中國散裂中子源直線加速器高功率自動老煉平臺研制

謝哲新，慕振成，榮林艷，李 健，徐新安，周文中，王 博，萬馬良，劉美飛，王 云，李阿紅，陳衛東，歐陽華甫，張宗花，喬際民

(1.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803；2.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049)

中國散裂中子源(CSNS)是國家“十一五”期間重點建設的大科學裝置[1]。CSNS一期由1臺80 MeV的負氫直線加速器、1臺1.6 GeV的快循環質子同步加速器、兩條束流輸運線、1個靶站和3臺譜儀及相應的配套設施組成[2]。新安裝或因某些原因暴露真空后的加速器腔體，需進行抽真空且經過長時間的老煉才能投入使用。而長時間穩定運行的腔體，有時也會突然出現打火嚴重而無法恢復的現象，也需要進行腔體老煉來改善。加速器腔體老煉時間短則幾周長則幾個月，同時，老煉過程需人工實時監控機器情況，耗時耗力。為此，各加速器機構根據自身情況開展了自動老煉平臺的研制，其實現方法各異，有基于I-Q采樣采集反射功率作為打火判斷依據實現的[3]，有基于真空度作為打火判斷依據實現的[4]，有基于腔體真空度和弧光放電結合作為打火判斷依據實現的[5]。實現的方式也有很多種，有的使用專業高速采集卡[3]，有的使用NI公司的LabView開發環境[4-5]，有的使用PLC[6]等。本文結合CSNS直線加速器的要求，研制一套具有駐波比保護、真空檢測、弧光打火探測、腔體諧振頻率計算和變頻等功能的自動老煉平臺。

1 自動老煉平臺介紹

CSNS直線加速器一期工作在頻率324 MHz、脈寬700 μs、重復頻率25 Hz的射頻脈沖功率下。CSNS直線加速器有8個單元[7]：1個RFQ加速器、2個聚束器、4節DTL物理腔和1個散束器，每個單元配備1個射頻功率源和1個自動老煉平臺。加速器腔體老煉是用微波電場將腔體內部的凹凸瑕疵打平或雜質打掉，同時通過離子泵將老煉放出的氣體抽走的過程。老煉過程經常伴隨著劇烈打火現象，在高強度的微波電場作用下，腔體內表面的凹凸瑕疵、灰塵和有機污染物形成場致發射源，引發場致發射放電。真空條件下，放電產生的自由電子受到高頻場的控制，在裝置內表面之間振蕩，撞擊腔壁表面引起二次電子發射。只要滿足某些閾值條件，裝置中的二次電子密度會雪崩般增長，這種現象稱為倍增打火[3，8]。打火放電會改變器件的阻抗，使器件發熱甚至融化，導致器件結構改變而產生永久性損壞。因此，老煉既需通過打火將腔體內表面打平，也要避免倍增打火的現象，當發現打火時，要求迅速切斷射頻激勵，維持一段時間再恢復激勵，且根據打火情況適當降低功率，避免情況繼續惡化造成永久性傷害，待腔體打火情況改善后再增加功率。

圖1為自動老煉平臺示意圖，整個平臺主要包括駐波比保護組合、自動老煉控制程序、低電平控制系統、弧光打火探測器、功率源及被老煉的腔體等。駐波比保護組合實時監測射頻傳輸路徑上功率的駐波比大小，當駐波比過大時，發出快保護信號，封鎖激勵一定時間后再自動恢復，完成1次快保護工作。同時，駐波比保護組合實時統計單位時間內發生快保護的次數，即打火次數，發給自動老煉控制程序。自動老煉控制程序依據單位時間內打火次數和用戶設置的參數計算出合適的功率幅值發送給低電平系統，低電平系統接收來自自動老煉控制程序發來的功率幅值設置點，同時通過腔體波形計算腔體的諧振頻率并產生變頻信號給功率源放大饋入腔體。PLC實時監控腔體真空狀態，當腔體真空度惡化超過設定閾值時，PLC發送連鎖信號關閉腔體功率源功率，等待人工檢查恢復。弧光打火探測器監測腔體和高功率微波設備的弧光放電情況，從另一種機理給設備提供保護。

圖1 自動老煉平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic conditioning platform

