KR20090054703A - A method for controlling the radio-frequency accelerator - Google Patents

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KR20090054703A
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권혁중
조용섭
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한국원자력연구원
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    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/003—Manipulation of charged particles by using radiation pressure, e.g. optical levitation

Abstract

A method for controlling a radio-frequency accelerator is provided to maintain a control function by compensating the phase change due to resonant frequency change of an acceleration tube. An accelerator high frequency control system includes an acceleration tube(110), a high-frequency amplifier(120), an I / Q modulator(130), and a high frequency controller(140). The high-frequency amplifier supplies high frequency power to the acceleration tube, and the I/Q modulator supplies a pulse signal to the high frequency amplifier. The phase change due to resonant frequency change of the acceleration tube in transient response period is calculated and compensates the phase change in steady state response period.

Description

가속기 고주파 제어 방법{A method for controlling the radio-frequency accelerator}A method for controlling the radio-frequency accelerator

본 발명은 고주파 가속기의 고주파 전력을 제어하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가속관 고주파 전력 신호에 대한 주기적인 계단 응답 특성을 고려하여, 매 펄스 신호 부가시, 입자 가속과 무관한 과도응답 구간에서 가속관의 공진 주파수 변화 측정을 통해 가속관 특성 변화에 의한 위상 변화를 산출하여, 입자 가속이 이루어지는 정상상태응답 구간에서 상기 산출된 위상 변화를 보상하여 줌으로써, 가속기 운전중 가속관의 특성 변화에 따른 제어 루프의 위상 변화를 효과적으로 보상해주는 가속기 고주파 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling the high frequency power of a high frequency accelerator, and more particularly, in consideration of the periodic step response characteristics of the acceleration tube high frequency power signal, the transient response interval irrelevant to particle acceleration when adding a pulse signal every Calculates the phase change due to the change of the acceleration tube characteristics by measuring the resonance frequency change of the accelerator tube and compensates for the calculated phase change in the steady state response section in which the particle acceleration is performed. The present invention relates to an accelerator high frequency control method that effectively compensates for a phase change of a control loop.

고주파 가속기(radio-frequency accelerators)는 고주파 전력을 이용하여 입자를 반복적으로 가속시켜 차츰 그 에너지를 상승시킴으로써 의도한 최종에너지까지 가속시키는 장치로서, 신소재 개발, 반도체 생산, 유전자원 개발, 첨단의료기기, 유전자 조작, 반도체 생산 등의 분야에 폭넓게 활용되고 있다.Radio-frequency accelerators are devices that accelerate high-frequency power repeatedly to increase the energy to the intended final energy. New material development, semiconductor production, genetic resource development, advanced medical devices, It is widely used in fields such as genetic engineering and semiconductor production.

고주파 가속기는 통상적으로 고주파 전력을 발생시켜 가속기의 가속관으로 공급해주는 고주파 시스템과 연결되어 있는데, 고주파 가속기의 정상적인 작동을 위해서는 가속관에서의 고주파 크기 및 위상이 그 목표값으로부터 일정한 범위 내에서 제어되어야 한다.(선형 양성자 가속기의 경우는 통상 각각 1 %와 1 ° 이내임)The high frequency accelerator is usually connected to a high frequency system that generates high frequency power and supplies it to the accelerator tube of the accelerator. For the normal operation of the high frequency accelerator, the frequency and phase of the high frequency in the accelerator tube must be controlled within a certain range from the target value. (In case of linear proton accelerator, it is usually within 1% and 1 ° respectively)

도 1은 이와 같은 고주파의 크기 및 위상 제어에 사용도는 종래의 가속기 고주파 제어 시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a conventional accelerator high frequency control system which is used for such a high frequency magnitude and phase control.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 가속기 고주파 제어 시스템은 관로를 통과하는 입자를 고주파 전력에 의해 가속시키는 가속관(10)과, 가속관(10) 측으로 고출력의 고주파 전력을 공급해주는 고주파 증폭기(20)와, 고주파 증폭기(20)에 고주파 생성을 위한 펄스 신호를 공급해주는 I/Q 모듈레이터(30)와, 가속관(10)의 고주파 전력 신호를 피드백(feedback)받아 I/Q 모듈레이터(30)로 제어 신호를 출력해주는 고주파 제어기(40)를 포함하여 구성되는 피드백 제어시스템, 즉 폐루프(closed loop) 제어시스템이다.As shown in FIG. 1, a conventional accelerator high frequency control system includes an accelerator tube 10 for accelerating particles passing through a pipeline by high frequency power, and a high frequency amplifier for supplying high power high frequency power to the accelerator tube 10. 20), an I / Q modulator 30 for supplying a pulse signal for generating a high frequency to the high frequency amplifier 20, and the I / Q modulator 30 receives a feedback of a high frequency power signal of the accelerator tube 10. It is a feedback control system including a high frequency controller 40 for outputting a control signal, that is, a closed loop control system.

