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 4^th 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 ¹²⁹Xe^27＋、流强大于350 eμA的⁴⁰Ar^16＋、以及流强大于200 eμA的²³⁸U^33＋等重离子束流。

图  1  LEAF装置示意图(在线彩图)

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${\rm H}_2^＋$, ⁵⁶Fe^14＋, ⁸⁶Kr^12＋, ¹⁴N^2＋, ²³⁸U^35＋等，也实现了“⁴He^＋＋⁵⁸Ni^15＋”，“⁴He^＋＋⁵⁶Fe^14＋”，“⁸⁶Kr^12＋＋¹⁴N^2＋”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。

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。

对于LEAF装置而言，保证RFQ腔体内高频场的幅度、相位稳定是确保束流能够稳定加速的关键。此外，LEAF-RFQ又根据加速器运行与束流调试的需求对LLRF提出了一些特殊的要求：(1) LEAF-RFQ采用调节腔体冷却水水温的方式对腔体频率进行调谐控制^[7]。由于腔体体积庞大，水温调节速度缓慢，使得RFQ腔体在加功率的过程中调谐时间较长，导致腔体谐振频率在很长一段时间内都不能稳定调节到运行频率附近，腔体失谐较大并且反射功率过大，从而不能闭环。在这种情况下，必须使RFQ-LLRF的RF输出信号频率与腔体的实际谐振频率保持一致，跟踪腔体频率的变化，以实现RFQ腔体高频功率的稳定加载。(2) LEAF-RFQ的高频功率馈入是由两台60 kW固态功率源机组通过两个独立的高功率输入耦合器实现，固态功率源以高寿命、高稳定性、高传输效率以及易维护等特点取代了传统的电子管功率源作为RFQ的输能装置，可以为RFQ腔体提供最大120 kW的直流输出功率。此功率源带宽±1MHz，由前置功率放大器、1/2功率分配器、末级功率放大器、1/2功率合成器、耦合器以及其他附属支撑系统组成^[8]。RFQ-LLRF的RF输出需要同时驱动两台功率源，并使两路功率保持平衡。(3) 用于研究材料协同效应的“鸡尾酒束”要求RFQ可以同时加速多种不同质荷比粒子，由于不同质荷比粒子的速度差异，导致不同粒子在进入RFQ时处于不同的高频相位，所以需要进行RFQ高频相位的快速切换。(4) 此外，RFQ在线运行离不开外部的真空系统、水冷系统、打火监测系统，系统整体比较复杂。为保障系统安全运行，当外部系统出现故障时，必须快速切断RFQ腔体高频功率，从而保护腔体以及耦合器高功率运行时不被损坏。值得一提的是，RFQ是由打火探测机箱进行打火监测的，当出现故障时，打火监测机箱将送出警报信号并传输给低电平做连锁保护。以上需求都与LEAF装置设计过程中的物理需求相关，也说明RFQ-LLRF必须定制开发以实现其复杂的系统功能。

由于LEAF-RFQ低电平控制系统的复杂特点，因此采用了数字化低电平的控制方案，数字化低电平系统硬件板卡由中国科学院上海高等研究院研制，根据LEAF装置的特殊物理要求进行定制化设计。

低电平系统硬件由数字处理板卡(DSP)和上下变频板卡组成。数字处理板卡主要处理数字信号和数字算法；上下变频板卡则主要是对腔体取样、入射、反射以及DAC输出的中频信号进行变频处理，共6路上下变频通道；DSP板卡与上下变频板卡安装于3U独立机箱内，机箱内部布局与接线分布见图2。

图  2  LEAF-RFQ低电平控制机箱内部接线示意图(在线彩图)

数字处理板卡中集成了时钟分配功能，采用直接数字式频率综合器(DDS)^[9]和时钟分配芯片进行系统时钟信号合成，其中REF为外部参考信号源提供的高频参考信号，频率为81.25 MHz，DDS是将外部输入的参考信号经过直接数字合成转换为10 MHz基准信号输出，此10 MHz信号作为时钟分配芯片(AD9520)的参考时钟，与AD9520内部的2 600 MHz电压控制振荡器(VCO)进行锁相，生成模数转换器(ADCs)、数模转换器(DACs)、本振信号合成和FPGA所需工作时钟。

