中國散裂中子源直線加速器高功率自動(dòng)老煉平臺(tái)研制

謝哲新，慕振成，榮林艷，李 健，徐新安，周文中，王 博，萬馬良，劉美飛，王 云，李阿紅，陳衛(wèi)東，歐陽華甫，張宗花，喬際民

(1.散裂中子源科學(xué)中心，廣東 東莞 523803；2.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049)

中國散裂中子源(CSNS)是國家“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大科學(xué)裝置[1]。CSNS一期由1臺(tái)80 MeV的負(fù)氫直線加速器、1臺(tái)1.6 GeV的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、兩條束流輸運(yùn)線、1個(gè)靶站和3臺(tái)譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施組成[2]。新安裝或因某些原因暴露真空后的加速器腔體，需進(jìn)行抽真空且經(jīng)過長時(shí)間的老煉才能投入使用。而長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的腔體，有時(shí)也會(huì)突然出現(xiàn)打火嚴(yán)重而無法恢復(fù)的現(xiàn)象，也需要進(jìn)行腔體老煉來改善。加速器腔體老煉時(shí)間短則幾周長則幾個(gè)月，同時(shí)，老煉過程需人工實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器情況，耗時(shí)耗力。為此，各加速器機(jī)構(gòu)根據(jù)自身情況開展了自動(dòng)老煉平臺(tái)的研制，其實(shí)現(xiàn)方法各異，有基于I-Q采樣采集反射功率作為打火判斷依據(jù)實(shí)現(xiàn)的[3]，有基于真空度作為打火判斷依據(jù)實(shí)現(xiàn)的[4]，有基于腔體真空度和弧光放電結(jié)合作為打火判斷依據(jù)實(shí)現(xiàn)的[5]。實(shí)現(xiàn)的方式也有很多種，有的使用專業(yè)高速采集卡[3]，有的使用NI公司的LabView開發(fā)環(huán)境[4-5]，有的使用PLC[6]等。本文結(jié)合CSNS直線加速器的要求，研制一套具有駐波比保護(hù)、真空檢測、弧光打火探測、腔體諧振頻率計(jì)算和變頻等功能的自動(dòng)老煉平臺(tái)。

1 自動(dòng)老煉平臺(tái)介紹

CSNS直線加速器一期工作在頻率324 MHz、脈寬700 μs、重復(fù)頻率25 Hz的射頻脈沖功率下。CSNS直線加速器有8個(gè)單元[7]：1個(gè)RFQ加速器、2個(gè)聚束器、4節(jié)DTL物理腔和1個(gè)散束器，每個(gè)單元配備1個(gè)射頻功率源和1個(gè)自動(dòng)老煉平臺(tái)。加速器腔體老煉是用微波電場將腔體內(nèi)部的凹凸瑕疵打平或雜質(zhì)打掉，同時(shí)通過離子泵將老煉放出的氣體抽走的過程。老煉過程經(jīng)常伴隨著劇烈打火現(xiàn)象，在高強(qiáng)度的微波電場作用下，腔體內(nèi)表面的凹凸瑕疵、灰塵和有機(jī)污染物形成場致發(fā)射源，引發(fā)場致發(fā)射放電。真空條件下，放電產(chǎn)生的自由電子受到高頻場的控制，在裝置內(nèi)表面之間振蕩，撞擊腔壁表面引起二次電子發(fā)射。只要滿足某些閾值條件，裝置中的二次電子密度會(huì)雪崩般增長，這種現(xiàn)象稱為倍增打火[3，8]。打火放電會(huì)改變器件的阻抗，使器件發(fā)熱甚至融化，導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生永久性損壞。因此，老煉既需通過打火將腔體內(nèi)表面打平，也要避免倍增打火的現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)現(xiàn)打火時(shí)，要求迅速切斷射頻激勵(lì)，維持一段時(shí)間再恢復(fù)激勵(lì)，且根據(jù)打火情況適當(dāng)降低功率，避免情況繼續(xù)惡化造成永久性傷害，待腔體打火情況改善后再增加功率。

