HLS 800 MeV直線加速器相位控制系統的研制

王雪濤 黃貴榮 林宏翔 周偉實 金 凱 賈大春 劉勇濤

（中國科學技術大學國家同步輻射實驗室 合肥 230029）

合肥光源(HLS)正在進行重大升級改造，其中直線加速器的能量將從200 MeV提升到800 MeV，實現儲存環的滿能量注入。6 m加速段的數量由4個增加到8個，速調管由5個增加到8個，其中6個配備了能量倍增器(SLED)。微波低電平控制系統相應的改進為：研制相位穩定系統取代人工調相方式控制Linac各加速段微波相位；研制相位翻轉系統實現能量倍增。這兩個系統合稱為Linac相位控制系統，本文介紹了相控系統的方案設計和樣機研制過程。

1 LINAC相位控制系統方案設計

1.1 相位翻轉系統方案

依據Linac升級改造總體方案，速調管輸出功率脈沖的長度為4 μs，前3 μs為能量倍增器儲能過程，在第 3 μs時速調管的輸出微波相位迅速翻轉180°，能量倍增器開始釋能，實現能量倍增[1]。具有快速改變微波相位功能的器件有電控移相器和I/Q調制器等(I/Q, in-phase/quadrature, 同相正交)，采用電控移相器技術相對簡單，而用I/Q調制器的優點是在切斷I/Q控制信號時，I/Q調制器的RF輸出將被關斷，可用于系統的連鎖保護。因此在樣機研制時選擇了I/Q調制器作為相位翻轉系統的執行器件，圖1為方案示意圖。

圖1 180°相位翻轉系統方案示意圖Fig.1 Schematics of the 180° phase reversal system.

根據HLS能量倍增器(正由中科院高能所制作)設計參數，進行了相位翻轉系統的穩定度計算，結果表明當相位翻轉在(180±2)°范圍內，能倍器的輸出功率偏差小于0.03%，滿足直線加速器0.1%的束流能量穩定度要求。

1.2 相位穩定系統設計方案

直線加速器相位穩定系統一般由高穩定的相位參考基準(恒溫傳輸線)、鑒相單元、數據處理單元和相位反饋單元組成。其中鑒相單元是整個系統中極其重要的環節，目前在加速器領域廣泛采用 I/Q技術進行相位測量[2,3]，其原理是將RF信號轉化為正交的低頻I/Q信號，通過數字取樣和處理得到RF信號的幅相信息。

I/Q幅相測量有模擬或數字方式，模擬I/Q技術結構簡單、實現方便，一般用模擬器件將微波信號下變頻為直流（或脈沖直流）后進行數字取樣。由于模擬器件的固有偏差，如模擬 I/Q解調器的 I/Q輸出不平衡，鑒相結果存在誤差，須作較復雜的逐點校準[2]。數字 I/Q一般用數字中頻變頻和取樣技術，通過一些數據處理方法作自校準，能精確地測定兩路信號的相位差[3]。

然而，在直線加速器相位閉環反饋控制的應用場合，某一加速段的加速相位由監測束流的能量變化獲得，穩相系統的作用是長期鎖定該相位，若對小的相位變化有足夠高的測量精度，即可實現穩相，模擬I/Q技術完全可以勝任。數字I/Q技術的缺點是結構復雜，需額外引入一個中頻信號用于下變頻和數字取樣，若直線加速器很長，功率源和加速段數量就較多，則中頻信號的產生、傳輸和處理系統的構建較復雜，成本較高。

我們調研了北京正負電子對撞機(BEPCII)和上海光源(SSRF) Linac的低電平微波相位控制方案[4?7]。BEPCII的 1.89 GeV Linac共有 16 路高功率微波系統，采用了模擬I/Q技術進行微波相位測量。SSRF的150 MeV Linac有兩套功率源，距離很近，它們的控制系統集成在一起，采用了數字I/Q技術。長期運行情況表明，兩種方案都可行，鑒于改造后的HLS-Linac與BEPCII較為類似，我們決定采用模擬I/Q技術進行微波鑒相。

