Design and analysis of a tunable coupler for application to adjustable beam injectors
-
Abstract:
As a fundamental component of a linac-based beam injector, the rectangular-waveguide coupler is a conventional device for feeding high power, but it will induce field asymmetry and resonant-frequency shifting. Furthermore, it is also difficult to adjust the coupling factor for adjustable beam injectors. In this paper, an equivalent circuit model is established for the coupler with a tuning rod. Based on theoretical analysis, the optimal position for the rod is given. Besides, the frequency shifting is corrected by using another rod inserted to the cavity in the opposite direction. Sizes and adjustment ranges of both rods are given by three-dimensional electromagnetic simulation using CST MICROWAVE STUDIO. Jointly adjusted simulation results show that, critical-coupled states are achieved for different beam intensity while the resonant frequency remains stable, thus the risk of reflected power caused by coupler mismatching can be avoided, and the field asymmetry due to a small coupling hole can be reduced.
-
Key words:
- coupling coefficient /
- resonance tuning /
- standing-wave cavity /
- RF accelerator
摘要:驻波谐振腔是基于直线加速器的束流注入器的基本构造元件，其大功率微波馈入一般选用矩形波导耦合器，但它会引起场不对称和谐振频率的漂移，也难以针对不同流强的束流灵活调节耦合度。建立了带有调配杆的耦合器的等效电路模型，在理论分析的基础上，给出了杆的最佳位置。此外，在耦合器的对称方向插入调谐杆用于补偿结构改变及加工安装等外部因素造成的频率漂移，并使用 CST MICROWAVE STUDIO 的三维电磁仿真给出了两个杆的尺寸和调整范围。联合调整的仿真结果表明，在谐振频率保持稳定的情况下，不同流强的束流均达到临界耦合状态，从而避免了耦合器失配引起的反射功率风险，并减少了由于较小耦合孔引起的场不对称。
-
北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)直线加速器所使用的速调管能够输出50 MW的脉冲功率[1-2]，是极为昂贵的微波器件，速调管的陶瓷窗易受到表面打火和波导系统反射功率的损伤。为了更好地保护陶瓷窗，以期延长速调管的使用寿命，常用以下五种保护措施：(1)真空保护[3]，速调管出口波导系统的真空度可以通过离子泵电流表征，将泵电流作为快联锁信号以便及时切断系统触发信号，但真空变化属于慢变化，且和打火位置有关；(2)ARC打火保护，通过速调管出口波导的观察窗获取打火时的光信号，再经光电转换作为快联锁信号，因在真空环境使用，需考虑带观察窗的波导制造工艺等问题；(3)在速调管出口加环形器[4]，因环形器承受功率有限，仅适用于小功率速调管；(4)通过峰值功率计或专用保护装置的内部计算和报警输出进行驻波比保护[5-7]或反射保护；(5)通过低电平系统实时获取入射和反射信号，再对比驻波比或反射保护阈值给出报警信号[8-9]，低电平方案可以获得μs级响应时间，但成本较高。
BEPCⅡ直线加速器使用峰值功率计测量反射功率，超阈值后输出报警信号。从直线加速器安全运行角度出发，要求当前反射信号功率超过阈值后，功率计能够在下一个脉冲到达之前发出报警信号，进而切断触发信号，实现对速调管的保护。以重复频率50 Hz为例，即要求20 ms内功率计送出报警信号。但在实际多台次测试后发现反射保护的平均响应时间为306 ms，远超20 ms的目标值。考虑到BEPCⅡ直线加速器在线运行的速调管有20台，我们提出了3种较高性价比、易实施的方案，创新性地提出“3+1”反射保护响应时间测试法，并对上述3种方案进行详细测试。最终经综合考虑，将原功率计改进升级作为实施方案。
1. 方案设计
经过前期调研，提出三种性价比高、易实施的反射保护报警解决方案：(1)PicoScope虚拟示波器的遮罩报警方式；(2)基于自带检波和报警输出功能的Linear芯片制作反射保护插件；(3)联合原国产功率计厂家对产品升级改进。本文所述反射保护报警的响应时间是指，从大于设定功率阈值的4 μs脉宽反射信号进入功率计B通道到功率计尾部BNC反射保护端输出报警信号的总时长。
