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低能量强流高电荷态重离子直线加速器装置 (LEAF[1],见图1)是由中国科学院近代物理研究所(IMP)建设的大科学仪器装置,目标是为低能核天体物理、原子物理、材料辐照物理等学科的前沿课题研究提供前所未有的低能量重离子束实验条件。同时,该装置也是由IMP承担的国家“十二五”重大科技基础设施HIAF[2]前端的原型样机。LEAF装置主要由第四代45 GHz超导ECR离子源FECR[3](First 4th generation ECR ion source)、300 kV高压平台、低能束传输线(LEBT)、81.25 MHz四翼型射频四极场加速器(RFQ)、中能束传输线(MEBT)和实验终端组成。LEAF装置于2018年完成主要平台搭建并投入试运行,由于FECR还处于研发状态,所以使用一台28 GHz的超导离子源(SECRAL-I[4])作为装置调试离子源,产生强流高电荷态离子束,如:流强大于0.5 emA的 129Xe27+、流强大于350 eμA的40Ar16+、以及流强大于200 eμA的238U33+等重离子束流。
LEAF装置的束流加速系统主体是一台连续波(CW)模式运行的四翼型RFQ[5]加速器,基本参数见表1。它可以将质荷比从2~7(包括从氢元素到铀元素)的全粒子进行加速,能量可从14加速至500 keV/u。该装置于2018年开始试运行,并成功传输和加速了包括百微安量级的
${\rm H}_2^+$ , 56Fe14+, 86Kr12+, 14N2+, 238U35+等,也实现了“4He++58Ni15+”,“4He++56Fe14+”,“86Kr12++14N2+”等组合的“鸡尾酒束[6]”,为核能材料辐照实验的多粒子协同效应探究提供了独特的实验条件。表 1 LEAF-RFQ 相关参数
参数 值 运行模式 连续波 运行频率/MHz 81.25 腔体结构类型 四翼型 束流注入能量/(keV/u) 14 束流引出能量/(keV/u) 500 可加速的粒子范围/(M/q) 2(H2+) ~ 7(238U34+) 电极长度/cm ~ 596.4 最大极间电压/kV 70 对于LEAF-RFQ来说,要想达到预期的物理设计指标,不仅需要优异的高频腔体结构模拟与设计,更需要稳定可靠的低电平控制系统(RFQ-LLRF)对腔体的稳定控制,并且针对不同工况实现多种工作模式的快速切换,本文主要介绍此低电平系统的功能与软件设计、在线调试与载束运行以及一键操作闭环功能的实验结果。
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LEAF装置是强流重离子直线加速器平台,可实现对质荷比2~7的全部重离子的加速。对于不同的质荷比离子,RFQ需要的射频功率也不同。一种简单的计算射频功率的方法见式(1)。以238U34+的功率为基准,质荷比为7.0,腔压为70 kV,对应的射频功率为64 kW。
$$ \frac{70(\mathrm{kV}{)}^{2}}{64\left(\mathrm{kW}\right)}=\frac{{\left[\left(\frac{M}{q}\right)\times 10\right]}^{2}}{P} , $$ (1) 其中:M/q为不同离子的质荷比;P为要求的射频功率。由此可见,按照不同质荷比离子所需的入腔功率来研究水温对腔体频率的影响具有重要的意义。以不同的质荷比所需要的功率为自变量,探索不同壁水温对RFQ频率的影响,得到如图9所示的趋势图。从图中可以看出,在不同射频功率条件下,腔体频率随着壁水温升高而升高。而对于同一频率值而言,例如81.25 MHz,随着腔体内高频功率的增加,对应的壁水温也需要随之升高。通过测试可以进一步得到为使腔体频率稳定在81.25 MHz±1 kHz附近,不同高频功率对应的壁水温的值,见表2。
表 2 最佳谐振状态下不同功率对应的壁水温
质荷比 代表粒子 射频功率/kW 壁水温/ ºC 频率/Hz 2.0 H2+ 5.61 23.5 81 250 325 3.0 12C4+ 11.80 23.6 81 250 325 4.0 4He+ 20.90 23.6 81 250 000 5.0 40Ar8+ 33.88 23.7 81 250 000 6.0 12C2+ 47.73 24.0 81 249 513 7.0 238U34+ 64.00 24.3 81 250 163 一键操作程序的目标就是将人工手动操作的步骤完全变成由计算机程序自动安全可靠执行,并最终在低电平上位机程序中实现此流程图中的所有逻辑。为实现一键操作功能,首先要通过流程图的方式对程序逻辑进行梳理,以直观地对每一个功能进行分解处理并及时发现问题或添加新逻辑。