在相位反饋控制部分中，BEPCII和SSRF分別使用了機械移相器和電控移相器 EPS (Electrical Phase Shifter)進行相位控制。BEPCII-Linac的后續15個速調管的激勵功率耦合自第一個速調管的輸出，只能用高功率機械移相器調整微波相位。SSRF為每個速調管配置一臺1 kW固態放大器(SSA)進行驅動，在SSA前插入低功率電控移相器進行相位調整。HLS Linac升級到800 MeV后，8個速調管全部用SSA驅動。電控移相器有快速、精確、無回位誤差的優點，因此采用電控移相器作為相位反饋的主要手段，同時保留了機械移相器（在IΦA機箱內）作為后備方案。HLS Linac相位控制系統總體方案如圖2所示。

圖2 HLS相位控制系統總體方案Fig.2 Schematics of the phase control system.

HLS 800 MeV Linac能量穩定度的總體設計指標為 0.5%，各分系統按 0.1%的指標設計。為達到這一設計要求，各加速段相位至少應穩定在±2°范圍內。在相位穩定系統設計上我們給出更嚴格的指標，其具體參數為：相位分辨率±0.1°；相位閉環反饋控制精度±0.5°。

2 相位控制系統樣機研制和測試

2.1 相位翻轉系統

相位翻轉系統中，I/Q調制器采用了 Pulsar Microwave公司的IDOH-01-45，其基本參數見表1。I/Q脈沖電壓信號由Agilent 33250A 80 MHz函數和任意波形發生器提供，它的脈沖上升沿能達到5 ns，在外觸發Burst+pulse模式下，可輸出高穩定的短脈沖，電壓分辨率為0.1 mV，輸出至I/Q調制器I/Q端的電壓幅度為±500 mV，電壓精度可達0.02%。

表1 I/Q調制器IDOH-01-45參數Table 1 The parameters of IDOH-01-45.

用網絡分析儀標定33250A輸出脈沖信號的電平和直流偏置(圖 3)，由于網絡分析儀測量速度較慢，33250A設置為重復頻率10 Hz、占空比50%的長脈沖輸出模式。調整33250A的脈沖電平和直流偏置，網絡分析儀測得的I/Q調制器輸出RF信號的相位翻轉精度達(180±0.2)°。隨后，將33250A設置為相位翻轉系統工作時所需的外觸發短脈沖模式，在實驗室環境下進行了測試。I/Q調制器的LO輸入信號由Agilent 8257D信號源提供，輸出RF信號的高速測量用經過網絡分析儀校準的I/Q相位測量裝置。圖4記錄了～2500次翻轉的相位數據，平均翻轉相位為～180.5°，RMS偏差小于 1°，最大偏差～1.5°。翻轉相位產生誤差的原因可能是33250 A在高速跳變的情況下，脈沖輸出電平有一定的隨機偏差。

圖3 相位翻轉系統的標定Fig.3 Calibration of the phase reversal.

圖4 相位翻轉系統的穩定度測試Fig.4 Stability test for the phase reversal system.

相位翻轉系統在直線加速器現場測試需鋪設時序光纖，由于改造工程即將對直線加速器電纜重新布局，現場測試暫未安排。依據下一節相位穩定系統的現場測試結果，現場噪聲的影響為±0.3°，在這一噪聲水平下，樣機達到設計要求。

2.2 相位穩定系統

微波相位穩定系統主要由I/Q鑒相器、ADC數據采集設備、電控移相器及控制軟件組成。其中數據采集設備為Pico公司的Pico4424虛擬示波器；I/Q鑒相器仍采用 IDOH-01-458；電控移相器為 Pulsar Microwave公司的 S7-H67-444A，其工作電壓為0?10 V，移相范圍大于 360°，控制電壓由 16 bits的PCI-6202 DAC板卡提供。在Labview[8]平臺下編寫了控制軟件，本地機采用服務器/客戶端模式與加速器的EPICS中央控制系統進行網絡連接。