圖1為自動(dòng)老煉平臺(tái)示意圖，整個(gè)平臺(tái)主要包括駐波比保護(hù)組合、自動(dòng)老煉控制程序、低電平控制系統(tǒng)、弧光打火探測器、功率源及被老煉的腔體等。駐波比保護(hù)組合實(shí)時(shí)監(jiān)測射頻傳輸路徑上功率的駐波比大小，當(dāng)駐波比過大時(shí)，發(fā)出快保護(hù)信號，封鎖激勵(lì)一定時(shí)間后再自動(dòng)恢復(fù)，完成1次快保護(hù)工作。同時(shí)，駐波比保護(hù)組合實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生快保護(hù)的次數(shù)，即打火次數(shù)，發(fā)給自動(dòng)老煉控制程序。自動(dòng)老煉控制程序依據(jù)單位時(shí)間內(nèi)打火次數(shù)和用戶設(shè)置的參數(shù)計(jì)算出合適的功率幅值發(fā)送給低電平系統(tǒng)，低電平系統(tǒng)接收來自自動(dòng)老煉控制程序發(fā)來的功率幅值設(shè)置點(diǎn)，同時(shí)通過腔體波形計(jì)算腔體的諧振頻率并產(chǎn)生變頻信號給功率源放大饋入腔體。PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控腔體真空狀態(tài)，當(dāng)腔體真空度惡化超過設(shè)定閾值時(shí)，PLC發(fā)送連鎖信號關(guān)閉腔體功率源功率，等待人工檢查恢復(fù)。弧光打火探測器監(jiān)測腔體和高功率微波設(shè)備的弧光放電情況，從另一種機(jī)理給設(shè)備提供保護(hù)。

圖1 自動(dòng)老煉平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic conditioning platform

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 駐波比保護(hù)組合

駐波比保護(hù)組合用于完成加速器微波設(shè)備的快保護(hù)工作，圖2為CSNS直線射頻速調(diào)管功率源系統(tǒng)駐波比保護(hù)框架示意圖，在微波功率傳輸鏈路上放置多個(gè)定向耦合器獲取正反向功率，檢波器將正反向功率轉(zhuǎn)換為包絡(luò)信號給ADC進(jìn)行采樣，F(xiàn)PGA獲取采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算駐波比，DSP將功率波形和駐波比發(fā)送到交互界面實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)腔體或其他高功率設(shè)備打火時(shí)，駐波比會(huì)突然變大，若監(jiān)測到駐波比大于設(shè)定門限時(shí)系統(tǒng)發(fā)出連鎖信號進(jìn)行快速切激勵(lì)，避免造成二次傷害，并等若干個(gè)RF脈沖后再重新饋送功率，給腔體一定的時(shí)間恢復(fù)真空。用駐波比比用反射功率作為打火監(jiān)測量更合理，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載阻抗不變時(shí)，駐波比不隨功率升高而變化，而反射功率隨正向功率升高而變大，用反射功率作為監(jiān)測量在低功率區(qū)和高功率區(qū)保護(hù)的嚴(yán)格程度不一致。駐波比保護(hù)電路的ADC采樣時(shí)鐘為72 MHz，檢波器的響應(yīng)時(shí)間約為80 ns，包括功率源的延時(shí)，實(shí)測駐波比保護(hù)電路保護(hù)時(shí)間小于1 μs，遠(yuǎn)小于高功率核心設(shè)備速調(diào)管要求的保護(hù)時(shí)間10 μs[9]，駐波比保護(hù)時(shí)間測試結(jié)果如圖3所示。文獻(xiàn)[3]中用基于微波信號I-Q解調(diào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方法獲取反射功率波形，該方法將射頻信號下變頻，然后經(jīng)過數(shù)字I-Q解調(diào)。單從功率幅值獲取上來講，選用快響應(yīng)檢波器送到直接ADC采樣，不經(jīng)過模擬下變頻和解調(diào)，能更好地縮短響應(yīng)時(shí)間。

圖2 駐波比保護(hù)框架示意圖Fig.2 Schematic diagram of voltage standing wave ratio protection architecture

