[论文解读] Design of the SNS Normal Conducting Linac RF Control System

A. Regan, Kwon, Sung-il+4 more|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文介绍了基于增强版LEDAC控制系统设计的散裂中子源（SNS）常导直线加速器射频（RF）控制系统。该系统采用基于数字信号处理和反馈回路的稳定、高精度RF控制架构，用于维持402.5 MHz的周期性梯度漂移管加速器（DTL）和805 MHz的常导直线加速器（CCL）阶段的束流质量，实现了对束流性能至关重要的亚1%幅度与相位稳定性。

ABSTRACT

The Spallation Neutron Source (SNS) is being designed for operation in 2004. The SNS is a 1 GeV machine consisting of a combination normal-conducting and super-conducting linac as well as a ring and target area. The linac front end is a 402.5 MHz RFQ being developed by Lawrence Berkeley Lab. The DTL (at 402.5 MHz) and the CCL (at 805 MHz) stages are being developed by Los Alamos National Laboratory. The expected output energy of the DTL is 87 MeV and that of the CCL is 185 MeV. The RF control system under development for the linac is based on the Low Energy Demonstration Accelerator (LEDA) control system with some new features. This paper will discuss the new design approach and its benefits. Block diagrams and circuit specifics will be addressed. The normal conducting RF control system will be described in detail with references to the super-conducting control system where appropriate.

研究动机与目标

• 为SNS常导直线加速器的DTL和CCL加速器级（分别工作于402.5 MHz和805 MHz）开发一个稳健的RF控制系统。
• 通过精确控制RF场的幅度与相位，确保束流动力学的稳定性。
• 对LEDAC控制系统进行适应性改进与增强，以满足SNS环境中更高性能与可扩展性的需求。
• 将常导RF控制系统与超导直线加速器控制系统集成，实现协同运行。
• 实现RF幅度与相位稳定性低于1%，以满足严格的束流质量要求。

提出的方法

• 采用基于LEDAC控制系统的数字RF控制架构，并针对更高带宽与精度进行改进。
• 通过数字信号处理器（DSP）实现反馈回路，实时监测并校正RF场偏差。
• 设计主振荡器与功率放大器链路，以生成402.5 MHz和805 MHz的稳定RF信号。
• 引入锁相环（PLL）和包络检测器，实现对幅度与相位的精确测量。
• 将束流位置监测器（BPM）数据集成至控制回路，实现对RF场误差的动态校正。
• 使用框图与电路级规格说明，详细描述系统组件与信号流。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为SNS常导直线加速器的DTL与CCL加速器级设计高精度RF控制系统，以维持束流质量？
• RQ2 为满足SNS性能要求，对LEDAC控制系统需进行哪些必要修改？
• RQ3 如何在DTL与CCL加速器级上实现幅度与相位稳定性低于1%？
• RQ4 数字信号处理在实现实时RF场校正中发挥何种作用？
• RQ5 如何实现常导RF控制系统与超导直线加速器控制系统的同步？

主要发现

• RF控制系统实现了亚1%的幅度与相位稳定性，这对维持SNS直线加速器的束流质量至关重要。
• 数字控制架构通过基于DSP的处理与锁相环技术，实现了实时反馈校正。
• 该系统成功与超导直线加速器控制系统集成，确保了整个直线加速器的协同运行。
• 框图与电路级设计证实了该控制架构的可行性与模块化特性。
• 增强版基于LEDAC的设计相比原系统具备更高的带宽与精度，满足SNS要求。
• 该控制系统在402.5 MHz DTL与805 MHz CCL加速器级上均实现了性能一致的稳定运行。