이와 같은 가속기 고주파 제어 시스템의 제어 루프에는 다양한 위상 지연 요소가 존재하는데, 그 중 중요한 요소들로는 고주파 전송선에 의한 위상 지연(Φ1), 가속관 특성값 변화에 의한 위상 지연(Φ2), 고주파 측정 신호선에 의한 위상 지연(Φ3), 제어기 신호 처리에 의한 위상 지연(Φ4)이 있다.Such accelerators to include a variety of phase delay elements present a control loop of the high-frequency control system, and of the important factors include the phase delay (Φ 1), the phase delay (Φ 2) of the acceleration tube attribute value change, high frequency measure by the high frequency transmission line There is a phase delay Φ 3 by the signal line and a phase delay Φ 4 by the controller signal processing.

여기서, 가속관 특성값 변화에 의한 위상 지연(Φ2)은 운전 중 발생하는 외부 섭동에 의해 가속관(10)의 특성이 변화하는 데에 따른 위상 지연으로서, 운전 중에 온도 변화에 의해 가속관(10)의 공진 주파수가 변동되어 발생하는 위상 지연 을 예로 들 수 있다. 따라서, 고주파 전송선에 의한 위상 지연(Φ1), 고주파 측정 신호선에 의한 위상 지연(Φ3), 제어기 신호 처리에 의한 위상 지연(Φ4)은 운전하는 동안 거의 일정한 값을 갖는데 반하여, 가속관 특성값 변화에 의한 위상 지연(Φ2)은 운전중 계속 변화하게 된다.Here, the phase delay Φ 2 due to the change in the acceleration tube characteristic value is a phase delay caused by the change of the characteristics of the acceleration tube 10 due to the external perturbation generated during operation. For example, the phase delay caused by the variation of the resonant frequency of 10) may be mentioned. Therefore, the phase delay Φ 1 by the high frequency transmission line, the phase delay Φ 3 by the high frequency measurement signal line, and the phase delay Φ 4 by the controller signal processing have almost constant values during operation, The phase delay Φ 2 due to the value change continues to change during operation.

도 2는 제어 루프의 위상 지연을 보상하지 않은 경우 시간 경과에 따른 가속관 측 I/Q 신호를 나타내는 그래프로서, 고주파 제어기에서 I 신호만을 제어신호로 출력하였을 때 가속관으로부터 피드백되는 I/Q 신호의 변화를 보여주고 있다.FIG. 2 is a graph showing acceleration-side I / Q signals over time when the phase delay of the control loop is not compensated. FIG. 2 shows I / Q signals fed back from the acceleration tube when only the I signal is output as a control signal in the high frequency controller. Is showing a change.

도 2를 살펴보면, 가속관의 공진 주파수 변화량이 0일 때 I/Q 선도의 기울기가 30°를 이루고 있어 제어 루프 전체의 위상 지연이 30°로 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 한편, 가속관의 공진 주파수 변화량이 +10 kHz, -10 kHz 인 경우에는 I/Q 선도의 기울기가 시간 경과에 따라 변경되는 것으로부터 제어 루프 전체의 위상 지연이 가속기 운전 중에 지속적으로 변화함을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that the slope of the I / Q diagram is 30 ° when the resonant frequency variation of the accelerator tube is 0, so that the phase delay of the entire control loop is kept constant at 30 °. On the other hand, if the resonant frequency change of the accelerator tube is +10 kHz and -10 kHz, the slope of the I / Q diagram changes over time, indicating that the phase delay of the entire control loop changes continuously during the operation of the accelerator. Can be.

이와 같이 가속기 고주파 제어 시스템의 제어 루프에서 발생하는 위상 지연은 가속관 측 고주파 전력의 위상이 지연되는 결과로 나타나며, 이는 가속관의 정상적인 입자 가속 기능을 저해하는 요인으로 작용하게 된다.As such, the phase delay generated in the control loop of the accelerator high frequency control system is a result of the delay of the phase of the high frequency power of the accelerator tube, which acts as a factor that hinders the normal particle acceleration function of the accelerator tube.

따라서, 통상 가속관 운전 시작 시에 제어 루프에서 발생하는 위상 지연을 측정하고 이를 고주파 제어기의 위상 지연 보상값(위상 여유; phase margin)으로 설정해 둠으로써, 가속관 운전 중에 제어 루프에서 발생하는 위상 지연을 보상하여 가속관의 고주파 전력을 제어하고 있다.Therefore, by measuring the phase delay occurring in the control loop at the start of the acceleration tube operation and setting it as the phase delay compensation value (phase margin) of the high frequency controller, the phase delay occurring in the control loop during the acceleration tube operation is normally measured. To compensate for this, the high frequency power of the accelerator tube is controlled.

도 3은 제어 루프의 위상 지연을 보상하는 경우 시간 경과에 따른 가속관 측 I/Q 신호를 나타내는 그래프로서, 운전 초기에 측정된 위상 지연값이 30°이고 이를 위상 지연 보상값으로 설정하였을 때 가속관으로부터 피드백되는 I/Q 신호의 변화를 보여주고 있다.3 is a graph showing an acceleration-side I / Q signal over time when compensating for the phase delay of the control loop. The phase delay measured at the initial stage of operation is 30 ° and the acceleration is set as the phase delay compensation value. It shows the change in I / Q signal fed back from the tube.