圖3 駐波比保護(hù)時(shí)間測試結(jié)果Fig.3 Test result of voltage standing wave ratio protection time

圖4為駐波比保護(hù)軟件控制界面。由于加速器腔體Q大，每個(gè)功率脈沖前沿和后沿反射功率均較大，但這并不是由打火引起的，因此通過設(shè)置脈沖保護(hù)開始點(diǎn)和保護(hù)結(jié)束點(diǎn)跳過脈沖前后沿只保護(hù)脈沖中間的區(qū)域，避免造成假保護(hù)。其次，駐波比門限、駐波比開始起作用的功率閾值和永久阻塞次數(shù)均可通過界面設(shè)置，以適應(yīng)不同的功率源和加速器腔體。

駐波比電路實(shí)時(shí)累計(jì)單位時(shí)間打火次數(shù)，發(fā)送給自動(dòng)老煉控制系統(tǒng)，自動(dòng)老煉控制系統(tǒng)以此來控制功率大小。

圖4 駐波比操作界面Fig.4 Voltage standing wave ratio operation interface

2.2 自動(dòng)老煉控制程序

自動(dòng)老煉控制程序以單位時(shí)間駐波比超過門限次數(shù)作為依據(jù)判斷腔體內(nèi)部打火情況，當(dāng)打火次數(shù)小于升功率閾值則按設(shè)定升功率時(shí)間和升功率步長逐步升功率，當(dāng)打火次數(shù)超過降功率閾值則按降功率步長迅速降功率，并維持較長的時(shí)間，避免腔體繼續(xù)打火。當(dāng)打火情況適中則功率維持，在維持期間，若打火嚴(yán)重則繼續(xù)執(zhí)行降功率動(dòng)作，維持時(shí)間結(jié)束后若打火次數(shù)小于升功率閾值則再進(jìn)入升功率階段，以此類推循環(huán)，一直到功率升到最高為止。閾值、時(shí)間、步長均可通過軟件設(shè)置。當(dāng)功率源達(dá)到滿功率并維持設(shè)定時(shí)間后，按照設(shè)定降功率時(shí)間和步長進(jìn)行主動(dòng)降功率，到達(dá)最低功率并維持設(shè)定時(shí)間后，進(jìn)入升功率階段，達(dá)到最高功率維持設(shè)定時(shí)間后再繼續(xù)進(jìn)行主動(dòng)降功率，進(jìn)行反復(fù)老煉，確保在不同的功率區(qū)間均能老煉到位。

也可選擇到達(dá)最高功率點(diǎn)后不主動(dòng)降功率，停留在高功率區(qū)對其進(jìn)行老煉。同樣地，如果此時(shí)出現(xiàn)打火且打火次數(shù)超過降功率閾值則按照降功率步長迅速降功率，直到打火次數(shù)小于降功率閾值則進(jìn)入功率維持階段，維持一段時(shí)間后再重新升功率，如此反復(fù)，最終目標(biāo)是能穩(wěn)定工作在最高功率點(diǎn)。這種模式在加速器自動(dòng)加功率時(shí)經(jīng)常使用，稱為冷腔預(yù)熱。此外，在升功率期間，由于高功率區(qū)間較易打火，因此升功率步長也隨功率增加而減小，減輕打火的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)劇烈打火后，降功率并維持較長時(shí)間再恢復(fù)升功率，給腔體更長時(shí)間恢復(fù)真空。

自動(dòng)老煉控制程序采用微軟公司的C#軟件實(shí)現(xiàn)。由于自動(dòng)老煉控制程序中涉及較多邏輯的判斷和跳轉(zhuǎn)，用軟件實(shí)現(xiàn)更簡單，也方便后期改進(jìn)和維護(hù)。在C#程序中嵌入CA Server[10]，將本地控制變量與C#類型EPICS服務(wù)器中的變量關(guān)聯(lián)起來，可實(shí)現(xiàn)在加速器內(nèi)網(wǎng)中跨平臺(tái)訪問和控制[11]。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器也通過EPICS服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。自動(dòng)老煉控制界面如圖5所示。