2 實現方法

2.1 駐波比保護組合

駐波比保護組合用于完成加速器微波設備的快保護工作，圖2為CSNS直線射頻速調管功率源系統駐波比保護框架示意圖，在微波功率傳輸鏈路上放置多個定向耦合器獲取正反向功率，檢波器將正反向功率轉換為包絡信號給ADC進行采樣，FPGA獲取采樣數據實時計算駐波比，DSP將功率波形和駐波比發送到交互界面實時顯示。當腔體或其他高功率設備打火時，駐波比會突然變大，若監測到駐波比大于設定門限時系統發出連鎖信號進行快速切激勵，避免造成二次傷害，并等若干個RF脈沖后再重新饋送功率，給腔體一定的時間恢復真空。用駐波比比用反射功率作為打火監測量更合理，因為當負載阻抗不變時，駐波比不隨功率升高而變化，而反射功率隨正向功率升高而變大，用反射功率作為監測量在低功率區和高功率區保護的嚴格程度不一致。駐波比保護電路的ADC采樣時鐘為72 MHz，檢波器的響應時間約為80 ns，包括功率源的延時，實測駐波比保護電路保護時間小于1 μs，遠小于高功率核心設備速調管要求的保護時間10 μs[9]，駐波比保護時間測試結果如圖3所示。文獻[3]中用基于微波信號I-Q解調的實時數據采集方法獲取反射功率波形，該方法將射頻信號下變頻，然后經過數字I-Q解調。單從功率幅值獲取上來講，選用快響應檢波器送到直接ADC采樣，不經過模擬下變頻和解調，能更好地縮短響應時間。

圖2 駐波比保護框架示意圖Fig.2 Schematic diagram of voltage standing wave ratio protection architecture

圖3 駐波比保護時間測試結果Fig.3 Test result of voltage standing wave ratio protection time

圖4為駐波比保護軟件控制界面。由于加速器腔體Q大，每個功率脈沖前沿和后沿反射功率均較大，但這并不是由打火引起的，因此通過設置脈沖保護開始點和保護結束點跳過脈沖前后沿只保護脈沖中間的區域，避免造成假保護。其次，駐波比門限、駐波比開始起作用的功率閾值和永久阻塞次數均可通過界面設置，以適應不同的功率源和加速器腔體。

駐波比電路實時累計單位時間打火次數，發送給自動老煉控制系統，自動老煉控制系統以此來控制功率大小。

圖4 駐波比操作界面Fig.4 Voltage standing wave ratio operation interface

2.2 自動老煉控制程序

自動老煉控制程序以單位時間駐波比超過門限次數作為依據判斷腔體內部打火情況，當打火次數小于升功率閾值則按設定升功率時間和升功率步長逐步升功率，當打火次數超過降功率閾值則按降功率步長迅速降功率，并維持較長的時間，避免腔體繼續打火。當打火情況適中則功率維持，在維持期間，若打火嚴重則繼續執行降功率動作，維持時間結束后若打火次數小于升功率閾值則再進入升功率階段，以此類推循環，一直到功率升到最高為止。閾值、時間、步長均可通過軟件設置。當功率源達到滿功率并維持設定時間后，按照設定降功率時間和步長進行主動降功率，到達最低功率并維持設定時間后，進入升功率階段，達到最高功率維持設定時間后再繼續進行主動降功率，進行反復老煉，確保在不同的功率區間均能老煉到位。

也可選擇到達最高功率點后不主動降功率，停留在高功率區對其進行老煉。同樣地，如果此時出現打火且打火次數超過降功率閾值則按照降功率步長迅速降功率，直到打火次數小于降功率閾值則進入功率維持階段，維持一段時間后再重新升功率，如此反復，最終目標是能穩定工作在最高功率點。這種模式在加速器自動加功率時經常使用，稱為冷腔預熱。此外，在升功率期間，由于高功率區間較易打火，因此升功率步長也隨功率增加而減小，減輕打火的風險。當出現劇烈打火后，降功率并維持較長時間再恢復升功率，給腔體更長時間恢復真空。

自動老煉控制程序采用微軟公司的C#軟件實現。由于自動老煉控制程序中涉及較多邏輯的判斷和跳轉，用軟件實現更簡單，也方便后期改進和維護。在C#程序中嵌入CA Server[10]，將本地控制變量與C#類型EPICS服務器中的變量關聯起來，可實現在加速器內網中跨平臺訪問和控制[11]。數據庫服務器也通過EPICS服務器獲取數據進行儲存。自動老煉控制界面如圖5所示。

圖5 自動老煉控制界面Fig.5 Automatic conditioning control interface

2.3 諧振頻率計算與實時變頻

腔體在加功率期間發生熱形變，腔體諧振頻率也隨之變化[12]，加速器腔體有高Q低損耗的特點，當饋入功率頻率與腔體諧振頻率差別較大時，易導致功率反射，所以饋入功率的頻率和腔體諧振頻率要實時一致。CSNS直線加速器8套腔體中，DTL腔Q最高[13]，入腔功率最大，達到1.3 MW，冷腔和熱腔腔體諧振頻率相差幾十kHz，若不設法使輸入功率和腔體諧振頻率一致，根本無法饋入功率進行老煉。解決此問題一般有兩種方法：1) 使功率源輸出功率頻率隨腔體諧振頻率變化而變化；2) 用調諧器或控制腔體水冷溫度實時調節腔體諧振頻率。調節腔體的諧振頻率需改變物理結構，速度較慢，實現復雜。本文選用第1種方法，利用腔體尾場計算腔體的諧振頻率，將計算所得的腔體諧振頻率給低電平控制系統，通過低電平控制系統輸出與腔體一致的變頻射頻信號給功率放大器放大，最終實現入腔功率的頻率與腔體諧振頻率實時一致，反射最小。