整个一键操作程序流程(图10)主要包括三方面内容:A-自动功率加载;B-自动调整壁水温;C-自动幅相闭环。其中,A部分是通过判断入射粒子质荷比来决定和加载RFQ腔体功率值;B部分是用来控制RFQ腔体频率稳定到81.25 MHz±1 kHz的过程,其核心在于通过对比腔体频率Freq与标准值81.25 MHz的差值来决定壁水温的调节是升高还是降低,根据图5,壁水温的调整步进T(ºC)应该设置在0.05 ºC较为合理;C部分是设置幅相闭环,首先关闭DDS频率跟踪功能,重新设置DDS后,RFQ低电平的RF输出信号频率即锁定在81.25 MHz,再对fdb信号与低电平的RF输出信号幅度和相位的设定值进行比较和自动调整,最终完成幅相闭环。需要注意的一点是,所有需要调整的参数(例如步进值或者等待时间)都需要独立可调,在最终的机器测试中才能调整并找出一个最适合的运行参数。
一键自动操作程序在低电平上位机程序中扩展实现,基本逻辑是通过在循环结构中嵌套条件结构来实现,程序整体采用有限状态机的结构进行设计,它的优点在于:① 新功能的添加或修改非常方便,便于程序改造;② 更符合状态判断与跳转的设计逻辑。由于本程序存在需要多次进行判断后再操作的情况,使用有限状态机可以更高效地执行。有限状态机的结构是在while循环中通过移位寄存器进行状态的转换,其中while循环为状态机提供持久的运行条件,多分支条件结构则是选择不同状态的关键,通过有限状态机可以将自动加载流程中A、B、C三个模块的内容独立调试。
LEAF-RFQ腔体上,对一键自动操作程序针对不同功率进行了测试,在中低功率(≤40 kW)下,功率加载和闭环功能稳定可靠。在中高功率(>40 kW)时,腔体出气比较明显,需要减小程序的步进速率,使RFQ腔体真空保持在正常范围内(<1×10−5 Pa)并且能平稳完成A步骤RFQ功率的自动加载。B和C步骤主要涉及的是负反馈调节机制,在设定一个标准值和偏差范围后,状态机程序会重复地进行微调参数、等待腔体功率稳定、判断腔体参数是否符合标准值范围等步骤,直到满足跳出循环的条件时即可进行下一阶段操作。其中,B步骤调节水温等待腔体稳定是一个动态且缓慢的过程,在多次测试后,确定了最佳等待时间(即循环周期为5 min)。C步骤是在腔体达到额定谐振频率后进行的低电平输出信号与腔体回读信号之间的校准工作,信号响应较快,所以循环周期设定为1 s即可。
图11是以12C2+离子的功率(47.7 kW)加载为例的一键自动操作过程的历史曲线图。其中A部分为自动功率加载过程,此时腔体壁水温会被预制为24 ºC,在此过程自动投入了频率跟踪模式,LLRF输出信号的频率会跟随腔体的实际谐振频率而变化。腔体真空在功率加载时的波动从1×10−6到7×10−6 Pa,处于安全范围内。自动功率加载完成后随即进入B自动调谐过程,此时程序将等待15 min,目的是为了在腔体加载功率后达到热平衡,使RFQ谐振频率达到稳态。由于前期测试了质荷比6.0状态下最佳壁水温温度就是24 ºC,此时RFQ谐振频率为81 499.358 kHz,处于可闭环的频率范围内(±1 kHz),所以无需进行壁水温调节随即进入C自动幅相闭环过程。在闭环之前LLRF自动关闭频率跟踪模式,闭环过程将根据流程图中C过程的逻辑进行调节,主要是平衡低电平的输出与RFQ腔体回读之间的幅度和相位。整个自动操作过程用时约20 min,最终完成了功率自动加载、腔体自动调谐、幅相自动闭环的功能。值得一提的是,RFQ的腔体相位是根据pick-up信号与81.25 MHz的参考信号比对计算得出,在闭环之前,由于启用了频率跟踪模式,腔体的谐振频率会实时变化。所以在图11中,RFQ腔体相位的历史曲线在闭环之前会处于无序跳变状态,只有当闭环之后才能稳定到设定值附近。
自动操作程序的主要难点在于:(1) 建立不同质荷比束流与腔体功率对应关系的数据库;(2) 建立完善的负反馈逻辑;(3) 多次实验以确定程序循环结构的延迟时间以及调节步长。对于图11所示的自动操作来说,由于选取的质荷比刚好处于已测试数据中,所以在B自动调谐环节中大大节省了等待时间。后期将会完善表2内容,探究在各种非整数质荷比时,最佳腔体谐振状态下壁水温的对应温度,这样将会在RFQ加载到各种束流对应的功率时都能达到最快速的自动加载闭环时间。
