張志剛 趙玉彬 徐 凱 鄭 湘 常 強(qiáng) 趙申杰 馬震宇 蔣鴻儒楊文峰 黃雪芳 王 巖 是 晶 侯洪濤

（中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院 上海 201204）

束流壽命是同步輻射光源的最重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一，其中托歇克散射是影響束流壽命的主要因數(shù)［1?2］。隨著上海光源越來越多插入件的安裝和調(diào)試使用，提高束流壽命將成為一個(gè)重大挑戰(zhàn)。在二期升級(jí)建設(shè)中，上海光源自主研制的超導(dǎo)三次諧波腔已安裝就位并通過束流測(cè)試，達(dá)到拉伸束團(tuán)提高束流壽命的目標(biāo)。

諧波腔的工作模式有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。與主動(dòng)式諧波腔相比，被動(dòng)式諧波腔具有以下特點(diǎn)：1）無需高頻功率源提供功率，環(huán)路控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，諧波腔在正常工作時(shí)，束團(tuán)相對(duì)感應(yīng)電壓的相位基本不變，束團(tuán)拉伸只通過調(diào)節(jié)調(diào)諧器；2）對(duì)于固定流強(qiáng)條件下，感應(yīng)腔壓的相位和幅度關(guān)系固定，無法同時(shí)滿足幅度和相位皆處于最佳拉伸狀態(tài)，故總的拉伸效果低于主動(dòng)式諧波腔；3）因依賴束流流強(qiáng)建立腔壓，低流強(qiáng)條件下應(yīng)用受限。由于被動(dòng)式諧波腔不需要高頻功率源提供功率，故在工程實(shí)施和成本預(yù)算方面具有較大優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)的主流皆采用被動(dòng)式諧波腔。如國(guó)際上瑞士的SLS（Swiss Light Source）［3?4］與意大利的Elettra［4］的超導(dǎo)三次諧波腔，美國(guó)的APS-U（Advanced Photon Source Upgrade）［5］和NSLS-II（National Synchrotron Light Source II）［6?7］的超導(dǎo)四次諧波腔，國(guó)內(nèi)合肥光源的常溫四次諧波腔。其中，SLS和合肥光源的諧波腔的控制均采用的系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)，合肥光源的控制器通過調(diào)節(jié)慢速電機(jī)使諧波腔腔壓的穩(wěn)定在（40±0.5）kV范圍［6］。

上海光源二期高頻系統(tǒng)（如圖1）包含超導(dǎo)三次諧波腔、低電平控制器、信號(hào)監(jiān)測(cè)和聯(lián)鎖控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等，各設(shè)備的簡(jiǎn)要功能作用介紹如表1。

表1 上海光源高頻二期設(shè)備功能簡(jiǎn)介Table 1 Equipment function of SSRF phase II

圖1 上海光源二期高頻系統(tǒng)框圖LLRF—低電平控制器，F(xiàn)eedback—感應(yīng)耦合的腔壓信號(hào)，Beam—束流位置探測(cè)信號(hào)Fig.1 Block diagram of RF system at the phase II of SSRF LLRF—Low level radio frequency,Feedback—Coupling voltage,Beam—Beam position monitor

1 諧波腔模型及腔壓

諧振腔可等效為圖2所示的并行諧振電路模型，Rs是諧振腔的分路阻抗，Ib是平均電子束流的鏡像電流，C和L分別為諧振腔的等效電容和電感［8?10］。

圖2 諧振腔的網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Model of electrical model of resonance cavity

諧振腔的諧振角頻率可以被表示為：

諧振腔的阻抗可以被表示為：

ωrf是儲(chǔ)存環(huán)的高頻角頻率，根據(jù)等效的電路模型，束流經(jīng)過諧振腔所感應(yīng)的電壓為［2，10?13］：

在頻率為nω的諧振腔中感應(yīng)的電壓為：

上海光源主高頻有3臺(tái)500 MHz的超導(dǎo)腔，在三次諧波腔投入運(yùn)行后，束團(tuán)感應(yīng)的加速電場(chǎng)是主高頻腔壓和諧波腔腔壓之和。束團(tuán)在前進(jìn)時(shí)受到諧波腔壓調(diào)制，實(shí)際長(zhǎng)度隨之改變，從而達(dá)到拉伸的目的，其總腔壓可表示為：