由于低电平系统硬件组成具有的以上特点，DDS产生的基准时钟的微调会改变DAC送往固态功率源的RF激励信号的频率。图2中fdb信号为腔体的取样信号(pick-up)，由RFQ腔体的取样环上提取得到腔体瞬时高频场的信号，Tun为腔体入射信号，通过处理入射信号与取样信号，可得到腔体的瞬时失谐角^[10]，即可判断腔体的失谐情况，进而调节DDS产生的基准时钟信号频率，从而可以实现DAC输出信号的频率与腔体谐振频率锁定，达到跟踪腔体频率的目的。

RFQ低电平的反馈控制算法采用经典的数字IQ正交调制理论^[11]，被采样信号频率和采样时钟信号频率满足(2n−1)/4，n=1, 2, 3, $\cdots , $ N，数字算法通过反馈控制腔体高频电场矢量I、Q达到稳定幅度和相位的目的，即实现幅相闭环。

此外RFQ低电平还还配置了多路数字信号输入模块(DI)和多路数字信号输出模块(DO)的光电-电光转换接口，不仅可以用于联锁信号的输入和输出，同时还用于接收定时同步触发TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)信号对低电平系统进行触发调制操作。

在数字低电平的在线测试中，RF输入通道的线性度、隔离度都达到设计指标，并且进行了约60 h的无载空腔闭环测试，结果显示，闭环后的幅度稳定度≤0.01%，相位稳定度≤0.1°，测量结果如图3所示。

图  3  LEAF-RFQ低电平无载稳定性测试(左：幅度稳定度、右：相位稳定度)(在线彩图)

在LEAF平台介绍中已提到，LEAF-RFQ是两台独立的功率源驱动的，通过两台输入耦合器给腔体馈入高频功率。这种高频腔体的功率馈送方式是加速器中比较少见的，对高频功率的有效合成具有较大难度。传统的办法是通过模拟移相器进行相位匹配，但调节不便且相位不容易精确匹配。针对这个问题，在LEAF-RFQ低电平系统中，通过独特设计，开发了FPGA数字信号处理算法实现了双路DAC驱动的控制方法，每路DAC输出可以通过FPGA单独调节并保持相位同步，算法的实现如图4所示。

图  4  LEAF-RFQ低电平幅相环路算法框图(在线彩图)

为满足“鸡尾酒束”模式快速切换腔体相位的需求，通过开发底层FPGA数字信号处理算法，实现了通过外部输入的Trigger信号触发^[12]快速切换腔体高频相位的工作模式，图5是鸡尾酒束跳相模式的控制框图。经过在线测试，腔体相位可以在微秒量级时间内完成切换，实验测试结果如图6所示，跳相频率为1 Hz，占空比设置为20%，RFQ相位设置在−150°与230°之间来回快速切换。

图  5  跳相模式的程序框图(在线彩图)

图  6  跳相模式的测试(在线彩图)

此外，为监测RFQ腔体运行过程中的高频功率，通过4个Rohde&Schwarz功率计(型号：NRP-Z211)对两台功率源的入射与反射功率进行在线实时监测，并将功率计监测与控制集成到低电平控制软件中，基于功率测量结果，通过监测腔体反射功率对RFQ腔体高频系统进行保护，保证RFQ安全稳定运行。

以上功能的实现依赖于软件操作界面的集成，因此在系统开发过程中对系统功能进行了高度整合，使用NI LabVIEW^[13]图形化编程语言开发了上位机软件界面(图7)。

图  7  LEAF-RFQ低电平系统上位机界面(在线彩图)