圖5 自動(dòng)老煉控制界面Fig.5 Automatic conditioning control interface

2.3 諧振頻率計(jì)算與實(shí)時(shí)變頻

腔體在加功率期間發(fā)生熱形變，腔體諧振頻率也隨之變化[12]，加速器腔體有高Q低損耗的特點(diǎn)，當(dāng)饋入功率頻率與腔體諧振頻率差別較大時(shí)，易導(dǎo)致功率反射，所以饋入功率的頻率和腔體諧振頻率要實(shí)時(shí)一致。CSNS直線加速器8套腔體中，DTL腔Q最高[13]，入腔功率最大，達(dá)到1.3 MW，冷腔和熱腔腔體諧振頻率相差幾十kHz，若不設(shè)法使輸入功率和腔體諧振頻率一致，根本無法饋入功率進(jìn)行老煉。解決此問題一般有兩種方法：1) 使功率源輸出功率頻率隨腔體諧振頻率變化而變化；2) 用調(diào)諧器或控制腔體水冷溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)腔體諧振頻率。調(diào)節(jié)腔體的諧振頻率需改變物理結(jié)構(gòu)，速度較慢，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。本文選用第1種方法，利用腔體尾場計(jì)算腔體的諧振頻率，將計(jì)算所得的腔體諧振頻率給低電平控制系統(tǒng)，通過低電平控制系統(tǒng)輸出與腔體一致的變頻射頻信號給功率放大器放大，最終實(shí)現(xiàn)入腔功率的頻率與腔體諧振頻率實(shí)時(shí)一致，反射最小。

直線功率源工作在脈沖模式下，每個(gè)脈沖RF驅(qū)動(dòng)結(jié)束后腔場會(huì)有自由衰減振蕩的尾場，這個(gè)尾場頻率實(shí)時(shí)反映了腔體的諧振頻率，本文通過I-Q采樣將尾場采集到工控機(jī)上進(jìn)行分析。當(dāng)尾場頻率不是中心頻率324 MHz時(shí)，用I-Q采樣解調(diào)出的相位是一隨時(shí)間變化的一次函數(shù)，如圖6所示，通過計(jì)算相位函數(shù)的斜率就可得到失諧角頻率[7]。由于腔體熱形變引起諧振頻率變化過程是比較緩慢的，所以計(jì)算腔體諧振頻率這部分工作在工控機(jī)軟件上完成。

圖6 腔場及I-Q采樣相位示意圖 Fig.6 Cavity waveform and I-Q demodulation phase

變頻實(shí)現(xiàn)如圖7所示，在FPGA內(nèi)部用NCO產(chǎn)生余弦、正弦[14]的頻率調(diào)制信號，與低電平控制系統(tǒng)計(jì)算的I-Q信號進(jìn)行混頻，調(diào)制好的中頻信號通過DAC輸出，經(jīng)過上變頻后被功率放大器放大。

圖7 變頻實(shí)現(xiàn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of frequency conversion

2.4 真空檢測

加速器腔體安裝就位后，需用真空泵抽氣，使真空度維持到1×10-5Pa左右或更低才能饋功率老煉。腔體老煉時(shí)，打火期間不斷會(huì)有氣體放出，腔體真空會(huì)有變化，但由于駐波比保護(hù)系統(tǒng)及時(shí)切掉功率，盡管真空有一定變化，但是變化不大，且能很快通過離子泵的作用恢復(fù)。當(dāng)打火較劇烈時(shí)，自動(dòng)老煉控制程序會(huì)降低入腔功率，進(jìn)一步降低打火風(fēng)險(xiǎn)，降低離子泵抽氣的工作壓力，使真空盡快得以恢復(fù)。若真空度惡化嚴(yán)重并大于一定閾值，連鎖系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉功率源功率，進(jìn)行人工檢查后再恢復(fù)。

本系統(tǒng)不像文獻(xiàn)[4-5]用真空度作為自動(dòng)老煉程序控制變量，是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中真空度數(shù)據(jù)的更新速度是幾十ms的量級，不能滿足快保護(hù)的要求。