式中：Vrf是主高頻系統(tǒng)的峰值電壓；ωrf是儲(chǔ)存環(huán)的高頻頻率；?s是同步相位角；ψh是相對(duì)諧波相位；n是諧波數(shù)。

上海光源三次諧波腔參數(shù)如表2所示［2，14?15］，圖3為高頻腔模擬計(jì)算值。

表2 上海光源三次諧波腔參數(shù)Table 2 Parameters of SSRF harmonic cavity

圖3 高頻腔壓模擬計(jì)算結(jié)果Fig.3 Simulation result of the voltage of the RF system

2 控制原理

超導(dǎo)三次諧波腔的低電平控制器的控制目標(biāo)是通過慢速步進(jìn)電機(jī)和快速壓電陶瓷（piezo）的協(xié)調(diào)控制手段，將諧波腔的腔壓幅度穩(wěn)定在±1%，由于上海光源的諧波腔工作于被動(dòng)模式，唯一可調(diào)的參數(shù)只有失諧角。

上海光源三次諧波腔低電平控制器原理圖如圖4所示，入射信號(hào)包括參考信號(hào)、諧波腔感應(yīng)腔壓信號(hào)以及束流位置探測(cè)器（Beam Position Monitor，BPM）感應(yīng)信號(hào)三路射頻信號(hào)。束流位置探測(cè)器感應(yīng)信號(hào)實(shí)時(shí)反饋流強(qiáng)信息；諧波腔感應(yīng)腔壓信號(hào)實(shí)時(shí)追蹤諧波腔腔壓信息；以諧波腔的參考信號(hào)為基準(zhǔn)，以感應(yīng)腔壓信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值作為失諧方向的判據(jù)。為了與上海光源儲(chǔ)存環(huán)高頻的低電平控制器兼容，采用的中頻信號(hào)頻率為31.25 MHz。

圖4 上海光源三次諧波腔低電平控制器原理圖Fig.4 Schematic diagram of the LLRF controller in 3rd harmonic cavity at SSRF

三次諧波腔低電平的控制模式分為自動(dòng)閉環(huán)和人為干預(yù)閉環(huán)兩種工作機(jī)制。其中，在自動(dòng)閉環(huán)機(jī)制下，當(dāng)流強(qiáng)大于設(shè)定閾值，環(huán)路自動(dòng)閉環(huán)；在人為干預(yù)閉環(huán)機(jī)制下，可通過調(diào)節(jié)慢速電機(jī)的位置和piezo電壓值使諧波腔處于拉伸狀態(tài)。

傳統(tǒng)的調(diào)諧方式一般都是單獨(dú)采用慢速調(diào)諧和人為干預(yù)閉環(huán)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)腔壓的穩(wěn)定，無法實(shí)現(xiàn)腔壓的高穩(wěn)定性和智能化操作。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了慢速步進(jìn)電機(jī)和快速壓電陶瓷協(xié)同控制的策略，達(dá)到腔壓控制的穩(wěn)定性要求。接下來將對(duì)束流信號(hào)處理、piezo電壓與位移的關(guān)系和控制算法進(jìn)行介紹。

2.1 束流信號(hào)處理及測(cè)量

加速器束流位置測(cè)量系統(tǒng)常用的信號(hào)處理方法有差比法、對(duì)數(shù)比、幅相轉(zhuǎn)換、幅時(shí)轉(zhuǎn)換等方法［16?17］。綜合考慮束流運(yùn)行參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和束流動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，在三次諧波腔的控制中，采用了對(duì)數(shù)比的信號(hào)處理方法，具體流程如圖5所示，包含對(duì)數(shù)檢波器（Detector）、低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）、信號(hào)放大器（Amplifier）、模擬數(shù)字采集模塊（SDAC）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）等器件；束流信號(hào)經(jīng)圖5處理后在不同流強(qiáng)得到的數(shù)據(jù)如圖6，R2為0.9943，具有較好的線性，為§2.3中閉環(huán)控制中流強(qiáng)閾值設(shè)置做參考。

