CN108124373A - 一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置，包括信号发生器、本地晶振单元、本地控制单元、射频诊断单元、FPGA数据处理单元和联锁保护单元；信号发生器与本地晶振单元连接，FPGA数据处理单元分别与本地晶振单元、联锁保护单元、本地控制单元和加速器连接，联锁保护单元与射频诊断单元连接。本发明通过射频诊断单元对腔体内的射频信号进行检测，避免射频信号超出阈值，通过FPGA数据处理单元进行联锁保护、幅值、调谐、相位及场平衡的控制，调节加速腔加速电压的稳定，并结合联锁保护单元，一旦腔体内发生异常情况，可快速切断射频源，能有效保护加速器及操作人员，提高了装置运行的安全性和加速电压的稳定性。

Description

一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置及其方法
技术领域
本发明属于回旋加速器技术领域，涉及一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置及其方法。
背景技术
回旋加速器利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。在超导回旋加速器中，为了维持加速器内的建场稳定，需要一种控制系统来抑制腔内外的干扰因素。早期的控制系统采用模拟器件组成，具有系统设计简单，控制回路相对时延短的优点，但是存在可移植性差，受外界干扰大的弊端，同时存在控制的稳定性差、安全性低以及集成度差的问题，为了解决以上问题，现设计一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置及方法，解决了现有加速器谐振腔在加速电压的过程中，存在安全性低以及稳定性差的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置，包括信号发生器、本地晶振单元、本地控制单元、射频诊断单元、FPGA数据处理单元和联锁保护单元；
所述信号发生器与本地晶振单元连接，所述FPGA数据处理单元分别与本地晶振单元、联锁保护单元和本地控制单元连接，所述联锁保护单元与射频诊断单元连接。
进一步地，所述本地晶振单元包括放大器、衰减器和功分器，所述放大器用于将功率进行放大，并将放大后的信号发送至功分器，所述功分器将接收的放大后的信号均分为两路，两路信号分别通过衰减器将信号衰减到所需要的功率后，分别发送至时钟单元和射频诊断单元。
进一步地，所述联锁保护单元用于接收射频诊断单元发送的加速器谐振腔体内的射频信号，并将检测的射频信号发送至FPGA数据处理单元，接收FPGA数据处理单元发送的控制信号，根据控制信号对射频源进行关断/开合控制。
进一步地，所述FPGA数据处理单元是整个装置的核心，采用FPGA芯片为数据处理器，用于进行联锁保护、幅值、调谐、相位及场平衡的控制，实现加速腔加速电压的稳定。
一种用于控制超导回旋加速器谐振腔的方法，包括以下步骤：
S1、射频诊断单元对加速器谐振腔内的射频信号进行检测，并将检测射频信号经联锁保护单元发送至FPGA数据处理单元；
S2、FPGA数据处理单元中的幅值环路、调谐环路、相位环路以及场平衡环路对加速器谐振腔内的加速电压进行控制；
S3、联锁保护单元根据FPGA数据处理单元发送的控制信号对射频源进行关断/开合控制，起保护加速器的作用；
S4、对加速器进行不同工作模式的切换。
进一步地，所述幅值环路通过4路腔体取样信号采集加速器内的电压幅值，对采集的电压幅值进行I/O幅值调制，将调制后的电压幅值与设定的电压幅值进行比较，再根据PID控制算法，使电压幅值稳定于设定的幅值参数。
进一步地，所述相位环路通过4路腔体取样信号采集加速器内的相位信息，并将采集的相位信息经I/O幅值相位调制，对比调制后的相位与本地激励信号相位的相位差，调节本地激励信号的相位，使采集的相位与本地激励信号的相位相同。
进一步地，所述调谐环路通过判断输入信号与输出信号的相位差，调整微扰棒的位置，并通过调谐控制来控制腔体上电机的运动使得相位差为0。
进一步地，所述微扰棒为调谐电容，通过调整微扰棒位置来谐振腔的谐振频率，所述微扰棒位置移动通过电机进行调节。