Pico4424虛擬示波器有 16位的分辨率，量程設置在±500 mV時的最小分辨電壓為～0.03 mV。當IDOH-01-458的 LO信號（相位基準）設置為 10 dBmW、RF(待測信號)的幅度～0 dBmW時，I/Q信號的最大幅值約為±200 mV，所以RF信號相位變化 0.1°對應的電壓變化為～0.2 mV (±200 mV對應1800點)，大于Pico4424的電壓分辨率。因此在上述參數設置下相位測量分辨率可達到0.1°。相位穩定系統樣機首先在實驗室環境下（溫度穩定，無外部噪聲干擾）進行了自測，測量裝置見圖5。

圖5 相位穩定系統測試裝置Fig.5 Schematics of the RF phasing system.

電控移相器的輸出連入I/Q調制器的RF信號輸入端，形成反饋閉環。圖6是開環相位測量結果，測試時間～2100 s，相位測量的平均值為 229.65°，均方根誤差小于0.1°，這說明相位測量的分辨率達到±0.1°。最大相位偏差±0.15°，因此測量裝置的自身精度可達±0.2°。圖7為相位閉環反饋測試，相位調整精度設置為±0.5°，為避免反饋過沖甚至自激，每個脈沖周期的反饋調整量為相位偏差量的30%?90%（視相位差大小而定）。通過設置不同的目標相位，測試了環路對各種相位差 1°(80?79)、2°(79?77)、5°(77?72)、10°(72?62)和 20°(62?42)的響應，從圖中看出反饋速度較平穩，無過沖，調整時間大致在3 s (三個脈沖周期)。

圖6 開環相位測量結果Fig.6 Phase measurement results of open loop.

圖7 相位穩定系統閉環實驗Fig.7 Closed loop test of RF phasing system.

在200 MeV Linac速調管大廳的1#功率源系統上對相位穩定系統樣機進行現場測試。1#速調管由固態放大器驅動，可進行電控移相器的閉環反饋實驗。圖8為開閉環對比實驗，前1700 s系統開環，功率源系統的相位漂移～1.3°。這一漂移主要由速調管冷卻水的溫度變化引起。但由于冷卻水未安裝測溫裝置，無法確定相位漂移與水溫變化的關系。Linac升級改造將對冷卻水進行恒溫處理，這將大大提高速調管的工作穩定性。

1700 s后進行閉環反饋測試，目標相位設置為87°，閉環控制精度在3000 s前設置為±0.5°，其后為±0.3°。閉環后相位一直穩定在(87±0.5)°，未能達到±0.3°。圖9為2100 ?2600 s的局部放大圖，從中發現相位測量的隨機誤差在～±0.3°，而反饋能達到的穩定度一定大于系統誤差，所以閉環反饋不能使相位穩定在±0.3°以內。因此得出結論：相位穩定系統的在線相位測量精度為±0.3°，閉環相位穩定度最小能達到±0.5°。

圖8 相位穩定系統在線測試實驗Fig.8 Online experiment with the RF phasing system.

圖9 噪聲對相位測量的影響Fig.9 Effect of noise on phase measurement.

3 結論

相位翻轉系統的相位翻轉精度達(180±2)°；相位穩定系統樣機的相位測量分辨率為0.1°，在線相位測量精度為±0.3°，在±0.5°控制精度下相位閉環反饋運行正常，可達到±0.5°的長期穩定度。樣機達到了設計要求，驗證了設計方案的可行性。目前相位穩定系統10套正式裝置的制作已全面展開，直線加速器恒溫相位基準和激勵功率傳輸、分配系統的構建工作也正在進行。

致謝感謝高能所裴國璽、侯汨研究員，上海光源俞路陽、趙玉彬副研究員在相位控制系統方案調研和樣機制作過程中提供的寶貴經驗和大力幫助。

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