一种粒子加速器高频低电平控制系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及粒子加速器技术领域，用于实现加速器高频系统的幅度相位稳定控制。


背景技术：

2.在粒子加速器工程应用中，需要射频功率源，射频功率源用于产生一个大功率的射频信号，该信号用于送给加速腔，加速腔内建立高频电场，实现对粒子束流的加速。这个过程中，射频功率源的频率、幅度、相位指标有非常高的要求。加速腔一般为窄带谐振腔，带宽通常较窄，同时加速腔随着工作状态(包括束流状态和馈入的射频功率的状态)的不同，工作谐振频率会发生一定的变化。一个加速器系统可能有多个加速腔，这些加速腔需要工作在相同的频率下，互相之间有着较为严格的相位关系要求。
3.单独的加速腔为了实现对束流的稳定加速，也需要对高频电场的相位提出严格的控制要求。
4.如何设计一种能够适应不同加速器用功率放大器类型的高效率的幅度、频率、相位稳定控制系统，是加速器高频控制系统的关键技术。


技术实现要素：

5.发明目的：提供一种粒子加速器高频低电平控制系统及其控制方法，以解决现有技术存在的上述问题。
6.技术方案：一种粒子加速器高频低电平控制系统，包括：
7.控制器，用于控制脉冲波发生器，实现相位调节；
8.脉冲波发生器，与所述控制器连通，用于输出脉冲信号；
9.放大器，与所述脉冲发生器连通，用于将脉冲信号放大；
10.定向耦合器，与所述放大器连通，用于对放大器入射、反射信号进行取样；
11.腔体，与所述定向耦合器连通，用于建立电场，实现对粒子束流的加速作用。
12.通过设计定向耦合器和采集模块实现对腔体信号和放大器入射、反射信号的取样，传送至控制器，由控制器根据低电平控制算法进行完成控制脉冲发生器的相位，通过控制电源的电压幅度来调整放大器的输出信号幅度，完成调整整个射频链路的相位和幅度。
13.在进一步实施例中，所述脉冲波发生器连接加速器定时系统；
14.所述加速器定时系统为加速器系统设备提供工作所需的同步脉冲，各分系统设备按照一定的脉冲触发时序进行工作。
15.所述加速器定时系统提供频率参考信号给予脉冲波发生器；
16.所述频率参考信号用于实现粒子加速器高频低电平控制系统的相参；
17.所述脉冲发生器的工作频率与频率参考信号相参。
18.在进一步实施例中，所述放大器连接电源，通过调整放大器的工作电压实现输出功率的调整；
19.所述电源接通市电；
20.所述电源与控制器连通。
21.所述放大器包括d、e类放大器；所述电源为ac/dc电源；
22.ac/dc电源为电压输出可调电源，配合d、e放大器的特点，通过调整放大器工作电压来实现输出功率大小的调整。
23.在进一步实施例中，所述定向耦合器与所述控制器连通，用于将取样的放大器入射、反射信号送往控制器；
24.所述腔体内置取样模块，通过取样模块对腔体信号进行采集取样，并将取样的信号发送至控制器。所述取样模块通过放置在腔体某个位置的探针来耦合少量腔体微波信号，这个耦合过来的取样信号可以表征腔体内的电场特征，用去高频系统稳定控制。
25.所述控制器根据放大器入射、反射信号和腔体信号实现低电平(小信号)状态下，对整个射频链路的取样之后的控制处理。
26.一种粒子加速器高频低电平控制方法，包括：
27.步骤1、由加速器定时系统提供频率参考信号；
28.步骤2、脉冲波发生器根据频率参考信号产生与其相参的工作频率，并发射脉冲信号；
29.步骤3、控制器控制脉冲发生器实现相位调节，改变放大器的工作输出信号相位；
30.步骤4、电源用给放大器供电，调整放大器工作电压实现输出功率的调整；
31.步骤5、放大器将脉冲信号放大，且只输出基波信号；
32.步骤6、定向耦合器对放大器入射、反射信号进行取样，并发送至控制器；
33.取样模块对腔体信号完成取样，并发送至控制器；
34.步骤7、根据腔体信号和入射、反射信号的取样，调整整个射频链路的相位。
35.在进一步实施例中，所述步骤5还包括在放大器内部配置匹配和谐振滤波网络，实现工作频率的阻抗匹配和谐振滤波。
36.在进一步实施例中，所述步骤7中还包括对采集信号的幅度、相位进行误差判断，形成控制量，进而由控制器控制脉冲发生器的相位，进而完成调整整个射频链路的相位。
37.通过低电平控制算法进行完成，可以采用pid算法完成。