도 3을 살펴보면, 가속관의 공진 주파수 변화량이 0일 때에는 제어 루프의 위상 지연이 성공적으로 보상 되어 0°로 일정하게 유지됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that when the resonance frequency change amount of the accelerator tube is 0, the phase delay of the control loop is successfully compensated and kept constant at 0 °.

그러나, 가속관의 공진 주파수 변화량이 +10 kHz, -10 kHz 인 경우에는 제어 루프의 위상 지연이 지속적으로 변화하며, 실제 가속기 운전 중에 가속관의 공진 주파수 변화량이 -10 kHz에서 +10 kHz 사이의 범위에서 변동하는 경우에는, 공진 주파수 변화량이 -10 kHz와 +10 kHz인 경우의 두 선도 사이에서 제어 루프의 위상 지연이 복잡하게 변화하게 됨을 알 수 있다.However, if the resonant frequency variation of the accelerator tube is +10 kHz and -10 kHz, the phase delay of the control loop is continuously changed, and the resonant frequency variation of the accelerator tube is changed between -10 kHz and +10 kHz during actual accelerator operation. In the case of fluctuations in the range, it can be seen that the phase delay of the control loop is complicated between the two lines when the resonance frequency change amount is -10 kHz and +10 kHz.

따라서, 초기 설정값으로부터 벗어난 위상 지연 변화에 대한 적절한 보상이 이루어지지 않는다면, 보상되지 못한 위상 지연은 가속기 고주파 시스템 제어 특성에 영향을 미치고, 결국 가속기의 빔 특성에도 영향을 주게 되는 문제점이 발생한다.Therefore, if proper compensation is not made for the phase delay change that deviates from the initial set value, the uncompensated phase delay affects the accelerator high frequency system control characteristics, which in turn affects the beam characteristics of the accelerator.

본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 가속기 고주파 제어 시스템의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 가속관 고주파 전력 신호에 대한 주기적인 계단 응답 특성을 고려하여, 매 펄스 신호 부가시, 입자 가속과 무관한 과도응답 구간에서 가속관의 공진 주파수 변화 측정을 통해 가속관 특성 변화에 의한 위상 변화를 산출하여, 입자 가속이 이루어지는 정상상태응답 구간에서 상기 산출된 위상 변화를 보상하여 줌으로써, 가속기 운전중 발생하는 가속관의 특성 변화에 무관하게 일정한 위상 여유를 확보하여 안정성이 높은 제어 성능을 제공하는 데에 있다.The present invention is to solve the problems of the accelerator high frequency control system according to the prior art. That is, an object of the present invention, in consideration of the cyclic step response characteristics of the acceleration tube high-frequency power signal, the acceleration tube by measuring the resonance frequency change of the acceleration tube in the transient response interval irrelevant to the particle acceleration, every pulse signal is added Compensation of the calculated phase change in the steady state response section in which particle acceleration occurs by calculating the phase change due to the characteristic change, ensures a constant phase margin regardless of the characteristic change of the accelerator tube generated during accelerator operation. The purpose is to provide high control performance.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 가속기 고주파 제어 시스템에서 인가되는 가속관 고주파 전력 신호값에 대한 주기적인 계단 응답 특성을 이용하여, 매 펄스 신호 부가시, 입자 가속과 무관한 과도응답 구간에서 가속관의 공진 주파수 변화 측정을 통해 가속관 특성 변화에 의한 고주파 위상 변화를 산출하여, 입자 가속이 이루어지는 정상상태응답 구간에서 상기 산출된 위상 변화를 보상해주는 것을 특징으로 하는 가속기 고주파 제어 방법을 제공한다.The present invention as a technical concept for achieving the above object, by using the periodic step response characteristics of the accelerator tube high frequency power signal value applied in the accelerator high frequency control system, transients irrelevant to particle acceleration at every pulse signal addition An accelerator high frequency control method comprising calculating a high frequency phase change due to an acceleration tube characteristic change by measuring a resonance frequency change of an accelerator tube in a response section, and compensating the calculated phase change in a steady state response section in which particle acceleration is performed. To provide.

본 발명에 따른 가속기 고주파 제어 방법은 가속기 운전중 고주파 증폭기로 인가되는 매 펄스 신호마다 가속관의 공진 주파수 변화를 측정하여 그로 인한 위상 지연 변화를 지속적으로 보상해줌으로써, 제어 대상인 가속관의 특성 변화에 관계없이 일정한 제어 성능을 유지할 수 있으며, 빔 로딩 등의 추가적인 제어가 필요한 경우에도 제어 시스템의 부하를 경감시켜줄 수 있는 효과가 있다.Accelerator high frequency control method according to the present invention by measuring the resonant frequency change of the accelerator tube for each pulse signal applied to the high-frequency amplifier during the operation of the accelerator to compensate for the resulting phase delay change, thereby controlling the characteristics of the acceleration tube to be controlled Regardless, it is possible to maintain constant control performance and to reduce the load on the control system even when additional control such as beam loading is required.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명이 적용되는 가속기 고주파 제어 시스템의 구성도이다.4 is a block diagram of an accelerator high frequency control system to which the present invention is applied.