进一步地，所述加速器的不同工作模式分别为正常模式和服务模式，所述正常模式为自动运行模式，射频功率自动从0W爬升到最大功率；所述服务模式为参数校准，腔体老练模式，进行关键参数的校准及腔体的老练。
本发明的有益效果：
本发明通过射频诊断单元可对加速器谐振腔体内的射频信号进行检测，避免射频信号超出阈值，通过FPGA数据处理单元进行联锁保护、幅值、调谐、相位及场平衡的控制，调节加速腔加速电压的稳定，并结合联锁保护单元，一旦腔体内发生异常情况，可快速切断射频源，保护加速器以及相关操作人员，大大提高了装置运行的安全性和加速电压的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种用于控制超导回旋加速器谐振腔的装置的连接示意图；
图2为本发明中幅值环路与相位环路的原理示意图。
图3为本发明中调谐环路与场平衡环路的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种用于控制超导回旋加速器谐振腔的装置，该控制装置包括信号发生器、本地晶振单元、本地控制单元、射频诊断单元、FPGA数据处理单元和联锁保护单元；信号发生器与本地晶振单元连接，FPGA数据处理单元分别与本地晶振单元、联锁保护单元和本地控制单元连接，联锁保护单元与射频诊断单元连接。
所述本地晶振单元包括放大器、衰减器和功分器，所述放大器用于将功率进行放大，并将放大后的信号发送至功分器，所述功分器将接收的放大后的信号均分为两路，两路信号分别通过衰减器将信号衰减到所需要的功率后，分别发送至时钟单元和射频诊断单元。
射频诊断单元用于对加速器谐振腔体内的射频信号进行检测，并将检测的射频信号发送至互联保护单元，避免射频信号超出阈值。
联锁保护单元用于接收射频诊断单元发送的加速器谐振腔体内的射频信号，并将检测的射频信号发送至FPGA数据处理单元，接收FPGA数据处理单元发送的控制信号，根据控制信号对射频源进行关断/开合控制，实现对功率放大器以及加速器的保护。
本地控制单元与FPGA数据处理单元连接，用于进行本地控制界面的操作。
FPGA数据处理单元是整个装置的核心，采用FPGA芯片为数据处理器，用于进行联锁保护、幅值、调谐、相位及场平衡的控制，实现加速腔加速电压的稳定；其中，对接收的联锁保护单元发送的加速器谐振腔体内的射频信号进行分析，一旦加速器谐振腔体内的射频信号出现异常情况，发送控制信号至联锁保护单元，控制联锁保护单元对射频源进行关断，实现对功率放大器以及加速器的保护；FPGA数据处理单元与谐调控制单元连接，协调控制单元用于接收FPGA数据处理单元发送的谐调控制信号，根据接收的谐调控制信号对加速器进行谐调控制，保证装置处于谐振状态。
加速器工作时，射频诊断单元实时对加速器谐振腔体内的射频信号进行检测，并将检测的射频信号经互联保护单元发送至FPGA数据处理单元，FPGA数据处理单元对接收的射频信号进行分析；
一旦腔体内发生打火、反射功率过高或其他异常情况，FPGA数据处理单元发送控制信号至联锁保护单元，联锁保护单元控制射频源的关断，进而实现对加速器以及相关操作人员的保护，提高装置运行的安全性。
一种用于控制超导回旋加速器谐振腔的方法，包括以下步骤：
S1、射频诊断单元对加速器谐振腔内的射频信号进行检测，并将检测射频信号经联锁保护单元发送至FPGA数据处理单元；
S2、FPGA数据处理单元中的幅值环路、调谐环路、相位环路以及场平衡环路对加速器谐振腔内的加速电压进行控制；
S3、联锁保护单元根据FPGA数据处理单元发送的控制信号对射频源进行关断/开合控制，起保护加速器的作用；
S4、对加速器进行不同工作模式的切换。
该方法中，如图2所示，4路腔体取样信号采集加速器内的电压信息，并将采集的电压信息依次经射频诊断、模数转换和FPGA芯片处理，得到腔体内的加速电压幅值，并将加速电压幅值经数模转换，转换后的加速电压幅值进行I/O幅值相位调制，将调制后的电压幅值与设定的电压幅值进行比较，再根据PID控制算法，使电压幅值稳定于设定的参数；
所述相位环路通过4路腔体取样信号采集加速器内的相位信息，并将采集的相位信息经I/O幅值相位调制，对比调制后的相位与本地激励信号相位的相位差，调节本地激励信号的相位，使采集的相位与本地激励信号的相位相同，本地激励信号的相位是本地的直接数字式频率合成器(DDS)的相位。
