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北京正负电子对撞机重大改造项目(简称BEPCII)直线加速器采用次谐波聚束器(Sub-harmonic Bunchers,简称SHBs)改善束流品质,提高正电子的注入速率。SHBs含两套独立的RF(Radio Frequency)功率系统,分别工作在142.8MHz和571.2MHz频率之下,各包括相应的低电平控制系统、RF功率放大器、聚束腔和功率传输线等。SHBs低电平控制系统是为了实现聚束腔内RF功率和相位的监测与可调可控,抑制次SHBs聚束腔内RF相位的漂移,保证束流品质而建立的。本论文的目的是研制SHBs的两套低电平控制系统,采用数字方法实现SHBs系统中RF信号幅度和相位的测量与控制,达到对SHBs聚束腔内幅度和相位变化的监测并将其控制在物理公差允许范围以内,从而保证系统的稳定运行。
论文应用控制理论、数字信号处理、微波技术、通信原理和电子技术的相关知识,完成了SHBs低电平控制系统设计和研制,工作的具体内容包括时钟与下变频器、上变频器、基于FPGA的RF信号幅度相位测量与控制器和基于EPICS的分布式网络控制软件。课题工作贯穿SHBs低电平控制系统方案确定、分系统性能测试、低电平控制系统研制、高功率实验以及系统在线调试运行。在课题完成过程中,对RF信号幅度和相位测量算法及控制方法进行了研究,并将SHBs的相位稳定度控制在±0.2°以内,幅度稳定度好于±0.5％。论文完成之时,SHBs在直线加速器上持续运行半年之久,实现了直线加速器输出束流为单束团、聚束效率达90％以上、正负电子注入速率较之前均有所提高等预期功能,为进一步开展双束团加速技术研究奠定基础。
本论文采用的RF信号数字测量方法和相关的信号处理方法的应用不仅对BEPCII直线加速器SHBs的运行具有实际工程意义,给粒子加速器RF系统低电平控制也提供了设计参考,部分算法可用在能量回收式光源和国际直线对撞机测试装置上。