1.1 PicoScope虚拟示波器的遮罩报警
PicoScope 3000D型虚拟示波器，50 MHz带宽，8 bit垂直分辨率，并具有遮罩及报警等功能[10]。利用官方软件可以设置幅度或时间遮罩，当检测到信号超过所设遮罩阈值时，自动触发虚拟示波器内部的信号发生器，进而发出报警信号。需要注意的是，报警设置时需设定报警事件的先后顺序，应将触发信号发生器作为优先报警事件，否则会影响测试结果。在使用时虚拟示波器通过USB3.0与本地工控机连接，进行数据传输与控制，无需额外供电。软件操作界面如图 1所示。
1.2 基于自带检波和报警输出功能的Linear芯片制作反射保护插件
LTC5564是Linear Technology公司的一款芯片，采用3 mm×3 mm方形扁平无引脚封装(QFN)。其内置检波器、高速比较器和放大器，具有峰值检波、超阈值快速报警、宽输入功率范围和宽输入频率范围等多重优点。通过购置官方演示板并按使用频率进行元器件替换，可以较快搭建起实验电路，如图 2所示。或以LTC5564芯片为核心，辅以外围供电电路、数控可调电源模块等，制成反射保护报警插件。比较电压即为报警阈值，需以直流电信号输入，并根据反射功率报警阈值提前确定好所需电压值。
1.3 对原国产功率计升级改进
通过对现有硬件功率计的改进与升级来降低反射保护响应时间，无需额外购置新硬件，因此是一种相对经济和省时的方法。先后对功率计进行多轮软硬件改进，每次改进后在实验室进行详细测试，并择机在BEPCⅡ直线加速器上线实验，再对测试结果进行分析并找到新改进方案，形成“实验促进改进、改进验证实验”的良性循环。
改进前响应时间过长的原因主要有两点：(1)由于之前的控制电路由两块CPU构成，一块是负责信号采集并进行相应运算和处理的控制CPU，另一块是负责面板显示及报警信号输出的面板CPU。一个报警信号的产生，需要信号采集处理后再通过内部通信传输给面板CPU判断，满足报警条件后输出反射保护报警信号。在此过程中，通信及各自程序处理增加了反射报警时间; (2)面板CPU在得到控制CPU传输来的信息后还需要进行按键轮询、串口信息处理、功率数据处理及显示输出等，从而造成不能在第一时间对反射功率进行判断并输出报警信号。针对上述情况，对功率计的软硬件进行针对性改进。硬件方面，采用一块CPU进行处理，此CPU兼顾之前面板CPU和控制CPU功能，且该CPU在处理速度上较之前两块CPU提高约1倍。此外对反射保护电路中检波电容等也进行了修改。软件方面，将报警程序与其余程序(按键轮询、显示等)分开处理。每隔一定时间(ms级)检查反射信号是否超过阈值，并进行相应处理。处理后，功率计不但能在第一时间检测到反射信号的变化，而且能排除处理其他程序对报警时间带来的影响。图 3是功率计改进后的内部结构示意图。
2. “3+1”反射保护响应时间测试法
“3+1”反射保护响应时间测试法中，“3”代表反射保护的3种状态，“1”代表建立一种基于功分器、微波开关的反射保护响应时间测试方法。
反射保护响应时间测试分为三种情况: 常态运行保护、连续保护和极端情况下的反射保护报警，可简称为常态、连续和极端保护。所谓常态运行时的反射保护是指，调制器稳定运行在指定高压时，功率计探测到的反射功率也维持在一个稳定数值。当一个超过2 MW设置阈值的反射信号突然传到功率计时，功率计输出保护信号，即由高电平变为低电平。这也是最常见的反射保护形式，故称之为常态运行时的反射保护，简称常态保护。连续保护，即前一个突然变大的信号超过阈值造成反射保护，紧跟着又一个超阈值的信号进入到功率计，造成二次保护。极端情况下的反射保护，即调制器高压到位后，开启触发信号开关的瞬间出现反射保护。比如直线加速器开机或某位置调试后的开机瞬间。连续保护和极端保护都属于小概率事件，但也是功率计反射保护性能必须考察的两个方面。反射保护三种状态示意图见图 4。
图 4 反射保护三种状态示意图Figure 4. Schematic diagram of three typical reflection protection states图 5是一种基于功分器、微波开关的反射保护响应时间测试方法，通过合理方法控制信号源和微波开关，可以实现实验室内常态、连续和极端三种反射保护测试。图中的功率计可以替换为PicoScope虚拟示波器、反射保护插件。信号源也可以替换为直线加速器的反射信号，即可进行在线反射保护响应时间测试，且微波开关的引入，可以除去调制器的高压调节对测试带来的影响，结果更加合理可信。Mini-Circuits公司的微波开关可以通过电脑程序控制通道切换，以模拟触发开关的过程。
图 5 一种基于功分器、微波开关的反射保护响应时间测试方法Figure 5. A measurement method of reflection protection response time based on power divider and microwave switch3. 实验结果
按照图 5的方法在实验室对PicoScope虚拟示波器、基于Linear芯片的反射报警插件和改进型国产功率计进行3种状态下的反射保护响应时间测试，测试环境为重复频率50 Hz、脉冲宽度4 μs，采取多次测量求平均值方式，测试结果见表 1。
