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基于MTCA的HLS-II直线加速器低电平系统改造

任天祺 唐雷雷 周泽然

任天祺, 唐雷雷, 周泽然. 基于MTCA的HLS-II直线加速器低电平系统改造[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200080
引用本文: 任天祺, 唐雷雷, 周泽然. 基于MTCA的HLS-II直线加速器低电平系统改造[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200080
Ren Tianqi, Tang Leilei, Zhou Zeran. Upgrade of low level RF system based on Micro Telecom Computing Architecture (MTCA) for HLS-II LINAC[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200080
Citation: Ren Tianqi, Tang Leilei, Zhou Zeran. Upgrade of low level RF system based on Micro Telecom Computing Architecture (MTCA) for HLS-II LINAC[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200080

基于MTCA的HLS-II直线加速器低电平系统改造

doi: 10.11884/HPLPB202032.200080
基金项目: 国家自然科学基金项目(11675170)
详细信息
    作者简介:

    任天祺(1995-),男,硕士,从事加速器低电平系统研究;rentian@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者:

    周泽然(1982-),男,副研究员,从事加速器束测低电平研究;zhouzr@ustc.edu.cn

  • 中图分类号: TL503.2

Upgrade of low level RF system based on Micro Telecom Computing Architecture (MTCA) for HLS-II LINAC

图(6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-27
  • 修回日期:  2020-06-05
  • 网络出版日期:  2020-07-01

基于MTCA的HLS-II直线加速器低电平系统改造

doi: 10.11884/HPLPB202032.200080
    基金项目:  国家自然科学基金项目(11675170)
    作者简介:

    任天祺(1995-),男,硕士,从事加速器低电平系统研究;rentian@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者: 周泽然(1982-),男,副研究员,从事加速器束测低电平研究;zhouzr@ustc.edu.cn
  • 中图分类号: TL503.2

摘要: 合肥光源(HLS-II)在重大维修改造之后,其光源性能有了很大的提升。为了进一步实现连续、平稳地供光,需要对其进行恒流改造。恒流运行要求直线加速器的微波功率源有长期的稳定性与可靠性,旧的模拟低电平控制系统满足不了要求。本文基于微型电信计算平台(MTCA)设计实现了数字低电平控制系统,控制微波功率源的幅度和相位,它由以FPGA为核心的数字板卡、射频板卡、MTCA机箱以及频率合成系统组成。该数字低电平系统工作在2856 MHz的S波段,在线运行幅度稳定度达到0.04%,相位稳定度达到0.2°,满足恒流改造对直线加速器数字低电平系统0.25°相位抖动RMS值的相位精度要求。

English Abstract

任天祺, 唐雷雷, 周泽然. 基于MTCA的HLS-II直线加速器低电平系统改造[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200080
引用本文: 任天祺, 唐雷雷, 周泽然. 基于MTCA的HLS-II直线加速器低电平系统改造[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200080
Ren Tianqi, Tang Leilei, Zhou Zeran. Upgrade of low level RF system based on Micro Telecom Computing Architecture (MTCA) for HLS-II LINAC[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200080
Citation: Ren Tianqi, Tang Leilei, Zhou Zeran. Upgrade of low level RF system based on Micro Telecom Computing Architecture (MTCA) for HLS-II LINAC[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200080
  • 合肥光源(HLS-II)是中国科学技术大学国家同步辐射实验室的专用第二代真空紫外光源[1-4]。在2012~2014年间,为了增加同步辐射光源亮度,合肥光源升级到了HLS-II,升级之后在衰减模式下工作,并且以800 MeV全能量注入。衰减运行模式下一天必须要注入3次,人员必须撤离清场,使得一些需要长时间实施的精细实验难以完成,因此光源急需实现连续、平稳地供光以保证用户实验的连续性和时效性以及拓展实验研究领域。直线加速器低电平控制系统用于监控微波功率源,保障功率源的稳定性,对束流注入影响很大。旧的模拟低电平系统的相位测量精度±0.2°,相位控制精度为±0.5°,在模拟信号处理中存在脉冲直流,易受速调管高压干扰,不易采用数字处理算法滤除,并且容易受到环境温度影响,其长期稳定性和可靠性还达不到恒流运行的需求。MTCA技术因为其高性能、高可靠性等优点,已经广泛应用于世界上诸多加速器实验室,如DESY,KEK和SLAC等,在国内的中国科学院上海高等研究院和北京高能物理研究所也逐步引入了MTCA。为了满足所需稳定性,我们采用目前高可靠性的MTCA.4标准机箱[5],在合肥光源直线加速器上设计实现了数字低电平系统。目前该数字低电平系统成功地用在了合肥光源直线加速段中,并且稳定运行了超过一年时间。本文主要介绍了该数字低电平系统的信号采样方法、硬件组成和软件算法,最后给出了其在线运行时的测试结果。

