)加速器將氘束加速到一定能量，打靶產(chǎn)生中子并進行成像，它主要包含：電子回旋共振離子源(Electron Cyclotron Resonance Ion Source)、低能束流傳輸段(Low Energy Beam Transport)、四桿型RFQ加速器(RodRadio Frequency Quadrupole Accelerator)、高能束流傳輸段(High Energy Beam Transport)和靶站(Target)等主要部分[1?2]。另外，還需控制系統(tǒng)實現(xiàn)對其參數(shù)的監(jiān)測、診斷、分析和自動控制。該照相系統(tǒng)中最主要部分為RFQ加速器，該加速器全長為2.8m，工作頻率201.5MHz，重復(fù)頻率100Hz，占空比不大于10%并可調(diào)節(jié)，峰值流強50mA，入口能量50keV，出口能量2MeV[3]。該加速器的低電平控制系統(tǒng)要求對加速場幅度及相位精度分別控制在±1.5%和±1.5°內(nèi)，實現(xiàn)對其輸入功率和腔體頻率的自動控制，并實現(xiàn)與上位機用戶界面系統(tǒng)的通信。

1 RFQ加速器低電平控制系統(tǒng)的控制原理

為實現(xiàn)對束流的既定加速和調(diào)制的目標，RFQ加速器頻率必須工作在201.5MHz，其極間電壓為70kV。工作頻率和極間電壓穩(wěn)定，才能良好地發(fā)揮加速器的性能。然而隨著運行時間的增長，加速器內(nèi)部的溫度會出現(xiàn)波動，可能會導(dǎo)致腔體頻率偏移，不能有效地發(fā)揮加速器的性能[4?5]。因此，設(shè)置自動頻率控制(Automatic Frequency Control, AFC)回路和自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)回路是十分必要的。控制回路必須能夠?qū)崟r對腔體的頻率以及各路功率信號進行監(jiān)測，當腔體失諧或功率波動的時候能夠及時做出反應(yīng)。作為控制芯片的一種，單片機可靠性和環(huán)境適應(yīng)性強，對外界變化反應(yīng)較快?；谝陨?，選擇C8051F12X單片機作為整個低電平控制系統(tǒng)的芯片，以實現(xiàn)對頻率和增益的有效控制。

強流氘束RFQ加速器低電平控制系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由RFQ加速器、C8051F12X系列單片機(C8051F12XMCU)、射頻功率源(RF Power Source)、定向耦合器(Directional Coupler)、相位及幅度檢測器(Phase & RF Detector)、步進電機控制盒(Stepper Motor Controller)、LabVIEW計算機顯示及控制面板(LabVIEW Control Panel)、射頻功率耦合器(Coupler)、步進電機調(diào)諧器(Stepper Motor)、腔體信號提取端(Pick Up)等幾個主要部分組成。雖然在硬件上他們之間的相互協(xié)調(diào)組成整個控制系統(tǒng)，但根據(jù)功能又可分為AFC和AGC兩個不同功能子系統(tǒng)，下面對這兩個子系統(tǒng)分別進行介紹。

圖1 強流氘束RFQ加速器低電平控制系統(tǒng)的設(shè)計圖

1.1 AFC回路

隨加速器的運行，加速器的頻率會隨溫度而變化，這也是RFQ加速器噪聲(Microphonics)主要來源，為穩(wěn)定加速器的工作頻率和減小噪聲，設(shè)置AFC回路是十分必要的[6]。該回路為反饋型回路，至少需一路信號作為反饋信號，反映腔體失諧情況，進而做出相應(yīng)調(diào)節(jié)。腔內(nèi)頻率的變化會導(dǎo)致腔體提取信號幅度和相位的變化，原則上，提取端口信號的幅度和相位信號均可反映腔體頻率的變化。但是，幅度信號只能反映失諧信息，而相位信號既可給出腔體的失諧信息又可給出頻率偏移的方向（如圖2所示），故選擇相位信號作為反饋信號。

圖2 RFQ加速腔S21參數(shù)的相頻曲線

如圖3 AGC與AFC控制回路原理圖所示，定向耦合器前進功率提取端(Forward Pickup)提取到的信號經(jīng)過衰減器衰減之后進行延遲，與經(jīng)過衰減之后腔體功率提取端(Cavity Pickup)提取到的腔體信號之間進行鑒相操作，鑒相后的相位信號即可作為反饋信號。

圖3 AGC與AFC控制回路的原理圖

單片機根據(jù)相位信號給出調(diào)諧信號指令并發(fā)送給步進電機控制盒，驅(qū)動步進電機帶動調(diào)諧桿進行調(diào)諧操作。調(diào)諧桿直徑40mm，步進距離40mm，腔體內(nèi)的調(diào)節(jié)范圍為70–110mm。該調(diào)諧桿對腔體的磁場部分進行微擾，在不改變極間電壓分布、腔體比分路阻抗、值等物理量的前提下進行調(diào)諧操作。圖4為冷模測試條件下測得腔體頻率增長與4根調(diào)諧桿運動距離之間的變化關(guān)系，由圖4可知，頻率增長與調(diào)諧桿距離之間存在正比例變化關(guān)系，通過改變距離而改變頻率是可行的。

