[论文解读] Analysis and Stabilization of AC Line Synchronized Timing System for SuperKEKB

Di Wang, K. Furukawa+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 18被引用 1

一句话总结

本文提出了一种用于SuperKEKB直线加速器（LINAC）的稳定化交流线同步定时系统，采用AC50调节器以减轻电网频率波动引起的定时抖动。通过实施8/9脉冲模式下的自适应序列移位与漂移补偿，该系统降低了束流中断次数，并在±158 µs的强交流漂移下仍能保持亚30 ps的定时抖动，显著提升了运行稳定性和束流质量。

ABSTRACT

A timing system provides high-precision signals to allow the controls over a variety of hardware and software components in the accelerator complex. This is guaranteed by the radio frequency (RF) and trigger signal synchronization for subsystems such as klystrons, pulsed magnets, and beam monitors. The main trigger signal should be distributed throughout the facility and repeated at the beam repetition rate. This trigger signal is usually generated by the same phase of an AC power line to follow the source of the fluctuation of an electrical grid and reduce the unwanted variation of the beam quality. To fulfill the needs of the multi-accelerator facility at KEK, apart from the normal trigger synchronization and bucket selection injection control, a beam operation scheme called the pulse-to-pulse modulation is utilized; hence, the complexity of the timing system increases. Uncertainty in the system and a trigger signal delivery error caused by a drastic AC power line drift are observed. Further, the effort to establish a reliable timing system at KEK and several solutions to improve the system robustness are presented.

研究动机与目标

• 解决SuperKEKB直线加速器中因交流电源线频率漂移导致的定时系统不稳定问题。
• 通过在电网条件波动下稳定定时系统，减少束流中断并提升束流质量。
• 开发并验证一种鲁棒的序列移位算法，可自适应AC50漂移，实现可靠的脉冲间调制。
• 在依赖AC50的运行模式下实现稳定运行，同时最小化束流质量的退化。

提出的方法

• 设计并部署AC50调节器模块，以稳定50 Hz交流电源线参考信号。
• 实现双模式定时系统：AC50无关与AC50相关运行模式，并支持自动切换。
• 采用8/9脉冲注入序列，以提升响应速度并降低序列移位失败的风险。
• 开发基于近期脉冲平均AC50漂移量的漂移补偿序列移位算法，以提升定时估计精度。
• 利用时间到数字转换器（TDC）测量与仿真，验证系统在极端AC50漂移条件下的性能。
• 集成锁相环（PLL）电路与基于事件的定时系统，并通过光纤传输实现射频与触发信号的同步。

实验结果

研究问题

• RQ1 交流电源线频率漂移如何影响SuperKEKB直线加速器定时系统中的定时抖动与束流质量？
• RQ2 在强AC50波动下，现有序列移位算法的失效机制是什么？
• RQ3 AC50调节器模块是否能有效稳定定时系统，并在电网不稳定期间减少束流中断？
• RQ4 在AC50漂移条件下，8/9脉冲序列相较于16/18脉冲序列在鲁棒性方面有何提升？
• RQ5 漂移补偿序列移位算法在多大程度上可应对极端AC50漂移？

主要发现

• AC50调节器模块将50 Hz参考信号稳定在±0.04 ms以内，确保了可靠的定时信号生成。
• 在强交流漂移后，从异步模式切换至同步模式的平均过渡时间为~31秒，重新同步耗时约~20秒。
• 由于响应更快且序列长度更短，8/9脉冲序列相比16/18脉冲序列显著降低了定时失败风险。
• 经仿真验证，具备AC50漂移补偿功能的改进型序列移位算法可处理-156 µs至158 µs范围内的漂移。
• 一次持续数秒的120 µs AC50漂移导致的定时故障，通过新算法成功缓解。
• 8/9脉冲序列结合漂移补偿功能计划于2021年夏季部署，证明了其实际可行性。