中国散裂中子源直线射频系统研制进展和调束运行概况

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1 中国散裂中子源直线射频系统研制进展和调束运行概况
李 健，徐新安，慕振成，周文中，荣林艳，刘美飞，王博，谢哲新，万马良，张宗花，乔际民 （ 中国散裂中子源首届年会， ，广东省，惠州市）

2 CSNS LINAC RF系统概况

3 CSNS直线加速器的设计束流流强30mA，输出能量为81MeV，由1个RFQ加速器、中能束流传输线（MEBT）的2个聚束器（Buncher1、Buncher2）、4节DTL物理腔和直线—环束流传输线（LRBT）的1个散束器（Debuncher）组成。

4 CSNS直线加速器的所有射频功率源的工作频率为324MHz，脉冲重复频率为25pps，RF脉冲宽度为650μs，RF占空比为1
RFQ加速器由两套4616型四极管高频功率源双路馈送功率，整机最大输出功率为2×350kW； 四台单元式的速调管功率源驱动四节DTL物理腔，每个单元可输出2.5MW的峰值功率； 三台25kW固态放大器射频功率源用来驱动MEBT的两个聚束器和LRBT的一个散束器； 每个功率源单元配有独立的数字化高频低电平控制系统 (LLRF)，以独立控制加速器腔高频场的幅度和相位。

5 数字化高频低电平控制系统

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7 根据先前美国SNS运行debug经验发现，模拟组件（包括上下变频、滤波放大等）易受环境温度影响，这一缺陷会引起的加速器腔场相位的温漂，从而带来束流损失。CSNS LLRF采用了恒温机箱的工艺结构，上下变频、滤波放大等模拟器件全部置于小型半导体恒温箱内。 恒温机箱 当输入RF信号恒定时，模拟组件受温度变化的影响，导致测得的幅度和相位发生变化： 温度25至35 ℃ →幅度+1.7%至-2.5%，相位+1.9 °至-3.0 °（以工作温度30℃ 的值为基准）。

8 测量腔体失谐频率、Q值和失谐角：传统的测量腔体的谐振状态的方法是，测出进入腔体功率馈送环之前的正向RF相位和来自腔体pickup的腔场RF信号的RF相位，两个信号的相位差表征着腔体的谐振状态。CSNS LLRF系统不仅采用了测量两信号相位差的方法，而且同时采用了测量功率源RF脉冲结束之后加速腔高频场自由衰减振荡状态的方法，以定量地测出腔体失谐频率、Q值和失谐角。 在此基础上，可使LLRF输出信号变频及幅度的逐级上升和下降，实现自动老练、冷腔预热warm-up等功能。

9 对九七三ＡＤＳ项目的ＲＦＱ加速器在调试过程中的一个实测结果：
利用最小二乘法对数据进行处理计算，拟合得到的结果（红线）与实测值（蓝点线）几乎完全重合。 腔体的衰减时间常数： 腔体的有载品质因子QL： 腔场幅度衰减曲线 拟合得到曲线的斜率为： 失谐频率为： 原始采样数据 腔体的失谐角为： 相位变化曲线

10 CSNS直线RF参考线分配系统 RF参考线分配系统用于传输直线低电平控制系统和束测系统所需的基准RF参考信号，其长期温漂相位稳定性直接影响到LLRF相位控制的稳定性。 副隧道中的恒温参考线 技术要求：长期相位稳定度±0.1° 工艺方案： 1、选择温度系数低的ANDREW 稳相电缆（-2~6ppm/℃）置于隔热恒温的水套内。 2、参考信号与pickup信号采用一对等长的同轴稳相电缆且走线路径相同传送至LLRF机柜，以抵消这对电缆温度变化引起的共模相移。 3、采用噪声系数小，相噪低的放大器，置于恒温箱。

11 CSNS直线RF参考线分配系统——稳相电缆温度相位稳定性测试
实验测出的相位/温度系数为3.5、5.0、6.6ppm/℃（温度17~27℃）

12 CNS直线本振LO分配系统 技术要求：低相噪，以保证LLRF腔场相位控制精度；所有LLRF分站所需的LO信号都来自于一个本振产生模块，即统一的一个LO源，以保证每次上电后各分站得到的LO信号具有一致的相位初始状态，以保证直线加速器的腔间相位控制的重复性。 工艺方案： 1、用参考信号的一路作为基准输入，由此生成全部全相参的本振信号； 2、由一个本振源分功分配到各个LLRF分站； 3、由于LLRF采用上下变频架构，所以本振信号受长期温漂影响所带的相位变化是共模相移，上下变频过程中得以抵消，不会影响LLRF的相位控制，所以本振分配系统不需要严格保温。 12

13 CNS直线本振LO分配系统——本振源相位噪声测试
CSNS本振相噪 优于 SNS 本振相噪 相位噪声曲线

14 频控环tuner调谐控制系统 LLRF测量失谐相差的公式： Δ φ =腔体功率耦合器输入信号相位-腔体pickup信号相位
Limit switch Servo motor Displacement sensor LLRF测量失谐相差的公式： Δ φ =腔体功率耦合器输入信号相位-腔体pickup信号相位 通过多种方法找到f0设定相差，作为所需腔体谐振状态的参考值，将这个设定相差与LLRF测得的实际失谐相差对比得到一个相位差值，若此相位差值超过启动门限则频控环自动调谐功能启动，自动调整可动tuner位置使腔体谐振；若此相位差值调至停止门限以内，则自动调谐功能停止，切换到手动调谐。 DTL腔及聚束腔、散束腔均采用都有可动tuner调谐