圖4 腔體頻率增長隨調(diào)諧桿距離的變化曲線

1.2 AGC回路

自動增益控制是指腔體提取端的信號，經(jīng)衰減器衰減和隔離器之后，到達射頻功率檢波器AD8361，該檢波器將檢測到的功率信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后將該信號傳送給微處理器C8051F121，該處理器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并發(fā)送給C8051F120，通過與用戶設(shè)定值比較，控制功率源的功率輸出，使腔體內(nèi)的場強穩(wěn)定在設(shè)定值。

1.3 控制板硬件說明

(1) 三路提取信號進行了衰減和隔離，其中前進信號、反射信號和提取信號的衰減量分別為?66.7dB、?65dB和?50dB，到達AD8361之前三路取樣信號應(yīng)不大于25dBm。

(2) 三路都采用AD8361作為檢波器，用來檢測功率值的大小。采用AD8302作為鑒相器和AD8368作為增益控制器。

(3) 采用4片C8051F121微處理器作為相位和幅值信號預(yù)處理器，一片C8051F121微處理器作為4路步進電機的控制器。

(4) 采用C8051F120作為主芯片，實現(xiàn)以下操作：與其他處理器實現(xiàn)通信，與上位系統(tǒng)實現(xiàn)通信，對所有的數(shù)字量進行處理，控制步進電機調(diào)諧器的動作，控制增益信號。

1.4 程序邏輯結(jié)構(gòu)

程序可以實現(xiàn)頻率開、閉環(huán)控制和幅度開、閉環(huán)控制，其主要部分執(zhí)行框圖如圖5，圖中MGC (Manual Gain Control)為手動增益控制、MFC (Manual Frequency Control)為手動頻率控制。執(zhí)行幅度閉環(huán)操作時，需要設(shè)置幅值信息（程序內(nèi)部設(shè)置了保護值，輸入幅值應(yīng)在此范圍內(nèi)），使腔內(nèi)場強達到設(shè)定值。執(zhí)行幅度開環(huán)時亦設(shè)置了保護值，當輸入值超出保護范圍時會將幅值輸入警報標志位置1。在執(zhí)行AFC操作時為防止電機運動超出調(diào)諧范圍，程序設(shè)置了限位，該內(nèi)容將在下部分展開。

圖5 程序主要部分的執(zhí)行框圖

2 RFQ加速器低電平控制系統(tǒng)HMI界面

調(diào)試界面如圖6所示，可實現(xiàn)操作系統(tǒng)的可視化和人機交互功能。界面的寫入部分能夠?qū)崿F(xiàn)幅度和頻率的開、閉環(huán)操作，實現(xiàn)對單個調(diào)諧桿的控制，讀取部分可以讀取腔體功率、前進功率、反射功率、各個電機位置、當前的報警狀態(tài)和限位狀態(tài)。將低電平控制系統(tǒng)部分集成到人機界面程序的整個系統(tǒng)控制模塊中去，可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制(圖7)。

圖6 控制系統(tǒng)的LabVIEW調(diào)試界面

圖7 人機界面程序的整個RFQ加速器系統(tǒng)控制界面

3 保護機制的設(shè)計

由§2討論可知，對于AGC操作而言，在程序中設(shè)置了保護范圍，使加速器可以運行在一個安全的范圍內(nèi)。

為使前進波有效地進入腔內(nèi)建立電磁場，同時減小反射波的幅值，以保護功率源，要對駐波比進行監(jiān)測。駐波比與入射功率和反射功率的定義為[7]：

式中，r和f分別是反射功率和入射功率；SWR(Standing Wave Ratio)是駐波比系數(shù)。由式(1)可知，駐波比越大其反射率就越大，當駐波比超過預(yù)定值時系統(tǒng)給出報警信號。

在AFC操作時需要實時地調(diào)整步進電機位置，但是，其運動范圍須在70–110mm才能保證系統(tǒng)安全，故而需要設(shè)置限位信號。AFC操作限位保護裝置如圖8所示，24V直流電源(24 V DC)、繼電器線圈端(Coil)、限位開關(guān)(Limit Switch)串聯(lián)在電路中。當處于正常運行時，限位開關(guān)常閉，繼電器線圈處于吸合狀態(tài)，微控制單元(Microcontroller Unit, MCU) 限位信號處于0電位，系統(tǒng)調(diào)諧正常。當調(diào)諧桿觸發(fā)限位開關(guān)時，限位開關(guān)斷開，繼電器線圈處于非吸合狀態(tài)，MCU接收到高阻態(tài)，系統(tǒng)警報且處于限位狀態(tài)。

圖8 AFC操作限位保護裝置示意圖

4 程序中待定系數(shù)的確定

在此以前進功率與MCU數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)確定為例，說明反射功率、腔內(nèi)提取信號等待定系數(shù)處理方式與此相同。

如圖9所示，功率源(RF Power Source)前進功率f，經(jīng)定向耦合器(Directional Coupler)、衰減器(Attenuator)后，在示波器(Oscilloscope)上顯示峰峰值為P，結(jié)合前進信號衰減系數(shù)為66.7dB，可知：

