基于IOT放大器的微波功率源在超導(dǎo)直線加速器上的應(yīng)用

和天慧，羅 星，勞成龍，周 奎，單李軍

(中國(guó)工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

太赫茲(THz)輻射通常是指頻率范圍在0.1～10 THz的電磁輻射，其波段位于微波和紅外光之間。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大功率的太赫茲源顯示出越來(lái)越重要的作用?；谧杂呻娮蛹す?FEL)的太赫茲源是目前世界上輸出功率最大的太赫茲源，能產(chǎn)生平均功率幾百瓦、峰值功率幾兆瓦的太赫茲輻射，同時(shí)還具有大范圍內(nèi)波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、光束品質(zhì)好、光脈沖寬度精細(xì)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)工程物理研究院太赫茲自由電子激光裝置(CTFEL)是中國(guó)首臺(tái)諧振腔型太赫茲自由電子激光裝置[1]。

CTFEL的射頻超導(dǎo)直線加速器[2]需由高平均功率和高穩(wěn)定度的微波功率源驅(qū)動(dòng)。加速腔的加速梯度設(shè)計(jì)值為8～10 MV/m，平均電子束電流為1～5 mA。加速場(chǎng)的幅值穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度要求分別好于0.3%和0.3°。這需要微波功率源輸出至少25 kW的連續(xù)波功率，幅值穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度分別好于0.3%和0.3°。相比于傳統(tǒng)的速調(diào)管微波功率源，基于感應(yīng)輸出管(IOT)的微波功率源不需龐大的變壓器油箱，體積小、重量輕、安裝方便。CTFEL采用了兩套L波段25 kW IOT微波功率源驅(qū)動(dòng)超導(dǎo)直線加速器的兩個(gè)4-cell超導(dǎo)加速腔。本文對(duì)用于CTFEL的基于IOT的微波功率源進(jìn)行調(diào)試，并對(duì)4-cell超導(dǎo)加速腔的性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 微波功率源

1.1 IOT工作原理

IOT是將靜電控制管和速調(diào)管相互結(jié)合而成的一種密度調(diào)制微波管，由Haeff[3]首先提出。IOT主要由輸入腔、輸出腔、陰極、柵極和收集極構(gòu)成[4-7]。

IOT工作時(shí)，1.3 GHz的射頻信號(hào)被加載到輸入腔，在陰極與柵極間的間隙產(chǎn)生射頻場(chǎng)，控制陰極的電子發(fā)射，對(duì)電子束進(jìn)行密度調(diào)制。調(diào)制后的電子束經(jīng)柵極偏壓聚束后通過(guò)柵格，進(jìn)入柵極與收集極之間的漂移空間，并被加載在柵極和收集極之間的束高壓加速。加速中的電子束通過(guò)輸出腔處的耦合機(jī)構(gòu)時(shí)，在輸出腔中感應(yīng)出射頻場(chǎng)，電子束與射頻場(chǎng)相互作用使得射頻場(chǎng)獲得放大，放大后的大功率微波經(jīng)輸出傳輸線輸出。能量降低后速度降低的電子束由收集極回收。IOT原理如圖1所示。

圖1 IOT原理Fig.1 Schematic of IOT

1.2 微波功率源結(jié)構(gòu)

微波功率源主要由1套高壓直流(HV-DC)電源、1個(gè)固態(tài)微波功率放大器(SSPA)、1個(gè)IOT和1個(gè)主控制器構(gòu)成，可分別工作在連續(xù)波(CW)和脈沖模式。高壓直流電源用于提供IOT所需的束高壓。SSPA由低電平控制系統(tǒng)(LLRF)提供的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并輸出微波激勵(lì)信號(hào)給IOT。IOT將SSPA輸入的微波激勵(lì)信號(hào)放大后輸出大功率微波，并經(jīng)WR650波導(dǎo)輸出到超導(dǎo)直線加速器。主控制器通過(guò)外接計(jì)算機(jī)監(jiān)控微波功率源運(yùn)行。微波功率源的其他部件包括離子泵電源、燈絲電源、柵極電源、聚焦磁場(chǎng)電源、風(fēng)冷水冷、光弧探頭等。微波功率源結(jié)構(gòu)如圖2所示。

微波功率源的監(jiān)控操作由外接計(jì)算機(jī)客戶端進(jìn)行。客戶端可控制微波功率源分別進(jìn)入待機(jī)、預(yù)熱和微波輸出3種狀態(tài)。待機(jī)狀態(tài)是微波功率源開(kāi)機(jī)后自動(dòng)進(jìn)入的狀態(tài)。預(yù)熱狀態(tài)是微波功率源開(kāi)機(jī)的中間過(guò)程，完成對(duì)IOT的預(yù)熱。微波輸出狀態(tài)是微波功率源可輸出大功率微波的狀態(tài)。微波輸出狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有微波輸入信號(hào)時(shí)微波功率源會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)回待機(jī)狀態(tài)。各狀態(tài)可在客戶端操作下依次進(jìn)入或返回。微波功率源技術(shù)參數(shù)列于表1。