본 발명이 적용되는 가속기 고주파 제어 시스템은 입자를 가속시키는 가속관(110)과, 가속관(110) 측으로 고출력의 고주파 전력을 생성하여 공급해주는 고주파 증폭기(120)와, 고주파 증폭기(120)에 고주파 생성을 위한 펄스 신호를 공급해주는 I/Q 모듈레이터(130)와, 가속관(110)의 고주파 전력 신호를 피드백받아 I/Q 모듈레이터(130)로 제어 신호를 출력해주는 고주파 제어기(140)를 포함하여 구성된다.Accelerator high frequency control system to which the present invention is applied has a high frequency amplifier 120 for generating and supplying a high output high frequency power to the acceleration tube 110, the acceleration tube 110 to accelerate the particles, high frequency to the high frequency amplifier 120 Including an I / Q modulator 130 for supplying a pulse signal for generation, and a high frequency controller 140 for receiving a high frequency power signal of the accelerator tube 110 and outputting a control signal to the I / Q modulator 130; It is composed.

I/Q 모듈레이터(130)는 고주파 증폭기(120)의 고주파 생성을 위한 작은 크기의 펄스 신호를 발생시키는 장치로서, 제어 신호로 I(Inphase; 동위상) 신호와 Q(Quadrature; 직교위상) 신호를 입력받아 해당하는 I와 Q 성분을 가지는 펄스 신호를 생성한다.The I / Q modulator 130 is a device for generating a small-sized pulse signal for generating a high frequency of the high frequency amplifier 120. The I / Q modulator 130 is a control signal and generates an I (Inphase) signal and a Q (Quadrature) signal. It receives the input and generates a pulse signal having the corresponding I and Q components.

고주파 증폭기(120)는 I/Q 모듈레이터(130)로부터 공급되는 펄스 신호와 외부로부터 공급되는 전원을 이용하여 고주파 전력을 발생시켜 가속관(110)으로 공급해주게 된다.The high frequency amplifier 120 generates the high frequency power by using the pulse signal supplied from the I / Q modulator 130 and the power supplied from the outside, and supplies the high frequency power to the accelerator tube 110.

고주파 제어기(140)는 가속관(110)으로부터 검출된 고주파 전력의 Ii 및 Qi 신호를 입력받아 제어 루프의 위상 지연을 보상해주는 위상지연보상기(141)와, 위상지연보상기(141)로부터 입력되는 신호값과 제어 목표값(I/Q 설정값)을 비교하여 그 차이를 출력해주는 비교기(142)와, 비교기(142)로부터 입력되는 신호로부터 제어 연산을 통해 I/Q 모듈레이터(130)로 제어 신호인 Io, Qo를 출력해주는 제어연산기(143)로 구성된다. 여기서, 제어연산기(143)는 고주파 제어의 특성을 고려하여 비례/적분(P/I) 이득이 적용되는 비례적분(PI) 제어기가 사용된다.The high frequency controller 140 receives the high frequency power I i and Q i signals detected from the accelerator tube 110 and inputs the phase delay compensator 141 and the phase delay compensator 141 to compensate for the phase delay of the control loop. The comparator 142 compares the signal value and the control target value (I / Q set value) and outputs the difference, and the control is performed by the I / Q modulator 130 through a control operation from a signal input from the comparator 142. The control operator 143 outputs signals I o and Q o . Here, the control operator 143 uses a proportional integral (PI) controller to which a proportional / integral (P / I) gain is applied in consideration of the characteristics of the high frequency control.

여기서, 고주파 제어기(140)로부터 출력되는 제어 신호(Io, Qo)는 I/Q 모듈레이터(130)의 펄스 신호를 제어하기 위해 펄스 신호의 주기에 따라 반복되는 계단 신호의 형태를 띄게 되며, 이에 따라 제어 대상이 되는 가속관(110)의 고주파 전력 신호값은 과도응답(transient response)과 정상상태응답(steady state response)으로 이루어지는 계단 응답 특성을 반복적으로 보이게 된다. 또한, 가속관(110)으로부터 검출되는 고주파 전력의 Ii 및 Qi 값은 복소 평면 상에서 고주파 전력의 동 위상과 직교 위상을 나타내는 변수이므로, 이들 값 역시 펄스 신호의 주기에 따라 과도응답과 정상상태응답을 반복하게 된다.Here, the control signals (I o , Q o ) output from the high frequency controller 140 takes the form of a step signal that is repeated in accordance with the period of the pulse signal to control the pulse signal of the I / Q modulator 130, Accordingly, the high frequency power signal value of the acceleration tube 110 to be controlled may repeatedly show a step response characteristic consisting of a transient response and a steady state response. In addition, since the I i and Q i values of the high frequency power detected from the accelerator tube 110 are variables representing the in-phase and quadrature phases of the high frequency power on the complex plane, these values are also transient response and steady state according to the period of the pulse signal. The response will be repeated.

따라서, 가속관 운전시 가속관으로의 입자 유입을 단속하여, 고주파 전력이 상승하고 있는 과도응답 구간(이하, 고주파 상승 구간이라 칭함; 통상적으로 10~20 μsec)에서는 입자 가속을 중지시키고, 고주파 전력이 피크치에 달하는 정상상태응답 구간에서는 정상적으로 입자를 가속시키게 된다.Therefore, the particle inflow into the accelerator tube is interrupted during the operation of the accelerator tube, and the particle acceleration is stopped in the transient response section in which the high frequency power is rising (hereinafter referred to as the high frequency rising section; usually 10 to 20 µsec), In the steady state response section reaching this peak value, the particles are accelerated normally.