    • 图1为合肥光源直线加速器布局图。微波系统由预聚束器(prebuncher)、聚束器(buncher)和9个加速段组成,6台50 MW和3台80 MW速调管提供微波功率(其中第3台80 MW速调管为热备份)。数字低电平系统是加速管微波场的重要组成部分,能够测量微波场信息,并且可以稳定加速管中的相位和幅度,抑制其由于温度等干扰形成的慢飘,提升束团的品质。该系统采用集中式控制,主控系统放置于速调管走廊耳房,通过同轴电缆与后续微波器件相连。直线加速段与速调管分布将近50 m的长度,需要很长的电缆连接,数字低电平系统的驱动能力有限,所以在低电平输出端加入中继放大器作为驱动器。合肥光源的速调管工作在饱和区,无法直接对微波场的幅度进行控制,恒流改造对数字低电平系统提出的指标为相位漂移的RMS值要小于0.25°。

      图  1  合肥光源直线加速器布局图

      Figure 1.  Layout of the linear accelerator of Hefei Light Source Ⅱ (HLS-Ⅱ)

    • 低电平系统需要测量微波场信息,探测微波信号的幅度与相位。合肥光源加速管工作频率为2856 MHz,如果用高速ADC直接采样该频率信号会导致数据速率过快,后续数字信号处理需要很快的工作时钟,大大增加成本。将信号下变频至中频进行采样,得到的中频信号包含输入信号的幅相信息,当输入信号频率F与采样信号频率Fs满足FL=FsN时(LN为正整数),可以计算得到IQ[6-7],通过IQ值可以取得信号的瞬时的幅度和相位信息,计算公式为

      $$\begin{array}{l} I = \dfrac{2}{L}\displaystyle\sum\limits_{n = 0}^{L - 1} {x[n]\cos \Bigg(\dfrac{{2{\text{π }}N}}{L}} n\Bigg) \\ Q = \dfrac{2}{L}\displaystyle\sum\limits_{n = 0}^{L - 1} {x[n]\sin \Bigg(\dfrac{{2{\text{π }}N}}{L}} n\Bigg) \\ \end{array} $$ (1)

      式中:N/L为输入信号频率和采样信号频率之比;x[n]是被采样信号。

      选择26.44 MHz作为中频信号,2829.56 MHz作为下变频时使用的本振LO信号,105.76 MHz作为采样时钟信号,2856 MHz作为参考REF信号。26.44 MHz为2856 MHz的1/108,易于生成。基于以上所需频率使用直接合成方法,设计了频率合成系统来生成信号,其中含有混频器、分频器、滤波器、功分器等器件,有稳定性和可靠性高的优点。如图2为频率合成示意图,由2856 MHz分频得到的26.44 MHz与原2856 MHz混频之后得到2829.56 MHz本振信号。每个频率信号最后分别功分10路输出,总共可以提供10张板卡所需信号。

      图  2  频率合成示意图

      Figure 2.  Diagram of the frequency synthesis system

    • 数字低电平控制系统使用MTCA.4标准的机箱,其坚固的机械结构能够保护电子设备不受机械振动干扰,高强度风冷模块保障板卡长期稳定运行,并且具有可靠的机箱管理监控各模块工作状态,PCIe的互连总线保证了高带宽的数据传输,其模块化与冗余化也提升了机器运行的稳定性与可靠性。该机箱包括冷却风扇系统、电源系统、PCIE背板、MCH(MTCA carrier hub)单元和板卡插入件。在板卡插入件上采用SIS8300L2的数字板卡[8]和DWC8VM1的射频板[9]结合使用。射频板用来做下变频变换和上变频输出,包括可调衰减器与射频开关。SIS8300L2使用Virtex6的FPGA,有5个双通道ADC:AD9268,1个双通道DAC:MAX5878。10个ADC通道总共可以测量10路信号,分别是8路AC通道和2路DC通道。

      图3是数字低电平控制系统结构框图。数字低电平的输出信号由DAC开始,DAC输出基带IQ信号,经过矢量调制器后上变频至2856 MHz正弦波,在被各放大器和速调管功率放大之后,从定向耦合器中耦合出正向和反向功率,衰减至合适功率后接入低电平射频板卡。射频板卡中利用可调衰减器将信号调整至合适功率后下变频至中频,被ADC获取后在FPGA中进行数字信号处理。定向耦合器的反向功率用于监控功率反射,其经过包络检波器之后进入ADC,可以直观地看到反射波形。

      图  3  数字低电平控制系统结构框图

      Figure 3.  Structure diagram of the low level RF system

      因为合肥光源使用EPICS平台[10],所以低电平系统的数据通信也基于EPICS平台开发,在MTCA机箱中的MCH单元用作整个机箱的监测管理和内嵌Linux,EPICS与IOC运行在Linux中,与远端的电脑运行的远程界面OPI(Operation interface)通过局域网互联。在IOC中通过对FPGA中寄存器的读写操作来配置底层工作状态,FPGA中的高速率数据通过PCIE和直接存储获取和IOC交互。通过该平台可以实现远程监测微波场信号,远程控制低电平系统的输出,OPI界面可以实现良好的人机交互。

