RFQ低电平算法设计与实现

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1、硕士学位论文RFQ低电平算法设计与实现作者姓名:李明达指导教师:赵振堂研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别:工学硕士学科专业:核技术及应用培养单位:中国科学院上海应用物理研究所2018年6月RFQLowLevelAlgorithmDesignandImplementationAthesissubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofSci

2、enceinEngineeringinNuclearTechnologyandApplicationsByLiMingdaSupervisorProfessorZhaoZhentangShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofScienceJune2018摘要摘要射频四极场加速结构使用电场同时实现对带电粒子的纵向群聚和横向聚焦，可用于从离子源中发出的低能粒子，常被用作高能加速器的注入器或者低能强流加速器的前级加速器。RFQ腔内加载电磁波后，电磁场会在

3、RFQ表面产生电流，腔壁及腔翼表面均会因为功率热损耗造成温度升高，从而发生变形，引发腔体的失谐，造成功率馈送效率损失和束流品质下降。RFQ动态调谐一般是通过控制腔翼和腔壁上冷却水的水温来实现的，但是受水温变化速率限制，升能过程要花费数十分钟。低电平控制系统是加速器高频系统的重要组成部分，它一方面稳定高频腔内的加速场的幅度和相位，另一方面对高频腔进行调谐控制。在保障束流质量和加速器安全稳定运行方面都有非常重要的作用。为了方便RFQ老练和调试过程中的功率提升，本文设计了一个使用直接数字合成技术和锁相环技术的RF

4、Q低电平控制系统，该系统可以同时实现对RFQ谐振频率的动态跟踪与幅相反馈控制。即使冷却水没有达到热平衡，RFQ也可以加载功率并形成加速场。课题完成了信号处理板卡的调试和功能测试。包括前期功能验证板卡和低电平数字信号处理板卡的功能，调试和整体硬件方案。谐振升压频率跟踪算法的设计部分包括了主要功能芯片：AD9858直接数字合成器和AD9520时钟信号发生器的控制算法以及数字信号的采样和处理。谐振升压功能的实现需要以闭环反馈控制为基础，反馈控制环路包括频调环路和幅相控制环路。为了进行基于模拟腔的功能测试，设计了运

5、行在StratixIIDSP开发板上的FIR滤波器并且搭建测试平台。测试结果表明：该方案能在对虚拟腔谐振频率进行跟踪的同时，实现±0.5%的幅度稳定度和±0.5º的相位稳定度。关键词：射频四极场，低电平，现场可编程逻辑门阵列，直接数字合成IAbstractAbstractTheradiofrequencyquadrupoleusesanelectricfieldtosimultaneouslyachievelongitudinalandlateralfocusingofchargedparticles.It

6、canbeusedforlow-energyparticlesemittedfromanionsourceandoftenusedasaninjectorforhigh-energyacceleratorsorapre-acceleratorforlow-energyhigh-currentaccelerators.AftertheRFQisloadedwithelectromagneticwaves,theelectromagneticfieldwillgeneratecurrentonthesurfac

7、eoftheRFQ.Thetemperatureofthecavitywallandthesurfaceofthecavitywingwillincreaseduetothelossofpowerandheat,whichwillcausedeformationandcausedetuningofthecavity,resultinginlossofpowerfeedingefficiencyanddegradationofbeamquality.ThedynamictuningofaRFQisgenera

8、llyachievedviathermalregulationoverthevanesandwalls.Howeverittakestensofminutestoreachnominalpower.Thelow-levelcontrolsystemisanimportantpartofthehigh-frequencysystemoftheaccelerator.Itstabilizestheamplitudea