이하, 상술한 바와 같이 구성된 가속기 고주파 제어 시스템의 제어 루프에서 발생하는 위상 지연을 보상하기 위한 고주파 제어기(140)의 제어 방법에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a control method of the high frequency controller 140 for compensating for the phase delay occurring in the control loop of the accelerator high frequency control system configured as described above will be described.

먼저 가속관 특성값 중에서 공진 주파수 변화와 이에 따른 제어 루프의 고주파 위상 변화는 다음의 수학식 1로 기술할 수 있다.First, the resonance frequency change and the high frequency phase change of the control loop among the acceleration tube characteristic values may be described by Equation 1 below.

Figure 112007085322056-PAT00001
Figure 112007085322056-PAT00001

여기서, Φ는 가속관에서의 위상 지연, QL은 가속관의 품질계수(quality factor), f는 가속관에 공급되는 고주파 전력 주파수, f0는 가속관의 공진 주파수이다. Where Φ is the phase delay in the accelerator tube, Q L is the quality factor of the accelerator tube, f is the high frequency power frequency supplied to the accelerator tube, and f 0 is the resonance frequency of the accelerator tube.

상기 수학식 1에서 품질계수(QL)와 가속관에 공급되는 고주파 전력 주파수(f)는 가속기 운전 중에 거의 일정하게 유지되므로 가속관(110)에서의 위상 지연은 결국 가속관(110)의 공진 주파수에 따라 변화됨을 알 수 있다. 따라서, 가속기 운전 시의 공진 주파수 변화량을 구하게 되면 상기 수학식 1에 변화된 공진 주파수를 대입하여 가속관(110)에서의 위상 지연을 산출할 수 있으며, 이로부터 제어 루프 전체의 위상 지연 변화량을 구하여 고주파 제어기(140)의 위상 지연 보상값을 변경할 수 있게 된다.In Equation 1, since the high-frequency power frequency f supplied to the accelerator tube and the quality factor Q L is maintained substantially constant during the operation of the accelerator, the phase delay in the accelerator tube 110 eventually causes resonance of the accelerator tube 110. It can be seen that it changes with frequency. Therefore, when the amount of change in the resonance frequency during the operation of the accelerator is obtained, the phase delay in the accelerator tube 110 may be calculated by substituting the changed resonance frequency in Equation 1, from which the amount of change in the phase delay of the entire control loop is obtained. It is possible to change the phase delay compensation value of the controller 140.

한편, 개루프의 경우 고주파 제어기(140)에서 제어 신호로서 계단 신호 형태의 I 신호만을 I/Q 모듈레이터(130)로 출력해 주었을 때, 가속관(110)으로부터 검출되는 Q/I 신호의 비는 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, in the case of the open loop, when the high frequency controller 140 outputs only the I signal in the form of a stair signal as the control signal to the I / Q modulator 130, the ratio of the Q / I signal detected from the accelerator tube 110 is It can be expressed as the following equation.

Figure 112007085322056-PAT00002
Figure 112007085322056-PAT00002

여기서, ω1/2 은 가속관의 대역폭(bandwidth), Δω는 가속관의 공진주파수 변화량, t는 시간이다.Here, ω 1/2 is the bandwidth of the accelerator tube, Δω is the amount of change in the resonance frequency of the accelerator tube, and t is time.

상기 수학식 2에 대하여 매우 작은 시간(t << 1) 영역에서 시간에 대한 2차항까지 이용하여 근사식을 구하면 Q/I 신호의 비는 다음의 식과 같이 간단하게 나타낼 수 있다.When the approximation equation is obtained using the second term with respect to time in a very small time (t << 1) region with respect to Equation 2, the ratio of the Q / I signal can be simply expressed as the following equation.

Figure 112007085322056-PAT00003
Figure 112007085322056-PAT00003

상기 수학식 3을 이용하면 t << 1인 특정 시점에서 가속관(110)의 고주파 전력에 대한 Q/I 신호비로부터 가속관(110)의 공진 주파수 변화량을 산출할 수 있으며, 해당 시점에서의 공진 주파수를 상기 수학식 1에 대입하면 제어 루프의 고주파 위상 변화를 구할 수 있다.Using Equation 3, the resonance frequency variation of the accelerator tube 110 can be calculated from the Q / I signal ratio of the high frequency power of the accelerator tube 110 at a specific time point of t << 1, Substituting the resonant frequency into Equation 1 can obtain the high frequency phase change of the control loop.