    • 在FPGA中的数据通路如图4所示。从速调管输出端定向耦合器中采集到的信号,经过下变频后被16bit ADC采样。数据被FIFO缓冲后一路直接通过PCIe传至上层IOC,作为ADC原始数据监控;另一路经过I/Q解调模块算出I/Q数据后传至上层IOC,让我们可以直观地观察信号IQ值。

      图  4  FPGA中的数据通路

      Figure 4.  Data path in FPGA

      在上层IOC得到IQ数据后就可以计算得到幅度和相位值,进行控制。控制环路如图5所示,比例积分反馈控制(PI control)与前馈控制相结合,对被控对象进行控制。反馈的比例积分控制用于消除与Set point的误差,计算公式如(2)所示,其中kpki分别为比例与积分参数。前馈用于加快反馈的响应速度,并且可以调整开环相位与幅度。被控对象即是反馈控制的闭环点,也就是速调管的输出点。加速管工作的脉冲很窄,将近1 μs,PI反馈环路存在延时,使用脉内PI控制会导致脉内的波形上下浮动,增加脉冲内部的不稳定。采用脉间PI控制,对每个脉冲平顶求平均值,以平均值做PI控制调整下一个脉冲的状态。由于该模式下PI反馈无需很快的运行速度,把PI反馈的代码与计算幅度相位的代码放在低电平控制系统的软件层面往往更加方便灵活。合肥光源恒流注入时,隔大约10 min会注入一次,注入5 mA的流强,注入时间大约在5 s,当未注入时速调管没有输出,开启反馈控制会带来幅度和相位值的振荡,在5~6 s的注入时间内无法很好地稳定至加速相位,需要对采到的信号值做阈值处理,当采到的反馈信号ADC幅度小于5000,则视为未注入,关闭反馈环路,超过5000则开启反馈环路进行闭环控制,能够在短注入时间内对幅度与相位进行有效控制。

      图  5  控制环路

      Figure 5.  Control loop

      $$u(k) = {k_{\rm{p}}}e(k) + {k_{\rm{i}}}\sum\limits_{j = 0}^k {e(j)} $$ (2)

      上层IOC可以设置前馈表,来控制输出脉冲的形状和延时,通过PCIe传输至FPGA寄存器中。经过计算得到的PI调整值输入到旋转矩阵中,用以调整前馈表中的IQ值对应的相位和幅度。DC直流偏置用来补偿射频板卡上矢量调制器在DAC无输出时的功率泄露。另外IOC还可以进行一系列的配置,比如ADC/DAC、时钟的配置。

    • 反射保护是低电平系统非常重要的功能之一,速调管输出信号通过波导输入到加速管中,会存在反射功率,在波导中的气体电离打火或者其他异常情况下反射过大时需要及时切断输出以保护速调管安全。反射保护测量通过数字板卡中的直流通道,在反射信号和射频板卡之间加入检波器,ADC采样信号可以直观地得出反射信号的大小和波形。为求最快的反射保护效果,我们把反射保护模块放入FPGA模块中。试运行后发现低电平经常误保护切断输出。在脉冲上升开始建立微波场时和脉冲下降撤销微波场时,都会有反射尖峰存在,反射尖峰很容易超过保护阈值线。为了避免误保护,我们采用选择区间判断,人为输入反射保护判断开始时间和结束时间,以此忽略建场和撤场的反射尖峰,并且对每32个数据平均以后再进行阈值判断,用以去除毛刺杂波。该方法可以使打火反射保护生效,并且避免受其他因素干扰。

    • 在合肥光源的在线运行中,低电平输出连入固态放大器,以速调管输出端为闭环点,输入低电平系统作为监测,将低电平输出脉冲的时序与速调管对齐。图6(a)为闭环点的脉冲幅度波形;(b)为闭环点的脉冲相位波形,在没有功率输出时,相位是随机的,在有功率输出时,呈现一个平台。对每个脉冲平顶取平均值,该平均值的随时间的变化即是脉间漂移;(c)为脉间的幅度漂移;(d)为脉间的相位漂移。PI闭环控制之后,可以看到相位稳定度小于0.2°,幅度稳定度小于0.04%,和模拟系统相比有了很大的提升。

      图  6  低电平系统测量得到幅度与相位值

      Figure 6.  Amplitude and phase detected by LLRF system

    • 本文采用MTCA.4标准机箱完成了合肥光源恒流改造中对直线加速器低电平系统的数字化改造升级,详细介绍了信号IQ处理方法、与之相应的频率合成系统、低电平系统的软硬件设计以及在线实验结果。MTCA机箱的采用提升了系统的可靠性与稳定性,IQ解调的数字化避免了IQ直流信号受速调管高压电磁干扰和温度的影响,提升了系统的精度性能。该系统目前在合肥光源恒流模式中稳定运行一年以上,提升了合肥光源的注入稳定性和可靠性。该数字低电平控制系统的在线运行幅度稳定度达到0.04%,相位稳定度达到0.2°,满足恒流改造项目对直线加速器数字低电平系统0.25°相位抖动RMS值的相位精度要求。

参考文献 (10)

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