圖2 微波功率源結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of microwave power source

表1 微波功率源技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameter of microwave power source

1.3 微波功率源系統(tǒng)

CTFEL的微波功率源系統(tǒng)由兩套微波功率源、兩套微波傳輸系統(tǒng)、1套水冷系統(tǒng)和1套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。微波傳輸系統(tǒng)主要由波導(dǎo)、定向耦合器及軟波導(dǎo)構(gòu)成。兩套微波功率源通過(guò)兩個(gè)微波功率耦合器分別與超導(dǎo)直線加速器的兩個(gè)4-cell超導(dǎo)加速腔連接。

微波功率源輸出的高功率微波經(jīng)微波傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)轿⒉üβ蜀詈掀?，通過(guò)微波功率耦合器耦合到兩個(gè)4-cell超導(dǎo)加速腔。定向耦合器用于監(jiān)測(cè)微波前進(jìn)及反射功率。圖3示出微波功率源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 微波功率源實(shí)驗(yàn)

2.1 微波功率源調(diào)試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

微波功率源安裝完成后進(jìn)行了大功率調(diào)試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示。微波功率源由信號(hào)源產(chǎn)生的微波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，微波功率源輸出的大功率微波通過(guò)波導(dǎo)和定向耦合器后由大功率水負(fù)載吸收。定向耦合器提取微波信號(hào)輸入功率計(jì)測(cè)量微波功率。信號(hào)源產(chǎn)生的微波信號(hào)經(jīng)移相器移相后輸出到IQ調(diào)制器LO端，定向耦合器提取信號(hào)輸出到IQ調(diào)制器RF端，IQ調(diào)制器輸出I、Q信號(hào)到數(shù)字示波器中測(cè)量幅值穩(wěn)定度、相位穩(wěn)定度和功率穩(wěn)定度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微波功率源工作狀態(tài)達(dá)到預(yù)期要求。兩套微波功率源(SN001，SN002)輸出的連續(xù)波功率在頻率為1 300 MHz時(shí)均達(dá)到30 kW，其幅值穩(wěn)定度、相位穩(wěn)定度和功率穩(wěn)定度在輸出連續(xù)波25 kW的狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果列于表2。

圖3 微波功率源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of microwave power source system

圖4 微波功率源測(cè)試原理圖Fig.4 Schematic diagram of microwave power source test

表2 微波功率源測(cè)試結(jié)果Table 2 Test result of microwave power source

2.2 功率耦合器老煉實(shí)驗(yàn)

微波功率源調(diào)試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，開(kāi)展了功率耦合器老煉實(shí)驗(yàn)。老煉實(shí)驗(yàn)在老煉平臺(tái)上進(jìn)行，兩支功率耦合器的加速腔耦合端連接老煉平臺(tái)，一個(gè)波導(dǎo)端通過(guò)波導(dǎo)、定向耦合器連接微波功率源，另一個(gè)波導(dǎo)端連接水負(fù)載。功率耦合器通過(guò)外接水冷、氣冷、液氮冷卻系統(tǒng)和真空系統(tǒng)來(lái)帶走老煉過(guò)程中承受大功率微波通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的熱量和由此釋放的氣體。老煉平臺(tái)控制系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)功率耦合器狀態(tài)，并在狀態(tài)異常時(shí)切斷微波功率源輸入功率。功率耦合器老煉平臺(tái)如圖5所示。

圖5 功率耦合器老煉平臺(tái)Fig.5 Conditioning platform of power coupler

為逐步提高功率耦合器承受大功率微波通過(guò)的性能，實(shí)驗(yàn)先對(duì)功率耦合器進(jìn)行了脈沖功率老煉，之后進(jìn)行了連續(xù)波功率老煉。

脈沖功率老煉先進(jìn)行行波模式后再進(jìn)行駐波模式。行波模式下大功率微波通過(guò)功率耦合器及老煉平臺(tái)后被水負(fù)載吸收。駐波模式脈沖功率老煉通過(guò)將水負(fù)載更換為1個(gè)可調(diào)短路面波導(dǎo)來(lái)進(jìn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)短路面位置，微波脈沖在功率耦合器和老煉平臺(tái)內(nèi)形成駐波場(chǎng)，達(dá)到功率耦合器承受微波功率翻倍的效果。由于大功率微波在短路面處全反射回微波功率源，微波功率源經(jīng)常因反射回的微波功率過(guò)大而跳停。在不損壞微波功率源的前提下，駐波模式脈沖(10 Hz，10 ms)功率老煉完成后，功率耦合器可承受20 kW的脈沖功率。

