CN106102299A - 一种双驱动四谐振腔体的高频d电路 - Google Patents

一种双驱动四谐振腔体的高频d电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，该电路包含三个组成部分：双高频发射机系统，四高频谐振腔体系统和单低电平系统。其中，两台100kW高频发射机驱动两组腔体I和R；每组高频腔包含两个在中心区通过导体互连的双加速间隙谐振D盒；低电平系统包括腔体调谐环路，I腔体电压幅度控制环路，R腔体电压平衡环路，远程控制电路和微调电容控制环路。这种双驱动四谐振腔体的D电路，可以提高医用超导回旋加速器的高频系统的加速相位精准度，能有效的避免两组腔体互耦电容带来的上、下频混淆问题，更易于稳定两组腔体加速电压和谐振频率，可有效提升高频系统加速离子的可靠性。

Description

一种双驱动四谐振腔体的高频D电路
技术领域
本发明属于医用超导回旋加速器高频系统的总体设计，具体涉及一种双驱动四谐振腔体的高频D电路。
背景技术
回旋加速器是一种利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经过高频交变电场反复加速以提高粒子能量的装置，其基本组成包括磁铁系统，高频系统和真空系统等。高频系统的作用是为被加速离子提供能量增益。超导回旋加速器是近十年来医用加速器领域的研究热点，它使用超导线圈产生磁场，因此磁铁系统的体积比常温回旋加速器小，整个加速器结构紧凑。医用超导回旋加速器一般包含有多个高频腔。这些加速结构产生电压的幅度、相位一致性是加速器的重要指标，失配将引起束流丢失。对于医用超导回旋加速器而言，如何在紧凑的空间约束条件下，设计高功效的D电路，并满足加速电场在幅度、相位方面的精准要求，是该高频系统的设计难题之一。进一步的，一个好的高频系统D电路驱动方式，在能提高加速电压的精准度的同时，还应有利于加速器的运行稳定。
目前，世界范围内已建成的医用超导回旋加速器的高频系统设计方案，均为单高频发射机驱动多个腔体，这种方案的典型实例如图1所示。其特点是：四个腔体分为两组，其中一组腔体头部通过导体硬连接，作为主腔体；两个副腔体没有连接，仅通过分布电容耦合到主腔体上，获得功率，建立D电压。该驱动方式，两个副腔体的高频功率来自于主腔体。为保证两个副腔体的电压一致，需要设立电压平衡环路，通过调节副腔体的调谐电感，控制副腔体的电压分布，完成副腔体的电压幅度控制。
这种方式的直接局限性有二：①D电压幅度平衡时，无法保证加速相位。②无法确保系统工作于所需要的下频率。除这两点外，采用这种连接方式，功率耦合依靠中心区的分布电容，耦合度和功率传输难以控制，严重依赖于实际机械加工工艺和安装工艺，增加了高频系统的调试难度。更进一步的，该方案通过滑动短路端来控制副腔体的电压分布，调谐电感上通过的电流密度高，滑动机构制造工艺难。最后，该方案中，一旦某个腔体发生高压击穿打火等异常，四个腔体均受影响，载束可靠性低。
发明内容
本发明的目的在于针对目前医用超导回旋加速器高频系统的缺点，提出一种双高频发射机驱动四谐振腔体的D电路。使用本发明的D电路，能够有效的解决两组腔体间分布电容带来的相位非理想问题，有效的分离了两组腔体加速电压幅度和相位间的耦合，提高了医用超导回旋加速器加速电磁场的精准度指标。
本发明的技术方案如下：一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述高频D电路包括四个D盒，分为I和R两组，每组D盒包含两个在回旋加速器中心区使用导体硬连接的双加速间隙谐振高频腔体；
采用两台100kW高频发射机分别驱动上述两组高频腔体，每组腔体尾部分别设有一个功率耦合装置，驱动功率峰值相似，相差为180度；
所述高频D电路进一步包括低电平系统，所述系统包括：I腔体电压幅度控制环路，腔体调谐环路，R腔体电压平衡环路，信号控制电路，远程控制电路，微调电容控制环路；所述低电平系统输出两路独立高频信号，分别驱动上述两台高频发射机。
进一步，根据上述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述四个D盒都是螺旋形双加速间隙谐振腔体，几何结构一致，谐振频率和Q值近似。