表 1 实验室50 Hz, 4 μs脉宽下三种方案的反射保护响应时间测试结果Table 1. Reflection protection response time results of the three schemes tested at 50 Hz with 4 μs RF pulse width in the laboratorynormal protection/ms continuous protection/ms extreme protection/ms picoscope virtual oscilloscope 72 — — reflection protection plug-in 8×10-5 7×10-5 8×10-5 upgraded RF power meter 5.2 5.5 5.9 虚拟示波器自身功能较多，遮罩报警功能仅是众多功能之一，并不是首要或主流功能，因而其常态保护的响应时间较长，仅为72 ms。这标志着它失去了进行连续和极端保护的测试机会。经过六轮改进的国产功率计在常态、连续和极端三种情况下，反射保护响应时间的测试结果基本相同，都在5~6 ms之间，体现了较强的稳定性，已满足指标要求。图 6是改进型功率计在极端保护情况下反射保护响应时间的测试截图。基于Linear LTC5564芯片的反射保护插件则表现更为突出，可实现三种保护状态下的几十ns级报警响应时间。
图 6 改进型功率计在极端保护情况下反射保护响应时间测试Figure 6. Improved power meters reflection protection response time test in extreme protection situations就测试数据而言，无疑基于Linear芯片的反射保护插件胜出，且为数量级的优势。但该插件也有不足之处：造价大概是功率计升级费用的2~3倍；对内置的开关稳压电源要求较高；插件输出的报警信号是高电平脉冲信号，与国产功率计相反，即与BEPCⅡ现有的报警联锁盒子不兼容；未经历BEPCⅡ长期在线测试，无法保证复杂电磁环境下的稳定运行。综上，反射保护插件暂不适合BEPCⅡ直线加速器在线运行使用。
4. 结论
针对降低反射保护响应时间以保护速调管陶瓷窗这一命题，进行了细致的选型调研和对比试验，创新性提出“3+1”反射保护响应时间测试法。研制了基于Linear LTC5564芯片的反射保护插件，测试结果优异。对国产功率计进行多轮软硬件改进，最终实现了实验室模拟常态、连续和极端三种情况下反射保护响应时间均为5~6 ms之间的结果。综合考虑成本、兼容性和稳定性等因素，国产功率计升级较反射保护插件更具优势，故在2017年8月~9月的暑期检修期间对直线加速器所有峰值功率计进行专项升级改进。经过2017~2018年一整轮BEPCⅡ运行结果显示，上述改进型功率计运行稳定可靠，每月测试反射保护响应时间均达标，因而改进工作符合预期。
-
Figure 2. (a) Equivalent circuit of a one-port-coupled cavity and (b) equivalent circuit of a coupling tuner Tc inserted into the waveguide
Figure 4. (a) Resonant frequency and coupling factor at different hctuner and (b) resonant frequency and coupling factor at different hftuner
Figure 6. Electric field distribution of the dipole in the cavity along the circumference
Table 1. Effect of the Tc radius on coupling factor and resonant frequency
radius/m coupling factor resonant frequency/MHz 2 0.60–2.70 2856.00–2856.02 4 0.60–3.42 2856.00–2856.10 6 0.60–3.90 2856.00–2856.15 
下载: 导出CSV
Table 2. Effect of the Tf radius on coupling factor and resonant frequency
radius/mm coupling factor resonant frequency/MHz 1 1.66–1.67 2856.00–2856.47 3 1.66–1.71 2856.00–2859.80 5 1.66–1.77 2856.00–2865.79
下载: 导出CSV
-
[1] Hu Tongning, Pei Yuanji, Qin Bin, et al. Development of a novel thermionic RF electron gun applied on a compact THz-FEL facility[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2018, 887: 1-6. [2] Tan Ping, Huang Jiang, Liu Kaifeng, et al. Terahertz radiation sources based on free electron lasers and their applications[J]. Science China Information Sciences, 2012, 55(1): 1-15. [3] Hu Tongning, Pei