連續(xù)波功率老煉完成后，功率耦合器可承受30 kW的連續(xù)波功率，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.3 超導(dǎo)直線加速器實(shí)驗(yàn)

超導(dǎo)直線加速器、功率耦合器、微波功率源系統(tǒng)及低電平控制系統(tǒng)完成聯(lián)調(diào)后，開(kāi)展了4 K溫度下的超導(dǎo)加速器加速梯度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，并于之后完成了2 K溫度下的加載電子束實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，微波功率源系統(tǒng)輸出大功率微波經(jīng)功率耦合器耦合到超導(dǎo)加速腔中，超導(dǎo)腔提取信號(hào)輸出到低電平控制系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)源輸入的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)微波功率源輸出大功率微波，形成閉環(huán)。通過(guò)低電平控制系統(tǒng)的反饋控制，可有效提高超導(dǎo)腔內(nèi)加速場(chǎng)的幅值與相位的穩(wěn)定度。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得兩個(gè)超導(dǎo)加速腔的有效加速梯度分別為10.07 MV/m和10.05 MV/m，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)10 MV/m。測(cè)得加速場(chǎng)的幅值穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度最大值分別為0.04%和0.08°，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)0.3%和0.3°。在超導(dǎo)直線加速器加載電子束實(shí)驗(yàn)中，5 mA的電子束被加速到了8 MeV，且能散低于0.3%，滿足了裝置的要求。加速場(chǎng)微波波形如圖6所示。在隨后進(jìn)行的CTFEL聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)中，于2017年8月29日獲得首次飽和出光。之后CTFEL運(yùn)行穩(wěn)定，并進(jìn)行了一系列用戶實(shí)驗(yàn)。

3 微波功率源問(wèn)題及討論

微波功率源在調(diào)試及后期的運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，有些問(wèn)題得到解決，有些則需要討論。

在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了水冷和風(fēng)冷流量不足導(dǎo)致微波功率源報(bào)警且無(wú)法正常工作的問(wèn)題。故障原因在于流量計(jì)，水冷流量計(jì)測(cè)量結(jié)果小于實(shí)際值，風(fēng)冷流量計(jì)位置偏移導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小，通過(guò)在計(jì)算機(jī)客戶端修改主控制器流量報(bào)警下限及調(diào)整風(fēng)冷流量計(jì)位置，微波功率源得以正常工作。

a——空載；b——加載電子束圖6 加速場(chǎng)微波波形Fig.6 Microwave waveform of accelerating field

在后期運(yùn)行過(guò)程中，相繼出現(xiàn)了柵極電源、燈絲電源和高壓直流電源控制器故障。柵極電源和燈絲電源的故障狀態(tài)在計(jì)算機(jī)客戶端有提示，通過(guò)更換電源內(nèi)電路板上的故障集成塊解決了問(wèn)題。高壓直流電源控制器故障在計(jì)算機(jī)客戶端沒(méi)有提示，外在表現(xiàn)為高壓直流電源運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)就會(huì)跳停，需重新加載束高壓。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后確定是高壓直流電源控制器的問(wèn)題，更換控制器內(nèi)電路板上的損壞集成塊后，問(wèn)題解決。還有一些問(wèn)題，雖不影響微波功率源工作，但可能會(huì)影響IOT壽命。

在微波功率源運(yùn)行1 a多后出現(xiàn)了預(yù)熱時(shí)間結(jié)束后燈絲電源電壓未升到設(shè)定值，微波功率源跳轉(zhuǎn)回待機(jī)狀態(tài)的故障現(xiàn)象，通過(guò)重新設(shè)置主控制器，增加預(yù)熱時(shí)間的辦法解決了問(wèn)題。經(jīng)討論后估計(jì)可能是燈絲老化，電阻發(fā)生變化的原因。

后來(lái)又出現(xiàn)了柵極電流過(guò)大的問(wèn)題，但不影響微波功率源正常工作。估計(jì)可能是陰極蒸發(fā)的氣體附著在柵格上導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

本文對(duì)用于CTFEL的基于IOT的微波功率源進(jìn)行調(diào)試，其主要參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，超導(dǎo)直線加速器的幅值穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度分別為0.04%和0.08°，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。調(diào)試過(guò)程中更換備用IOT及其他零部件較為方便，IOT微波功率源的操作與控制也相對(duì)簡(jiǎn)單，較傳統(tǒng)的速調(diào)管微波功率源便于使用和維護(hù)。

由于CTFEL上使用的兩套微波功率源是廠家首批次研制成功的產(chǎn)品，不可避免地存在一些瑕疵，解決這些問(wèn)題后，微波功率源工作非常穩(wěn)定，目前已運(yùn)行將近2 000 h。