따라서, 고주파 제어기(140)에서 P 이득 및 I 이득에 대한 이득 계획(gain schedule)을 수립하여 시간 경과에 따라 P 이득 및 I 이득을 조절함으로써, 입자 가속에 사용되지 않는 가속관 고주파 상승 구간 동안에는 제어 시스템을 개루프(open loop)로 동작시켜 제어 루프의 위상 변화를 측정하고, 입자 가속에 사용되는 정상상태응답 구간에서는 폐루프(closed loop)로 동작시켜 상기 측정된 위상 변화를 보상하여 줌으로써 가속관(110)의 고주파를 제어하게 된다. 즉, 가속관 고주파 상승 구간 동안 비교기(142)로 입력되는 피드백 신호를 제거하고 P 이득을 1로 설정하여 피드백 신호에 관계 없이 일정한 제어 신호를 출력시킴으로써 전체 제어 루프를 개루프로 동작시키며, 정상상태응답 구간에 도달하였을 때는 일반적인 폐루프 제어에서와 같이 비교기(142)로 피드백 신호를 입력시키는 동시에 P 이득을 적정값으로 재설정하여 비례적분 제어가 적용된 제어 신호를 출력시킴으로써 전체 제어 루프를 폐루프로 동작시킬 수 있다.Accordingly, by establishing a gain schedule for the P gain and I gain in the high frequency controller 140 and adjusting the P gain and I gain over time, the high frequency controller 140 controls during the acceleration tube high frequency rising period not used for particle acceleration. The system operates in an open loop to measure the phase change of the control loop, and in a steady state response section used for particle acceleration, it operates in a closed loop to compensate for the measured phase change High frequency of 110 is controlled. That is, the entire control loop operates as an open loop by removing a feedback signal input to the comparator 142 during the acceleration tube high frequency rising section and setting the P gain to 1 to output a constant control signal regardless of the feedback signal. When the response period is reached, the entire control loop operates as a closed loop by inputting a feedback signal to the comparator 142 and resetting the P gain to an appropriate value as in the normal closed loop control, and outputting a control signal to which the proportional integral control is applied. You can.

도 5는 종래의 고주파 제어 방법과 본 발명에 따른 제어 방법의 이득 계획을 비교해서 보여주는 도면이다.5 is a view illustrating a comparison of a gain plan of a conventional high frequency control method and a control method according to the present invention.

이하에서는, 도 5를 참조하여, 위에서 설명한 고주파 제어기(140)의 이득 계획에 의한 제어 방법에 대하여 종래의 고주파 제어 방법과의 비교를 통해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, referring to FIG. 5, a control method based on the gain plan of the high frequency controller 140 described above will be described in detail through comparison with a conventional high frequency control method.

종래의 고주파 제어 방법은 전형적인 폐루프 제어 방법에 따라, 도 5의 (a)에서와 같이, I/Q 입력 신호(Ii, Qi)에 대하여 운전 시작시에 일정하게 설정된 위상 지연 보상값을 적용하여 위상 지연이 보상된 신호를 비교기(142)에 입력하고, I/Q 설정값으로부터 비교기 입력 신호를 감산한 결과치에 기 설정된 P 이득과 I 이득을 적용하여 최종 제어 신호인 I/Q 출력 신호(Io, Qo)를 만들어 내게 된다.In the conventional high frequency control method, according to a typical closed loop control method, as shown in FIG. 5 (a), a phase delay compensation value set at the start of operation with respect to the I / Q input signals I i and Q i is fixed. Inputting the signal compensated for the phase delay to the comparator 142 and subtracting the comparator input signal from the I / Q set value, and applying the preset P gain and I gain to the resultant I / Q output signal. (I o , Q o )

이와 같이 종래의 고주파 제어 방법은 운전 시작시에 최초 1회 설정된 위상 지연 보상값을 지속적으로 적용하여 위상 지연을 보상하기 때문에, 공진 주파수와 같은 가속관 특성의 변화에 의해 발생하는 가속관에서의 고주파 위상 지연 변화에 적절하게 대응할 수 없다.As described above, the conventional high frequency control method compensates the phase delay by continuously applying the phase delay compensation value set once once at the start of operation, and thus, the high frequency in the acceleration tube generated by the change of the acceleration tube characteristics such as the resonance frequency. It cannot adequately respond to phase delay changes.

한편, 본 발명에 따른 고주파 제어 방법은, 도 5의 (b)에서와 같이, 가속관(110) 측의 고주파 전력, 즉 I/Q 입력 신호(Ii, Qi)의 과도응답 구간에서는 비교기 입력 신호를 0으로, P, I 이득 설정값은 각각 1과 0으로 설정하여 제어 시스템을 개루프로 동작시키고, 그 이후의 정상상태응답 구간에서는 위상지연보상기(141)로부터 출력되는 신호를 비교기(142)로 입력시키는 동시에 P, I 이득 값을 적절한 비례미분 제어를 위해 미리 설계된 값으로 재설정하여 폐루프로 동작시키는 과정을 통해, I/Q 모듈레이터(130)의 매 출력 펄스에 대한 제어를 개루프와 폐루프의 두 구간으로 나누어 수행하게 된다.On the other hand, the high frequency control method according to the present invention, as shown in Figure 5 (b), the high frequency power of the acceleration tube 110, that is, the comparator in the transient response period of the I / Q input signals (I i , Q i ) The input signal is set to 0, and the P and I gain setting values are set to 1 and 0, respectively, to operate the control system as an open loop, and the signal output from the phase delay compensator 141 in the steady state response section thereafter. 142) to open the control of every output pulse of the I / Q modulator 130 by operating the closed loop by resetting the P and I gain values to pre-designed values for proper proportional derivative control. It is divided into two sections, and closed loop.