圖5 束流信號(hào)測(cè)量流程框圖Fig.5 Flow chart of the measurement beam sign

圖6 束流信號(hào)經(jīng)檢波、濾波和放大后采集的數(shù)據(jù)Fig.6 Data collected after detecting、filtering and amplification

2.2 Piezo性能介紹和電壓位移關(guān)系

壓電陶瓷（piezo）是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，具有壓電性、介電性、彈性等特質(zhì)，兼具分辨率高、響應(yīng)快、功耗小、高動(dòng)態(tài)和最大可實(shí)現(xiàn)毫米的運(yùn)動(dòng)范圍的優(yōu)點(diǎn)［2］，同時(shí)封裝陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高，便于安裝固定，可承受軸向拉力，抗干擾強(qiáng)，穩(wěn)定性高和保護(hù)陶瓷等特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用的是機(jī)械封裝壓電陶瓷。

壓電陶瓷自身的結(jié)構(gòu)特性對(duì)超導(dǎo)腔的調(diào)諧性能產(chǎn)生直接影響，尤其是固有特性中的遲滯特性與非線性。在工作電壓范圍內(nèi)，壓電陶瓷升壓曲線和降壓曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試如圖7不是重合的，在控制器中，系統(tǒng)下一時(shí)刻的輸出不僅取決于當(dāng)前時(shí)刻的輸入和輸出，還取決于其處于升壓過程還是降壓過程，且上升曲線和下降曲線之間沒有對(duì)稱軸，以上這些特性，對(duì)控制算法提出更高的要求，壓電陶瓷的遲滯一般在設(shè)定電壓對(duì)應(yīng)位移值得的10%~15%［18］。

圖7 Piezo電壓(0~1 000 V)與位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試（升壓和降壓曲線）Fig.7 Experimental data of piezo voltage and displacement(increase or decrease)

2.3 控制算法

三次諧波腔頻調(diào)環(huán)路控制原理框圖如圖8所示。以諧波腔的參考信號(hào)為基準(zhǔn)，以感應(yīng)腔壓信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值作為慢速調(diào)諧電機(jī)和快調(diào)諧piezo的控制輸入，考慮控制功能的獨(dú)立性與安全性，將慢調(diào)諧電機(jī)的控制環(huán)路和快調(diào)諧piezo的控制環(huán)路獨(dú)立設(shè)計(jì)。

圖8 頻調(diào)控制方案簡(jiǎn)圖Fig.8 Brief schematic of the controller in tuner

慢調(diào)諧電機(jī)和快調(diào)諧piezo都有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種模式。在開環(huán)模式下，慢調(diào)諧電機(jī)是通過人機(jī)交互界面手動(dòng)控制慢調(diào)諧電機(jī)的使能和方向，通過位移傳感器信號(hào)或?qū)崟r(shí)諧波腔腔壓反饋來決定電機(jī)是否需要繼續(xù)動(dòng)作；快調(diào)諧piezo的控制采用人機(jī)交互界面手動(dòng)設(shè)置piezo驅(qū)動(dòng)電壓，并通過實(shí)時(shí)諧波腔腔壓反饋來人為決定是否需要繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)piezo驅(qū)動(dòng)電壓。

在閉環(huán)模式下，頻調(diào)環(huán)路采用電機(jī)慢調(diào)諧和Piezo快調(diào)諧協(xié)同控制策略，電機(jī)負(fù)責(zé)大范圍的粗調(diào)諧，而piezo負(fù)責(zé)細(xì)調(diào)諧，兩者的運(yùn)行閾值關(guān)系如圖9所示。為保證閉環(huán)控制的安全性，設(shè)計(jì)有感應(yīng)腔壓閾值，即當(dāng)感應(yīng)腔壓幅值大于設(shè)置閾值時(shí)，閉環(huán)有效，反之無效。