2.5 弧光打火探測器

弧光打火探測器分別接到腔體、腔體陶瓷窗、環(huán)形器、環(huán)形器負(fù)載、速調(diào)管輸出窗等位置。老煉期間，腔體打火屬于正常現(xiàn)象，腔體位置的探測器邏輯上是每次打火切斷打火脈沖的功率，下一脈沖恢復(fù)功率，只有在監(jiān)測到連續(xù)打火且次數(shù)超過設(shè)定次數(shù)閾值才關(guān)閉功率源，而其他位置的弧光打火探測器若發(fā)生一次打火則進(jìn)行停機(jī)檢查后再恢復(fù)功率。

由于打火探測器檢測面積有限、靈敏度不夠，常常漏檢測，所以本平臺(tái)中打火探測器作為一額外的保護(hù)措施，并未作為主要打火判斷依據(jù)加入到自動(dòng)老煉平臺(tái)控制邏輯中。圖8為自動(dòng)老煉時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的測量結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

CSNS直線加速器各腔體的老煉是一逐漸展寬脈寬、功率由小及大、循序漸進(jìn)的過程。RFQ在安裝完成后，經(jīng)過了多輪的老煉。初期是人工老煉，工作量極大、實(shí)時(shí)性差，質(zhì)量也因操作人員技術(shù)水平、精神狀態(tài)的不同而存在差異，采用自動(dòng)老煉平臺(tái)，大幅降低了工作量，提高了老煉效率。

由圖8可知，當(dāng)駐波比保護(hù)次數(shù)增多時(shí)，自動(dòng)老煉程序控制功率源降低入腔幅值，真空度變化不大且迅速恢復(fù)到正常水平。另外，駐波比保護(hù)電路有時(shí)已捕捉到打火信息并開始降功率，但真空度變化很小或無變化，說明在本加速器系統(tǒng)中，打火時(shí)監(jiān)測駐波比更及時(shí)準(zhǔn)確。

圖8 自動(dòng)老煉時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的測量結(jié)果Fig.8 Measurement result of relevant data during automatic conditioning

目前，CSNS直線加速器8個(gè)腔體運(yùn)行良好，其中RFQ由于在離子源出口處，束流較易散射到腔內(nèi)引起打火，24 h打火次數(shù)幾十次到一兩百次不等。對于25 Hz的工作頻率，這個(gè)打火次數(shù)僅消耗很短的時(shí)間。4個(gè)DTL腔體24 h總打火次數(shù)一般小于100次。聚束腔、散束腔基本長時(shí)間不打火。自動(dòng)老煉平臺(tái)也用于平時(shí)機(jī)器運(yùn)行的保護(hù)，其中冷腔預(yù)熱功能常用于腔體加功率。

4 結(jié)論

CSNS直線加速器自動(dòng)老煉平臺(tái)用數(shù)字化駐波比保護(hù)電路板對打火進(jìn)行實(shí)時(shí)快保護(hù)，保護(hù)時(shí)間小于1 μs，滿足對加速器腔體和功率源保護(hù)的要求。自動(dòng)老煉平臺(tái)有效減輕腔體劇烈打火情況，提高老煉效率，減少人工干預(yù)，減輕工作量。該平臺(tái)使用實(shí)時(shí)變頻算法，使功率源輸出功率頻率與腔體諧振頻率實(shí)時(shí)一致，不用調(diào)節(jié)腔體調(diào)諧器或水冷，實(shí)現(xiàn)簡單，效果明顯。平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控腔體真空度，保證腔體在真空度正常條件下老煉。用弧光打火探測器作為一輔助手段實(shí)現(xiàn)打火保護(hù)。

自動(dòng)老煉平臺(tái)中涉及的駐波比保護(hù)門限、駐波比次數(shù)閾值、快保護(hù)后停頓RF脈沖數(shù)、升降功率步長和時(shí)間、高低功率維持時(shí)間等參數(shù)可根據(jù)不同腔體的需求在軟件界面直接修改，靈活性強(qiáng)。各功率監(jiān)測點(diǎn)的波形均上傳到工控機(jī)顯示，便于查看和診斷問題。自動(dòng)老煉平臺(tái)的研制和使用，為直線加速器腔體的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。