进一步，根据上述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述四个高频腔体的每个腔体由上半腔和下半腔两个部分构成，上半腔和下半腔各含有一个微调电容，四个腔体共8个微调电容。
进一步，根据上述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述I组腔体的电压幅度由I腔体电压幅度控制环路控制，R组腔体的电压幅度由R腔体电压平衡环路控制；R组腔体的电压幅度与I组腔体的电压幅度成比例且比例可调。
进一步，根据上述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述两路独立高频信号是一个高频信号通过反向2功分器、衰减器和移相器产生的。
进一步，根据上述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述低电平控制系统的腔体调谐环路分为I和R两组，其中，I组腔体调谐环路有两种调谐方式，运行时可任选其一：①基于D电路入、出相位差的方式：使用数字鉴相器鉴别传输线上的定向耦合器正向功率信号和腔体取样信号之间的相位差，依据此相位差控制微调电容对腔体进行调谐；②基于反射功率最小值的方式：使用检波器对传输线上的定向耦合器正向功率信号和反射功率信号进行检波，并根据进行归一化，采用最小值搜索算法控制腔体微调电容，当＝0时，高频腔体调谐，所建立D电压最大。
进一步，根据上述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述低电平控制系统的R腔体电压平衡环路根据I腔体的失谐程度以及I/R腔体组间D电压峰值的比例信息，通过运算得到共模调节量和差模调节量；使用所述共模调节量完成R腔体的调谐，使用所述差模调节量调整R腔体的D电压幅度比例。
进一步，根据上述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述低电平控制系统的四个环路共包含五个处理器，在五个处理器之间使用Modbus总线进行通讯。
进一步，根据上述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述8个微调电容均由步进电机带动机械结构组成的机电系统进行控制，所述机电系统受控于所述微调电容控制环路。
进一步，根据上述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，所述低电平控制系统的I腔体电压幅度控制环路包含信号调制和解调电路，同时包含打火保护，反射保护，连锁保护等设备保护措施。
本发明针对医用超导回旋加速器高频系统D回路的设计问题，提出了一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，具有使用灵活，控制精度高的特点。该技术方案已被我国正在研发的230MeV超导质子回旋加速器所采用；该设计方案还可以推广到具有多个腔体的其它能量级超导回旋高频系统中。
附图说明
图1为现有技术中的医用超导回旋加速器高频系统D回路的电路原理图。
图2为本发明双驱动四谐振腔体的高频D电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图2所示，以230MeV医用超导回旋加速器为例，介绍一种双驱动四谐振腔体的高频D回路设计方案应用情况。
该回旋加速器高频系统共有4个螺旋腔体，分为I和R两组，每组腔体在中心区通过导体进行硬连接，安装在医用超导回旋加速器的磁铁谷区内。两台100kW高频发射机通过6英寸硬馈管和耦合电感馈入高频功率，高频腔体谐振频率72.5MHz。在高频腔体顶部安装有电感耦合器，用来产生低电平系统调谐环路和幅度控制环路的输入信号。每个腔体上下两部分分别含有一个微调电容机构，由步进电机驱动。共计8个微调电容机构。
低电平系统包括：I腔体电压幅度控制环路(1)，腔体调谐环路(2)，R腔体电压平衡环路(3)，信号控制电路(4)，远程控制电路(5)，微调电容控制环路(6)。调谐环路从I腔体拾取一路取样信号，与传输线上的定向耦合器的正向耦合信号进行鉴相，鉴相结果输出到微调电容控制环路，同时调节I腔体和R腔体的微调电容位置，维持系统谐振。I腔体幅度控制环路从腔体拾取取样信号并检波后，与电压设定值进行P.I.D.运算，运算结果控制输出高频信号的幅度，完成腔体电压幅度控制。R腔体电压平衡环路同时采集R腔体和I腔体的电压幅度值，依据二者的电压幅度差调节I腔体和R腔体的微调电容，完成电压平衡的控制。