慢調(diào)諧的閉環(huán)模式控制：為了減少步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作頻度和延長(zhǎng)使用壽命，采用二級(jí)閾值控制，具體如圖9所示。△Amp表示諧波腔頻率的活動(dòng)范圍，±Th2表示諧波腔頻率控制環(huán)路啟動(dòng)馬達(dá)閾值設(shè)置，±Th1表示諧波腔頻率控制環(huán)路馬達(dá)停止閾值，諧波腔慢調(diào)諧閉環(huán)頻率差值與電機(jī)動(dòng)作解析如表3所示。

圖9 慢調(diào)諧和Piezo快調(diào)諧閾值關(guān)系圖Fig.9 Tuning thresholds related to the status of motor(slow tuning)and piezo(fast tuning)

表3 慢調(diào)諧閉環(huán)頻率差值與電機(jī)動(dòng)作解析Table 3 Analysis the relation between the difference of frequency and status of motor in close loop

Piezo快調(diào)諧的閉環(huán)模式控制：在閉環(huán)控制時(shí)，piezo始終處于調(diào)諧狀態(tài)，±Th3表示諧波腔頻率在此范圍內(nèi)piezo工作電壓不改變，考慮piezo工作的安全性和實(shí)際工作電壓需求，其工作電壓必須≥0，故在設(shè)計(jì)時(shí)，可設(shè)置piezo最小輸出電壓（≥0）和最大輸出電壓。

2.4 Quench邏輯設(shè)計(jì)及測(cè)試

因三次諧波腔為被動(dòng)腔，沒有功率源提供入射信號(hào)，只能采用參考信號(hào)與感應(yīng)腔壓信號(hào)來設(shè)計(jì)quench聯(lián)鎖條件，當(dāng)前項(xiàng)目使用的聯(lián)鎖觸發(fā)條件如下：當(dāng)探測(cè)到的腔壓與設(shè)定值的絕對(duì)值大于設(shè)定的閾值時(shí)，超導(dǎo)腔處于失超狀態(tài)，激活并輸出quench聯(lián)鎖信號(hào)，對(duì)諧波腔工作環(huán)境異常判斷進(jìn)而通過主高頻作出對(duì)應(yīng)響應(yīng)保護(hù)諧波腔，判定流程如圖10所示。為便于故障追查，聯(lián)鎖信號(hào)增加鎖存功能（圖10中的quench_latchout）。

圖10 Quench判定流程圖Fig10 Chart of the judgement on quench

在工程應(yīng)用，quench保護(hù)響應(yīng)慢會(huì)對(duì)諧波腔的安全運(yùn)行帶來隱患，故對(duì)quench判定時(shí)延較為關(guān)注，通過軟硬件設(shè)計(jì)及開發(fā)，失超探測(cè)功能通過聯(lián)調(diào)，經(jīng)測(cè)試（如圖11所示），低電平探測(cè)判定quench聯(lián)鎖信號(hào)傳給諧波腔的PLC時(shí)延約為16 μs，諧波腔的PLC接收到quench信號(hào)，然后再反饋給主高頻的發(fā)射機(jī)的時(shí)延約為62 μs，主高頻的發(fā)射機(jī)接收到quench聯(lián)鎖信號(hào)并做出響應(yīng)的時(shí)延約為100 μs，即當(dāng)?shù)碗娖娇刂破鞅O(jiān)測(cè)判斷quench聯(lián)鎖信號(hào)到主高頻對(duì)此信號(hào)做出響應(yīng)時(shí)間在200 μs以內(nèi)，滿足使用需求。

圖11 Quench延遲實(shí)測(cè)（Quench觸發(fā)、PLC接收到Quench信號(hào)、發(fā)射機(jī)接收到Quench信號(hào)）（彩圖見網(wǎng)絡(luò)版）Fig11 Delayed measurement of quench signal(Quench trigger,Quench to PLC,Quench to klystron in main RF system)(Color online)