如图3所示，所述调谐环路通过判断输入信号与输出信号的相位差，来调整微扰棒的位置，并通过调谐控制来控制腔体上电机的运动使得相位差为0，达到调谐的目的，所述输入信号为入射功率，输出信号为4路腔体取样信号；微扰棒为调谐电容，调整微扰棒的不同位置来改变谐振腔的阻抗，从而改变谐振腔的谐振频率，其中，微扰棒位置移动是通过电机来实现的；同时，4路腔体取样信号的不一致性同样通过控制电机使之相同，因此通过调谐环路及场平衡环路可以实现射频系统有效的进行粒子加速。在此过程中，电机的运动可能会超过上下的安全限位，通过安全联锁开关来控制电机在安全的领域内运动。
另外，加速器的不同工作模式分别为正常模式和服务模式，所述正常模式为自动运行模式，射频功率自动从0W爬升到最大功率；所述服务模式为参数校准，腔体老练模式，可完成关键参数的校准及腔体的老练。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置，其特征在于：包括信号发生器、本地晶振单元、本地控制单元、射频诊断单元、FPGA数据处理单元和联锁保护单元；
所述信号发生器与本地晶振单元连接，所述FPGA数据处理单元分别与本地晶振单元、联锁保护单元和本地控制单元连接，所述联锁保护单元与射频诊断单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置，其特征在于：所述本地晶振单元包括放大器、衰减器和功分器，所述放大器用于将功率进行放大，并将放大后的信号发送至功分器，所述功分器将接收的放大后的信号均分为两路，两路信号分别通过衰减器将信号衰减到所需要的功率后，分别发送至时钟单元和射频诊断单元。
3.根据权利要求1所述的一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置，其特征在于：所述联锁保护单元用于接收射频诊断单元发送的加速器谐振腔体内的射频信号，并将检测的射频信号发送至FPGA数据处理单元，接收FPGA数据处理单元发送的控制信号，根据控制信号对射频源进行关断/开合控制。
4.根据权利要求1所述的一种用于控制超导回旋加速器加速电压的装置，其特征在于：所述FPGA数据处理单元是整个装置的核心，采用FPGA芯片为数据处理器，用于进行联锁保护、幅值、调谐、相位及场平衡的控制，实现加速腔加速电压的稳定。
5.一种用于控制超导回旋加速器加速电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、射频诊断单元对加速器谐振腔内的射频信号进行检测，并将检测射频信号经联锁保护单元发送至FPGA数据处理单元；
S2、FPGA数据处理单元中的幅值环路、调谐环路、相位环路以及场平衡环路对加速器谐振腔内的加速电压进行控制；
S3、联锁保护单元根据FPGA数据处理单元发送的控制信号对射频源进行关断/开合控制，起保护加速器的作用；
S4、对加速器进行不同工作模式的切换。
6.根据权利要求5所述的一种用于控制超导回旋加速器加速电压的方法，其特征在于：所述幅值环路通过4路腔体取样信号采集加速器内的电压幅值，对采集的电压幅值进行I/O幅值调制，将调制后的电压幅值与设定的电压幅值进行比较，再根据PID控制算法，使电压幅值稳定于设定的幅值参数。
7.根据权利要求5所述的一种用于控制超导回旋加速器加速电压的方法，其特征在于：所述相位环路通过4路腔体取样信号采集加速器内的相位信息，并将采集的相位信息经I/O幅值相位调制，对比调制后的相位与本地激励信号相位的相位差，调节本地激励信号的相位，使采集的相位与本地激励信号的相位相同。
8.根据权利要求5所述的一种用于控制超导回旋加速器加速电压的方法，其特征在于：所述调谐环路通过判断输入信号与输出信号的相位差，调整微扰棒的位置，并通过调谐控制来控制腔体上电机的运动使得相位差为0。
9.根据权利要求8所述的一种用于控制超导回旋加速器加速电压的方法，其特征在于：所述微扰棒为调谐电容，通过调整微扰棒位置来谐振腔的谐振频率，所述微扰棒位置移动通过电机进行调节。
10.根据权利要求5所述的一种用于控制超导回旋加速器加速电压的方法，其特征在于：所述加速器的不同工作模式分别为正常模式和服务模式，所述正常模式为自动运行模式，射频功率自动从0W爬升到最大功率；所述服务模式为参数校准，腔体老练模式，进行关键参数的校准及腔体的老练。
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