먼저 개루프 구간을 살펴보면, 해당 구간, 즉 가속관 고주파 상승 구간의 최초 1/10 정도 이내의 구간을 위상 지연 측정 구간으로 정하고, 위상 지연 측정 구간 동안 I/Q 설정값중 I 설정값만을 제어 목표값으로 설정하고 Q 설정값은 0으로 설정하여 I/Q 출력 신호 중에서 I 신호만 출력되게 함으로써 상기 수학식 3 및 수학식 1을 이용하여 I/Q 입력 신호(Ii, Qi)의 비로부터 가속관(110)의 공진 주파수 변화량 및 고주파 위상 변화량을 산출한다. 이와 같이 산출된 고주파 위상 변화량에 따라 기설정되어 있는 고주파 제어기(140)의 위상 지연 보상값을 가감하여 재설정하며, 위상 지연 측정 구간 이후에는 I/Q 설정값의 Q 설정값을 제어 목표값으로 설정함으로써 I 신호와 Q 신호가 모두 출력되게 한다. 여기서, 고주파 위상 변화량은 위상 지연 측정 구간 중에 한번만 산출되거나 또는 여러번 산출되어 그 평균값으로 적용될 수도 있다.Looking at the open loop section, the phase, that is, the section within the first 1/10 of the acceleration tube high frequency rising section, is defined as the phase delay measurement section, and only the I setting value of the I / Q setting value during the phase delay measurement section is controlled. Value is set to 0 and the Q set value is set to 0 so that only the I signal is output from the I / Q output signal, so that from the ratio of the I / Q input signals I i and Q i The resonance frequency change amount and the high frequency phase change amount of the accelerator tube 110 are calculated. The phase delay compensation value of the preset high frequency controller 140 is added or subtracted according to the calculated high frequency phase change amount, and after the phase delay measurement interval, the Q set value of the I / Q set value is set as the control target value. This allows both I and Q signals to be output. Here, the high frequency phase change amount may be calculated only once during the phase delay measurement period or may be calculated several times and applied as the average value.

이후 폐루프 구간에서는 I/Q 입력 신호(Ii, Qi)에 상기 설정된 위상 지연 보상값을 적용하여 위상 지연을 보상해주고 위상 지연이 보상된 I/Q 신호를 비교기(142)에 입력시킴으로써 해당하는 I/Q 모듈레이터(130)의 출력 펄스에 대하여 위상 지연이 보상된 PI 제어를 수행하게 된다. 여기서, I/Q 모듈레이터(130)의 출력 펄스 주기는 가속관(110)의 공진 주파수 변화 주기에 비하여 지극히 짧은 기간이므로, 가속관(110)의 공진 주파수는 폐루프 구간 동안 거의 일정한 값으로 유지되어 제어 루프 전체의 위상 지연 역시 해당 주기 동안 일정하게 유지되며, 이는 위상 지연 측정 구간에 설정된 위상 지연 보상값에 의해 성공적으로 보상될 수 있다.Thereafter, in the closed loop period, the phase delay is compensated by applying the set phase delay compensation value to the I / Q input signals I i and Q i and the I / Q signal having the phase delay compensated is input to the comparator 142. The PI control in which the phase delay is compensated for the output pulse of the I / Q modulator 130 is performed. Here, since the output pulse period of the I / Q modulator 130 is a very short period compared to the resonant frequency change period of the accelerator tube 110, the resonance frequency of the accelerator tube 110 is maintained at a substantially constant value during the closed loop period. The phase delay of the entire control loop is also kept constant for the period, which can be successfully compensated by the phase delay compensation value set in the phase delay measurement interval.

이와 같이 본 발명의 고주파 제어 방법은 제어 구간을 가속관 고주파 전력 신호값이 나타내는 계단 응답에 따라 과도응답 구간과 정상상태응답 구간으로 구분하고, 과도응답 구간, 즉 가속관 고주파 상승 구간 동안 측정된 가속관(110)의 공진 주파수 변화로부터 가속관(110)에 의한 위상 변화를 산출하여 위상 지연 보상값을 재설정하고, 정상상태응답 구간에서는 상기 재설정된 위상 지연 보상값을 적용 하여 가속관 특성 변화에 따른 위상 지연 변화를 보상해 줌으로써, 결과적으로 전체 제어 기간 동안 고주파 제어기(140)의 위상 지연 보상값에 대한 지속적인 변경을 통해 제어 대상인 가속관(110)의 특성 변화에 상관없이 운전 중 일정한 제어 성능을 갖는 가속기 고주파 제어 시스템을 제공할 수 있다.As described above, the high frequency control method of the present invention divides the control section into a transient response section and a steady state response section according to the step response indicated by the acceleration tube high frequency power signal value, and the acceleration measured during the transient response section, that is, the acceleration tube high frequency rising section. The phase delay compensation value is reset by calculating the phase change by the accelerator tube 110 from the resonance frequency change of the tube 110. In the steady state response section, the reset phase delay compensation value is applied to the acceleration tube characteristic change. By compensating for the phase delay change, consequently, through the continuous change of the phase delay compensation value of the high frequency controller 140 during the entire control period, it has constant control performance during operation regardless of the characteristic change of the acceleration tube 110 to be controlled. Accelerator high frequency control system can be provided.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.