直線功率源工作在脈沖模式下，每個脈沖RF驅動結束后腔場會有自由衰減振蕩的尾場，這個尾場頻率實時反映了腔體的諧振頻率，本文通過I-Q采樣將尾場采集到工控機上進行分析。當尾場頻率不是中心頻率324 MHz時，用I-Q采樣解調出的相位是一隨時間變化的一次函數，如圖6所示，通過計算相位函數的斜率就可得到失諧角頻率[7]。由于腔體熱形變引起諧振頻率變化過程是比較緩慢的，所以計算腔體諧振頻率這部分工作在工控機軟件上完成。

圖6 腔場及I-Q采樣相位示意圖 Fig.6 Cavity waveform and I-Q demodulation phase

變頻實現如圖7所示，在FPGA內部用NCO產生余弦、正弦[14]的頻率調制信號，與低電平控制系統計算的I-Q信號進行混頻，調制好的中頻信號通過DAC輸出，經過上變頻后被功率放大器放大。

圖7 變頻實現示意圖Fig.7 Schematic diagram of frequency conversion

2.4 真空檢測

加速器腔體安裝就位后，需用真空泵抽氣，使真空度維持到1×10-5Pa左右或更低才能饋功率老煉。腔體老煉時，打火期間不斷會有氣體放出，腔體真空會有變化，但由于駐波比保護系統及時切掉功率，盡管真空有一定變化，但是變化不大，且能很快通過離子泵的作用恢復。當打火較劇烈時，自動老煉控制程序會降低入腔功率，進一步降低打火風險，降低離子泵抽氣的工作壓力，使真空盡快得以恢復。若真空度惡化嚴重并大于一定閾值，連鎖系統會關閉功率源功率，進行人工檢查后再恢復。

本系統不像文獻[4-5]用真空度作為自動老煉程序控制變量，是因為本系統中真空度數據的更新速度是幾十ms的量級，不能滿足快保護的要求。

2.5 弧光打火探測器

弧光打火探測器分別接到腔體、腔體陶瓷窗、環形器、環形器負載、速調管輸出窗等位置。老煉期間，腔體打火屬于正常現象，腔體位置的探測器邏輯上是每次打火切斷打火脈沖的功率，下一脈沖恢復功率，只有在監測到連續打火且次數超過設定次數閾值才關閉功率源，而其他位置的弧光打火探測器若發生一次打火則進行停機檢查后再恢復功率。

由于打火探測器檢測面積有限、靈敏度不夠，常常漏檢測，所以本平臺中打火探測器作為一額外的保護措施，并未作為主要打火判斷依據加入到自動老煉平臺控制邏輯中。圖8為自動老煉時相關數據的測量結果。

3 實驗結果

CSNS直線加速器各腔體的老煉是一逐漸展寬脈寬、功率由小及大、循序漸進的過程。RFQ在安裝完成后，經過了多輪的老煉。初期是人工老煉，工作量極大、實時性差，質量也因操作人員技術水平、精神狀態的不同而存在差異，采用自動老煉平臺，大幅降低了工作量，提高了老煉效率。

由圖8可知，當駐波比保護次數增多時，自動老煉程序控制功率源降低入腔幅值，真空度變化不大且迅速恢復到正常水平。另外，駐波比保護電路有時已捕捉到打火信息并開始降功率，但真空度變化很小或無變化，說明在本加速器系統中，打火時監測駐波比更及時準確。

圖8 自動老煉時相關數據的測量結果Fig.8 Measurement result of relevant data during automatic conditioning

目前，CSNS直線加速器8個腔體運行良好，其中RFQ由于在離子源出口處，束流較易散射到腔內引起打火，24 h打火次數幾十次到一兩百次不等。對于25 Hz的工作頻率，這個打火次數僅消耗很短的時間。4個DTL腔體24 h總打火次數一般小于100次。聚束腔、散束腔基本長時間不打火。自動老煉平臺也用于平時機器運行的保護，其中冷腔預熱功能常用于腔體加功率。

4 結論

CSNS直線加速器自動老煉平臺用數字化駐波比保護電路板對打火進行實時快保護，保護時間小于1 μs，滿足對加速器腔體和功率源保護的要求。自動老煉平臺有效減輕腔體劇烈打火情況，提高老煉效率，減少人工干預，減輕工作量。該平臺使用實時變頻算法，使功率源輸出功率頻率與腔體諧振頻率實時一致，不用調節腔體調諧器或水冷，實現簡單，效果明顯。平臺實時監控腔體真空度，保證腔體在真空度正常條件下老煉。用弧光打火探測器作為一輔助手段實現打火保護。

自動老煉平臺中涉及的駐波比保護門限、駐波比次數閾值、快保護后停頓RF脈沖數、升降功率步長和時間、高低功率維持時間等參數可根據不同腔體的需求在軟件界面直接修改，靈活性強。各功率監測點的波形均上傳到工控機顯示，便于查看和診斷問題。自動老煉平臺的研制和使用，為直線加速器腔體的穩定運行提供了有力的保障。