本发明采用两个高频发射机分别驱动两组腔体，避免使用分布电容传输功率，能够同时调整、并维持加速电压的幅度、相位的准确性，提高了医用超导回旋加速器的加速性能。此外，本发明使用微调电容对腔体谐振频率和电压平衡进行控制，避免在高电流线密度区域使用滑动部件，降低了制造难度，增加了系统运行的可靠性。最后，本发明所提出的方案中，两组腔体在高频锻炼和运行期间，相对独立性比单发射机方案更好，系统有更高的可用性。即，当某一组腔体发生打火异常时，另一组腔体可维持正常工作。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：
所述高频D电路包括四个D盒，分为I和R两组，每组D盒包含两个在回旋加速器中心区使用导体硬连接的双加速间隙谐振高频腔体；
采用两台100kW高频发射机分别驱动上述两组高频腔体，每组腔体尾部分别设有一个功率耦合装置，驱动功率峰值相似，相差为180度；
所述高频D电路进一步包括低电平系统，所述系统包括：I腔体电压幅度控制环路，腔体调谐环路，R腔体电压平衡环路，信号控制电路，远程控制电路，微调电容控制环路；所述低电平系统输出两路独立高频信号，分别驱动上述两台高频发射机。
2.根据权利要求1所述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：所述四个D盒都是螺旋形双加速间隙谐振腔体，几何结构一致，谐振频率和Q值近似。
3.根据权利要求1所述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：所述四个高频腔体的每个腔体由上半腔和下半腔两个部分构成，上半腔和下半腔各含有一个微调电容，四个腔体共8个微调电容。
4.根据权利要求1所述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：所述I组腔体的电压幅度由I腔体电压幅度控制环路控制，R组腔体的电压幅度由R腔体电压平衡环路控制；R组腔体的电压幅度与I组腔体的电压幅度成比例且比例可调。
5.根据权利要求1所述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：所述两路独立高频信号是一个高频信号通过反向2功分器、衰减器和移相器产生的。
6.根据权利要求3所述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：所述低电平控制系统的腔体调谐环路分为I和R两组，其中，I组腔体调谐环路有两种调谐方式，运行时可任选其一：①基于D电路入、出相位差的方式：使用数字鉴相器鉴别传输线上的定向耦合器正向功率信号和腔体取样信号之间的相位差，依据此相位差控制微调电容对腔体进行调谐；②基于反射功率最小值的方式：使用检波器对传输线上的定向耦合器正向功率信号和反射功率信号进行检波，并根据进行归一化，采用最小值搜索算法控制腔体微调电容，当＝0时，高频腔体调谐，所建立D电压最大。
7.根据权利要求1所述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：所述低电平控制系统的R腔体电压平衡环路根据I腔体的失谐程度以及I/R腔体组间D电压峰值的比例信息，通过运算得到共模调节量和差模调节量；使用所述共模调节量完成R腔体的调谐，使用所述差模调节量调整R腔体的D电压幅度比例。
8.根据权利要求1所述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：所述低电平控制系统的四个环路共包含五个处理器，在五个处理器之间使用Modbus总线进行通讯。
9.根据权利要求3所述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：所述8个微调电容均由步进电机带动机械结构组成的机电系统进行控制，所述机电系统受控于所述微调电容控制环路。
10.根据权利要求3所述的一种双驱动四谐振腔体的高频D电路，其特征在于：所述低电平控制系统的I腔体电压幅度控制环路包含信号调制和解调电路，同时包含打火保护，反射保护，连锁保护等设备保护措施。
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