1.3 GHz連續(xù)波超導射頻腔的數(shù)字低電平系統(tǒng)和模擬腔研究

劉 奎 顧 強 張俊強 趙明華

1（中國科學院上海應用物理研究所 上海201800）

2（中國科學院大學 北京100049）

3（中國科學院上海高等研究院 上海201204）

上海高重復頻率硬X射線自由電子激光（Shanghai HIgh-repetition-rate X-ray free-electron laser aNd Extreme light facility，SHINE）的重復頻率為1 MHz，并由1.3 GHz連續(xù)波超導直線加速器驅動［1?2］。對于1.3 GHz連續(xù)波工作的超導射頻腔，高負載品質因數(shù)（～107）會導致腔體在電磁頻域上有極窄的帶寬，導致射頻（Radio Frequency，RF）諧振腔有相對較小的失諧就會引起腔場的幅度和相位發(fā)生較大變化。

此外，諧振腔的電磁模式和機械模式的相互作用，也會影響腔場的穩(wěn)定。洛倫茲力失諧（Lorentz Force Detuning，LFD）就是由強電磁場和腔壁電流引起的腔體幾何形狀的變形。LFD具有多種機械特性，并耦合了外部機械噪聲。時域動態(tài)LFD的二階模型為［3］：

式中：Δωk(t)是由機械模式k貢獻的電磁頻率偏移；τk是每種模式的阻尼時間常數(shù)；Ωk是機械模式k的固 有頻 率；Kk是 洛倫 茲力 系數(shù)；Kk0·V0是 穩(wěn) 態(tài) 的LFD；ΔV(t)是腔場電壓的變化。

在超導腔老練或重啟過程中，逐漸上升的腔場的梯度會導致LFD的增加，繼而造成發(fā)生器驅動（Generator Driven Resonator，GDR）低電平（Low Level RF，LLRF）系統(tǒng)出現(xiàn)“ponderomotive”不穩(wěn)定性，甚至崩潰［3?4］。

本文基于System Generator［5］開發(fā)了工作在腔體超導腔老練或重啟過程中的自激勵環(huán)路（Self-Excited Loop，SEL）低電平控制系統(tǒng)，以避免控制系統(tǒng)發(fā)生崩潰［6］。SEL系統(tǒng)中包含兩種工作模式：free SEL模式和locked SEL模式。free SEL模式可以在腔體失諧時跟隨腔體的諧振頻率，保證腔場幅度的穩(wěn)定［6］。locked SEL模式能在腔體有較小失諧時保證腔場幅度和相位的穩(wěn)定，也可以用作補償麥克風噪聲的影響［7?8］。GDR控制系統(tǒng)也包含在控制系統(tǒng)中，用于腔體諧振情況下保證腔場幅度相位的穩(wěn)定。……