Research on Radio Frequency Feedback Control of High Intensity Heavy Ion RFQ Accelerator
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摘要: 低能量强流重离子直线加速器装置(LEAF)是一台面向核天体物理、原子物理与材料辐照等多学科研究的强流高电荷态重离子直线加速器,由中国科学院近代物理研究所承担建设。LEAF强流离子束加速主要通过一台四翼型连续波RFQ实现,为实现其腔体各种复杂工况下的频率、幅度及相位的稳定控制,高频控制系统采用数字化低电平的方案。此低电平系统针对LEAF-RFQ的特殊要求开发了自动跟踪频率、双路功率源驱动、混合离子束快速切换相位等独特功能,实现了稳定地载束运行。同时,利用上位机程序实现了腔体的一键自动操作。Abstract: LEAF(Low Energy high intensity highly charged ion Accelerator Facility) built by the Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, is a high intensity highly charged heavy ion linear accelerator complex for multi-discipline researches such as low energy nuclear astrophysics, atomic physics, material irradiation physics, etc. The main part of the LEAF accelerator is a 4-vane RFQ. To achieve stable control of the cavity frequency, Radio Frequency (RF) amplitude and phase, the RF control system uses the scheme of digital low levels. According to the special requirements of LEAF-RFQ, this low-level system develops unique functions such as automatic frequency tracking, dual port drive for high power RF amplifier, and rapid phase switching of mixed ion beams, and realizes stable beam commissioning. Meanwhile, the one-click automatic RF power loading and closed loop of the cavity are realized by using the code development.
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Key words:
- heavy ion /
- accelerator /
- RFQ /
- LLRF
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表 1 LEAF-RFQ 相关参数
参数 值 运行模式 连续波 运行频率/MHz 81.25 腔体结构类型 四翼型 束流注入能量/(keV/u) 14 束流引出能量/(keV/u) 500 可加速的粒子范围/(M/q) 2(H2+) ~ 7(238U34+) 电极长度/cm ~ 596.4 最大极间电压/kV 70 表 2 最佳谐振状态下不同功率对应的壁水温
质荷比 代表粒子 射频功率/kW 壁水温/ ºC 频率/Hz 2.0 H2+ 5.61 23.5 81 250 325 3.0 12C4+ 11.80 23.6 81 250 325 4.0 4He+ 20.90 23.6 81 250 000 5.0 40Ar8+ 33.88 23.7 81 250 000 6.0 12C2+ 47.73 24.0 81 249 513 7.0 238U34+ 64.00 24.3 81 250 163 -
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