3 束流穩(wěn)定性測(cè)試和束流壽命改善測(cè)試

當(dāng)束流在120 mA top-up工作模式下，諧波腔正常工作時(shí)幅值穩(wěn)定度由開環(huán)的±5%（圖12（a））提高到閉環(huán)的±1%（圖12（b））以內(nèi)，如圖12所示，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，將數(shù)據(jù)列出來如表4。在閉環(huán)工作模式下，piezo電壓波動(dòng)范圍在120 V范圍以內(nèi)，無陡升陡降，如圖13所示，既提升了piezo的使用壽命，又得到了輸出電壓平滑穩(wěn)定的效果。

表4 諧波腔幅度穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of amplitude stability in SSRF harmonic cavity

圖12 腔壓幅度穩(wěn)定性比較(a)開環(huán)≤±5%，(b)閉環(huán)≤±1%Fig.12 Amplitude stability comparison of cavity voltage(a)Open loop within±5%,(b)Close loop within±1%

圖13 Piezo電壓輸出Fig.13 Output voltage of piezo

在主高頻提供的總腔壓為4.5 MV的情形下，束流強(qiáng)度為200 mA時(shí)，諧波腔未工作時(shí)束流壽命為5.27 h，諧波腔工作時(shí)束流壽命能達(dá)到11.7 h，如圖14所示，束流壽命得到極大改善，同時(shí)束團(tuán)長(zhǎng)度從55 ps拉伸到116 ps。

圖14 束流壽命改善測(cè)試(a)未拉伸，(b)拉伸Fig.14 Improvement of beam life(a)Not stretched,(b)Stretched

4 結(jié)語

本文描述了上海光源被動(dòng)式超導(dǎo)三次諧波腔的數(shù)字化低電平控制器的研制，解決了慢速電機(jī)和快速piezo協(xié)同控制的策略。經(jīng)在線測(cè)試，在超過

120 mA正常工作狀態(tài)下，諧波腔感應(yīng)腔壓的幅度穩(wěn)定度由開環(huán)控制的±5%提高到閉環(huán)控制的±1%以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，piezo電壓波動(dòng)范圍在120 V范圍以內(nèi)，達(dá)到輸出電壓平滑穩(wěn)定的效果，同時(shí)quench延遲在200 μs以內(nèi)，滿足使用需求。在流強(qiáng)為200 mA和儲(chǔ)存環(huán)高頻提供的同等腔壓條件下，諧波腔處于工作狀態(tài)時(shí)束流壽命提高1倍以上。

作者貢獻(xiàn)聲明張志剛：負(fù)責(zé)控制器的硬件板卡的設(shè)計(jì)、搭建、測(cè)試、軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試、桌面測(cè)試、在線聯(lián)調(diào)、數(shù)據(jù)收集整理、文章的起草和最終版本的修訂；趙玉彬：負(fù)責(zé)控制器的硬件板卡的設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、控制邏輯合理性建議、項(xiàng)目的監(jiān)督和管理；徐凱：負(fù)責(zé)基于LinX上層軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)收集；鄭湘：負(fù)責(zé)硬件板卡的設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)合理性建議；常強(qiáng)：負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理性判斷；趙申杰：負(fù)責(zé)聯(lián)鎖判斷和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理性判斷；馬震宇：負(fù)責(zé)步進(jìn)馬達(dá)離線測(cè)試；蔣鴻儒：負(fù)責(zé)基于LinX上層軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)收集；楊文峰：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集整理；黃雪芳：負(fù)責(zé)基于LinX上層軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)收集；王巖：負(fù)責(zé)步進(jìn)馬達(dá)和Piezo性能離線測(cè)試；是晶：負(fù)責(zé)系統(tǒng)在線調(diào)試和數(shù)據(jù)收集；侯洪濤：負(fù)責(zé)項(xiàng)目的監(jiān)督和管理、系統(tǒng)在線調(diào)試和數(shù)據(jù)收集。