Yuanji, Feng Guoyao. Bunch length evaluation for typical low-energy beam injectors based on RF-phasing techniques[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2019, 916: 87-93. [4] Hong J, Parc Y W, Ko I S. Reduction of the higher-order field distribution in a photocathode rf gun for the X-ray free electron laser[J]. Journal of the Korean Physical Society, 2014, 65(12): 2023-2032. doi: 10.3938/jkps.65.2023 [5] Kumar R, Singh P, Unnikrishnan D, et al. A tunable waveguide to cavity coupler for high power accelerator cavities[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2012, 664(1): 203-213. [6] Kumar R. A novel method for variable coupling using iris rotation in RF couplers[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2009, 600(3): 534-537. [7] Ego H. RF input coupler with a coupling tuner for an RF acceleration cavity[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2006, 564(1): 74-80. [8] De Jong M S, Adams F P, Burton R J, et al. Design of a tuner and adjustable RF coupler for a CW 2856 MHz RF cavity[C]//Proceedings of International Conference on Particle Accelerators. 1993: 829-831. [9] Qian Houjun, Tang Chuanxiang, Zheng Shuxin, et al. Analysis and experiments of a waveguide post’s influence on photocathode RF gun[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2008, 597(2/3): 121-125. [10] Hu Tongning, Pei Yuanji, Feng Guoyao. Electron beamline of a Linac-based injector applied to a compact free electron laser-terahertz radiation source[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2018, 57: 100310. doi: 10.7567/JJAP.57.100310 [11] Li Ji, Pei Yuanji, Hu Tongning, et al. Design of an electron gun for terahertz radiation source[J]. Chinese Physics C, 2014, 38: 047004. doi: 10.1088/1674-1137/38/4/047004 [12] Tang Zhenxing. Research on related technologies of high power compact THz source electron beam device based on FEL[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2015. [13] Wangler T P. RF linear accelerators[M]. 2nd ed. New York: Wiley-VCH, 2008: 213. [14] Altam D. Microwave circuits[M]. Princeton: Van Nostrand, 1964: 135. [15] Liang Yajuan, Hu Tongning, Tan Ping, et al. Coupler simulation and test of an independently tunable RF gun[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2017, 29: 113002. -
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 839
- HTML全文浏览量: 338
- PDF下载量: 45
- 被引次数: 0