式中，R為同軸線特征阻抗。

如圖10所示，f經(jīng)定向耦合器、衰減器（衰減后信號應(yīng)不大于25dBm）和處理器后，在屏幕上顯示數(shù)字量為Dig。

圖10 MCU電路板測量前進功率流程圖

MCU將功率信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的過程為：根據(jù)電功率與電壓、電阻的關(guān)系，將功率轉(zhuǎn)化為電壓有效值，然后將檢測到電壓有效值進行模擬量到數(shù)字量(Analog to Digital)轉(zhuǎn)化，該轉(zhuǎn)化為線性轉(zhuǎn)化，設(shè)其轉(zhuǎn)化系數(shù)為。由以上過程可得f與Dig的關(guān)系為：

由以上分析，前進功率f可由式(2)給出，數(shù)字量Dig可以調(diào)用程序指令直接屏幕讀出，將f與Dig代入式(3)，即可確定系數(shù)2的值。將106.67/2作為整體系數(shù)，最后將系數(shù)輸入到MCU的程序，前進功率系數(shù)確定完畢。

5 測試結(jié)果

該RFQ加速器低電平控制系統(tǒng)在北京大學強流氘束RFQ加速器上進行功率測試實驗，圖11和圖12分別為在AGC和AFC兩種模式下48h內(nèi)幅度波形隨時間的變化曲線以及相位波形隨時間的變化曲線。從圖11可知，閉環(huán)后控制系統(tǒng)對場幅度和相位的控制精度能夠達到±1%和±1°之內(nèi)，完全滿足之前的設(shè)計要求。

圖11 AGC控制的幅度(a)和相位波形

6 結(jié)語

根據(jù)強流氘束RFQ加速器功率控制、噪聲抑制和運行安全的要求設(shè)計了RFQ加速器低電平控制系統(tǒng)。在48h連續(xù)運行中，該系統(tǒng)對加速腔內(nèi)場幅度和相位控制精度分別為±1%和±1°，達到了設(shè)計指標，滿足了強流氘束RFQ加速器安全、穩(wěn)定運行的要求，為其它RFQ加速器慢調(diào)諧系統(tǒng)的設(shè)計提供了思路。

1 Zou Y, Wen W, Guo Z,. PKUNIFTY: a neutron imaging facility based on an RFQ accelerator[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2011, A651(1): 62–66. DOI: 10.1016/j.nima.2011.02.011

2 Wen W, Li H, Zou Y,. Neutronic design and simulated performance of Peking University Neutron Imaging Facility (PKUNIFTY)[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section, 2011, A651(1): 67–72. DOI: 10.1016/j.nima.2010.12.194

3 周泉豐. 強流氘束RFQ加速器控制與實驗研究[D]. 北京: 北京大學, 2012ZHOU Quanfeng. Experimental studies on high current deuteron RFQ and control system for PKUNIFTY[D]. Beijing: Peking University, 2012

4 Kondo Y, Morishita T, Hasegawa K,. High-power test and thermal characteristics of a new radio-frequency quadrupole cavity for the Japan proton accelerator research complex Linac[J]. Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams, 2013, 16(4): 040102. DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.16.040102

5 Wang J, Huang J L, He Y. Multi-physics analysis of the RFQ for Injector Scheme II of C-ADS driver Linac[J]. Chinese Physics C, 2014, 38(10): 107005. DOI:10.1088/1674-1137/38/10/107005

6 Xia W L, Wang Z, Lu Y R,. Design and implementation of a compact control system for coupled RFQ-SFRFQ Linac[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2014, 61(4): 2345–2350 DOI: 10.1109/ TNS.2014.2329876

7 Pozar D M. Microwave engineering[M]. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons Inc., 2005

Design of a low level control system for the RFQ accelerator of PKUNIFTY

YU Tianjun LU Yuanrong

(,,,)

Background: The Peking University Neutron Imaging Facility (PKUNIFTY) was developed by using neutron sources generated by Radio Frequency Quadrupole (RFQ) accelerators. Purpose: This study aims to design a low level control system that meet the requirement of stable operation of the RFQ accelerator. Methods: Both the automatic gain control (AGC) and automatic frequency control (AFC) were designed to control the cavity frequency. The power fed into cavity by automatic and manual ways. In order to make it safe and stable, the standing wave ratio (SWR) and limit signal were constantly monitored. The human machine interface (HMI) was implemented in the remote computer using LabVIEW, it communicates with both the control system’ microcontroller unit (MCU) and the Programmable Logic Controller (PLC)RS232 interface. Results: The control precision of the accelerating field is ±1% in amplitude and ±1° in phase in a 48-h closed loop test. Conclusion: Test results show that the low level control system meet the requirements for stable control of the power and cavity frequency of RFQ accelerator.

RFQ accelerator, Low level control system

TL50

TL50

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.080204

于天君，女，1990年出生，2015年于北京大學獲碩士學位，研究領(lǐng)域為RFQ加速器低電平控制

陸元榮，E-mail: yrlu@pku.edu.cn

2014-12-22，

2015-03-09