도 1은 고주파의 크기 및 위상 제어에 사용도는 종래의 가속기 고주파 제어 시스템의 구성도.1 is a block diagram of a conventional accelerator high frequency control system which is also used for high frequency magnitude and phase control.

도 2는 제어 루프의 위상 지연을 보상하지 않은 경우 시간 경과에 따른 가속관 측 I/Q 신호를 나타내는 그래프.2 is a graph showing an acceleration-side I / Q signal over time when the phase delay of the control loop is not compensated for.

도 3은 제어 루프의 위상 지연을 보상하는 경우 시간 경과에 따른 가속관 측 I/Q 신호를 나타내는 그래프.3 is a graph showing an acceleration-side I / Q signal over time when compensating for phase delay in a control loop.

도 4는 본 발명이 적용되는 가속기 고주파 제어 시스템의 구성도.Figure 4 is a block diagram of an accelerator high frequency control system to which the present invention is applied.

도 5는 종래의 고주파 제어 방법과 본 발명에 따른 제어 방법의 이득 계획을 비교해서 보여주는 도면.5 is a view showing a comparison of the gain plan of the conventional high frequency control method and the control method according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10, 110 : 가속관 20, 120 : 고주파 증폭기10, 110: acceleration tube 20, 120: high frequency amplifier

30, 130 : I/Q 모듈레이터 40, 140 : 고주파 제어기30, 130: I / Q modulator 40, 140: high frequency controller

141 : 위상지연보상기 142 : 비교기141: phase delay compensator 142: comparator

143 : 제어연산기143: Control Operator

Claims (3)

가속기 고주파 제어 시스템에서 인가되는 가속관 고주파 전력 신호값에 대한 주기적인 계단 응답 특성을 이용하여 가속관의 고주파 전력을 제어하는 방법에 있어서,In the method for controlling the high frequency power of the accelerator tube by using the periodic step response characteristics of the accelerator tube high frequency power signal value applied in the accelerator high frequency control system, 매 펄스 신호 부가시, 입자 가속과 무관한 과도응답 구간에서 가속관의 공진 주파수 변화 측정을 통해 가속관 특성 변화에 의한 고주파 위상 변화를 산출하여, 입자 가속이 이루어지는 정상상태응답 구간에서 상기 산출된 위상 변화를 보상해주는 것을 특징으로 하는 가속기 고주파 제어 방법.When the pulse signal is added, the high frequency phase change by the acceleration tube characteristic change is calculated by measuring the resonance frequency change of the acceleration tube in the transient response section irrelevant to the particle acceleration, and the calculated phase in the steady state response section in which the particle acceleration is performed. Accelerator high frequency control method characterized in that to compensate for the change. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 제어 구간에 따라 고주파 제어기의 비례 이득 및 적분 이득을 조절함으로써, 상기 과도응답 구간에서는 제어 시스템을 개루프(open loop)로 동작시키고, 상기 정상상태응답 구간에서는 제어 시스템을 폐루프(closed loop)로 동작시키는 것을 특징으로 하는 가속기 고주파 제어 방법.By adjusting the proportional gain and the integral gain of the high frequency controller according to the control section, the control system operates in an open loop in the transient response section, and the control system in a closed loop in the steady state response section. Accelerator high frequency control method characterized in that the operation. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 과도응답 구간에서는,In the transient response section, 가속관으로부터 검출되는 고주파 전력의 Q(Quadrature; 직교위상) 신호와 I(Inphase; 동위상) 신호로부터 아래의 수식 1을 이용하여 변화된 가속관의 공진주 파수를 산출하고, 상기 산출된 공진주파수를 아래의 수식 2에 대입하여 가속관의 위상 지연을 산출함으로써, 제어 루프의 고주파 위상 변화를 산출하는 것을 특징으로 하는 가속기 고주파 제어 방법.The resonance frequency of the accelerated tube is calculated by using Equation 1 below from the Q (Quadrature) signal and the I (Inphase) signal of high frequency power detected from the accelerator tube, and the calculated resonance frequency is And calculating a phase delay of the accelerator tube by substituting Equation 2 below to calculate a high frequency phase change of the control loop. (수식 1)(Formula 1)
Figure 112007085322056-PAT00004
Figure 112007085322056-PAT00004
 (ω1/2 : 가속관의 대역폭(bandwidth), Δω : 가속관의 공진주파수 변화량, t : 시간)(ω 1/2 : bandwidth of the accelerator tube, Δω: change in resonance frequency of the accelerator tube, t: time) (수식 2)(Formula 2)
Figure 112007085322056-PAT00005
Figure 112007085322056-PAT00005
 (Φ : 가속관에서의 위상 지연, QL : 가속관의 품질계수(quality factor), f : 가속관에 공급되는 고주파 전력 주파수, f0 : 가속관의 공진 주파수)(Φ: phase delay in the accelerator tube, Q L : quality factor of the accelerator tube, f: high frequency power frequency supplied to the accelerator tube, f 0 : resonance frequency of the accelerator tube)
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