38.在进一步实施例中，还包括步骤8、通过控制电源的电压幅度来调整放大器的输出信号幅度，配合步骤7完成调整整个射频链路的相位和幅度。
39.有益效果：本发明公开了一种粒子加速器高频低电平控制系统及其控制方法，通过设计定向耦合器和采集模块实现对腔体信号和放大器入射、反射信号的取样，传送至控制器，由控制器根据低电平控制算法进行完成控制脉冲发生器的相位，通过控制电源的电压幅度来调整放大器的输出信号幅度，完成调整整个射频链路的相位和幅度。
附图说明
40.图1是本发明的系统框架示意图。
41.图2是发明的方法脉冲移相方式示意图。
42.图3是发明drf1200功率放大器工作曲线示意图。
具体实施方式
43.本发明涉及一种粒子加速器高频低电平控制系统及其控制方法，下面通过具体实施方式进行解释。
44.一种粒子加速器高频低电平控制系统，包括：
45.控制器，用于控制脉冲波发生器，实现相位调节；
46.脉冲波发生器，与所述控制器连通，用于输出脉冲信号；
47.放大器，与所述脉冲发生器连通，用于将脉冲信号放大；
48.定向耦合器，与所述放大器连通，用于对放大器入射、反射信号进行取样；
49.腔体，与所述定向耦合器连通，用于建立电场，实现对粒子束流的加速作用。
50.通过设计定向耦合器和采集模块实现对腔体信号和放大器入射、反射信号的取样，传送至控制器，由控制器根据低电平控制算法进行完成控制脉冲发生器的相位，通过控制电源的电压幅度来调整放大器的输出信号幅度，完成调整整个射频链路的相位和幅度。
51.所述脉冲波发生器连接加速器定时系统；
52.所述加速器定时系统提供频率参考信号给予脉冲波发生器；
53.所述频率参考信号用于实现粒子加速器高频低电平控制系统的相参；
54.所述脉冲发生器的工作频率与频率参考信号相参。
55.所述放大器连接电源，通过调整放大器的工作电压实现输出功率的调整；
56.所述电源接通市电；
57.所述电源与控制器连通。
58.所述放大器包括d、e类放大器；所述电源为ac/dc电源；
59.ac/dc电源为电压输出可调电源，配合d、e放大器的特点，通过调整放大器工作电压来实现输出功率大小的调整。
60.所述定向耦合器与所述控制器连通，用于将取样的放大器入射、反射信号送往控制器；
61.所述腔体内置取样模块，通过取样模块对腔体信号进行采集取样，并将取样的信号发送至控制器。
62.所述控制器根据放大器入射、反射信号和腔体信号实现低电平(小信号)状态下，对整个射频链路的取样之后的控制处理；
63.脉冲发生器产生脉冲信号，脉冲信号的周期为加速器的工作频率，脉冲信号的t_delay为加速器的工作频率信号的相位调节量。
64.通过对t_delay的量化调节，我们可以实现对加速腔射频信号的相位闭环调整。
65.针对直流电压调整，典型的，我们采用drf1200功率放大器作为示例，进行测试。可以得到工作曲线如图3所示；通过调整直流输入功率调整射频功率的方式是可行的。
66.通过该控制方式，可以非常简单高效的实现优于1％幅度稳定控制精度，优于1
°
相位控制精度。
67.相对于传统的加速器低电平控制方式。可以避免加速器高频系统中低电平控制必须针对线性(或接近线性)的放大器系统进行幅度、相位稳定控制的传统方式。达到显著提高功率放大器工作效率的目的。幅度控制和相位控制的控制实现也大大简化。
68.工作原理说明：首先由加速器定时系统提供频率参考信号，再由脉冲波发生器根
据频率参考信号产生与其相参的工作频率，并发射脉冲信号；通过控制器控制脉冲发生器实现相位调节，改变放大器的工作输出信号相位；由电源用给放大器供电，调整放大器工作电压实现输出功率的调整；放大器内部配置匹配和谐振滤波网络，实现工作频率的阻抗匹配和谐振滤波，放大器将脉冲信号放大，且只输出基波信号；
69.定向耦合器对放大器入射、反射信号进行取样，并发送至控制器；
70.取样模块对腔体信号完成取样，并发送至控制器；
71.根据腔体信号和入射、反射信号的取样，对采集信号的幅度、相位进行误差判断，形成控制量，进而由控制器控制脉冲发生器的相位，进而完成调整整个射频链路的相位，调整整个射频链路的相位。
72.通过控制电源的电压幅度来调整放大器的输出信号幅度，完成调整整个射频链路的相位和幅度。
73.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。