在图7所示的界面中，功能包括：运行模式转换(Pulse Modulation)、低电平输出幅度与闭环参数调节(Operation)、频率跟踪设置(DDS Setting)、双路功率源输出平衡调节(Digital Gain & Phase setting)、联锁监测与设置(Interlock Setting)、腔体Pick up信号幅度与相位回读(Cavity Amp & Ph.)、腔体失谐监测(Detune Angle)、腔体的两路入射、反射功率监测(Power Monitor)以及其他特色功能：包括腔体真空度回读、腔体翼和壁水温回读、功率加载计时、反射功率保护等。

LEAF装置已成功传输并加速多种粒子。以¹²⁹Xe^25＋为例，质荷比为5.16，需要的RFQ功率约为34.8 kW，为使RFQ腔体达到稳定过束状态，需要将腔体内高频功率平稳加载到目标值。由于LEAF-RFQ腔体的特殊性，腔体功率加载过程必须按照既定步骤准确执行。

通过调节低电平DAC的输出幅度驱动功率源输出功率，由于腔体逐渐发热^[14]产生形变，腔体开始失谐。此时开启低电平频率跟踪功能，降低因腔体失谐而增长的反射功率。此后继续增加低电平DAC输出幅度，直至Power Monitor窗口回读的腔体功率约为34.8 kW时，即初步完成腔体功率加载。腔体的谐振频率通过冷却水的温度来调节，当频率值达到81.25 MHz±1 kHz以内时，再调整低电平Operation中的闭环参数即可实现最终的腔体闭环。

在RFQ腔体加载高频功率过程中，腔体内壁附着的中性粒子被电离，腔体内壁表面残存的“毛刺”将累积电荷，最终可能导致放电打火，此时将引起腔体真空出现较大的波动，甚至影响四翼型RFQ的运行寿命。当设备的真空度持续变差，则需要快速地切断高频功率以保护腔体。因此，在机器保护^[15](MPS)的考量上，通常选择降低两个量级为警戒真空线。以LEAF-RFQ的真空度为例，正常运行的真空度为10⁻⁶ Pa量级，所以设置RFQ真空度的机器保护阈值为10⁻⁴ Pa量级。

在长时间束流测试过程中，约120 eμA的¹²⁹Xe^25＋束流被传输和加速约18 h左右，其间偶尔有非常微弱的真空波动，总体运行正常，无打火和跳机连锁的情况发生，相关的实验监测数据见图8。

图  8  18 h¹²⁹Xe^25＋束稳定性测试数据(在线彩图)

LEAF-RFQ成功加速¹²⁹Xe^25＋离子束以及长期稳定性测试的成功，表明低电平系统可以实现对双路功率源驱动、腔体幅度相位闭环的稳定控制，使RFQ腔体稳定加载。但是，RFQ低电平的功率加载和闭环过程比较繁琐，等待腔体热平衡的时间漫长，因此需要设计并开发一套根据被加速粒子质荷比可自动加载功率和闭环的一键操作程序。

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²³⁸U^34＋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。

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。

图  9  不同质荷比粒子，壁水温VS腔体频率(在线彩图)

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。

图  10  一键操作程序流程图(在线彩图)

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。

图  11  RFQ一键自动操作过程的历史曲线图(在线彩图)

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。

在LEAF-RFQ低电平控制系统中，实现了腔体高频功率加载、幅相闭环、联锁保护等一系列高频控制功能，同时也集成了自动频率跟踪、定时触发相位快速切换、一键自动操作和闭环的复杂控制功能。在束流测试方面，LEAF-RFQ依靠此低电平系统完成了粒子M/q从2到7的全功率加载，实现了长期稳定运行，并且为材料辐照终端、低能核天体物理终端成功提供了高品质束流，完成了一系列物理实验研究。下一步计划使用加速器的主流控制系统EPICS^[16]与CS-Studio^[17](Control System Studio)对LEAF-RFQ低电平控制系统进行进一步优化，以简化控制界面并提升系统工作性能。同时，在EPICS层面对“一键自动操作”模式进行重构和优化。

致谢 本工作得到了国家自然科学基金项目(批准号：11427904)以及中国科学院关键技术研发团队项目(批准号：GJJSTD20210007)的支持。非常感谢中科院上海高等研究院射频技术与加速器运行部高频组专家们的联合调试以及技术协助。