15 监测及控制软件 LLRF监测及控制软件是整个高频系统运行的操作杆。 用于操控数字控制组件、高功率联锁保护及功率采样系统、射频快保护板之间的通信，完成LLRF所需的各种控制及监测功能。 正向功率 腔场幅度 反向功率 腔场相位 VSWR LLRF参数控制界面 VSWR保护及功率显示界面

16 设计指标 束流100μs & 10mA RFQ Buncher2 DTL2 幅度稳定度 <±1％ <±0.47％ <±0.23％ <±0.4％ 相位稳定度 <±1° <±0.4° <±0.15° No beam, feedback on 50μs & 20mA beam, feedback on 幅度 相位 出束运行中，8套LLRF控制系统运行稳定，腔场幅度、相位控制精度满足出束要求，增加的各种功能（如邻腔相位监测、自动变频功能、自动老练），为加速腔老练、调试运行提供了方便。

17 RFQ 4616型四极管高频功率源

18 RFQ加速器4616型电子管功率源 RFQ加速器有两个功率耦合器，物理设计所需的RF总功率为530kW，两套4616型四极管末级放大器通过两路6-1/8英寸同轴馈线向RFQ加速器馈送RF功率，两套四极管末级放大器总的设计输出功率为350kW×2，足以满足物理设计的要求。 末级功率放大器机柜

19 研制背景 对于RFQ加速器，目前国际上各大工程项目常规的方案通常采用的是速调管功率源，但特定于CSNS RFQ 设计指标（ 324MHz/530kW/650μs/25pps），我们选用了美国BURLE公司的4616型四极管，相比于速调管功率源，四极管方案具有造价低、体积重量小、电压低、效率高等优点，该四极管可工作于195MHz至600MHz的RF频率，其较宽的工作频率和较大的输出功率非常适合用于RFQ加速器所需功率等级的功率源，摆脱了RFQ传统功率源的速调管频率单一、费用高的束缚。 在国际上尚无用于324MHz工作频率的先例，要承担一定的技术责任和技术风险，而且线路相对复杂，调试难度大。 考虑到CSNS的经费非常紧张，为了节约经费，同时技术上有所创新，我们最终决定进行研制，亦可以开辟一个新的功率源品种以供加速器设计者选择。

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21 研制过程 2013年12月完成了RFQ 4616电子管高频功率源在假负载上高功率拷机调试，整机达到连续48小时无故障不掉电稳定运行。
2014年3月，全部4616电子管高频功率源设备运抵广东东莞CSNS装置地现场，随后在一号测试厅进行了整机的安装调试工作，并于2014年6月完成对RFQ加速腔的高功率老练。 2015年1月至3月完成了4616电子管高频功率源从一号测试厅至直线设备楼速调管大厅的搬迁、正式安装与调试工作；2015年4月初开始与RFQ加速腔的出束联调， 4月21日RFQ加速器成功引出3MeV、脉冲宽度50µs的负氢离子束流，这也是CSNS加速器引出的第一股束流，是CSNS工程的一个重大里程碑。在之后的CSNS调束运行中，该设备完全满足物理调束运行需求。 CT探测的负氢离子束流 两套4616电子管高频功率源功率传输馈管上的定向耦合器正向rf采样波形

22 CSNS工程整体工艺验收前夕经历的一起惊心动魄的故障抢修
CSNS工程整体工艺验收现场测试是2018年3月10日-13日，而就在验收测试前夕的3月9日凌晨，RFQ功率源的2#末级放大器的4616电子管出现帘栅极与阴极短路故障损坏。由于所有验收组专家已抵临东莞，课题组承受了巨大的压力！紧急更换上先前替换下来的一支旧电子管（先前已运行约7000灯丝小时），按常规流程，在完成了安装之后，还需要较长的时间进行功率提升以老练电子管真空，经过连续30多小时争分夺秒的紧张工作，10日上午更换上的旧电子管终于能够正常工作，得以保障了CSNS工艺验收的顺利进行。 (损坏的故障管其实是支新管子，此管才工作了1848灯丝小时，即发生帘栅极与阴极短路故障，寿命过短)

23 聚束腔及散束腔的三套固态放大器射频功率源

24 CSNS直线加速器每个聚束器最大腔耗为16. 14kW，散束器采用CCL腔体结构，最大腔耗为16
CSNS直线加速器每个聚束器最大腔耗为16.14kW，散束器采用CCL腔体结构，最大腔耗为16.3kW，三套功率源系统分别通过3-1/8英寸同轴馈管向聚束器/散束器馈送射频功率。 三套功率源系统采用统一的冗余设计方案。主要技术指标为：工作频率为324MHz，RF脉冲重复频率为25Hz，RF脉冲宽度为650μs，占空比为1.625%，P1dB输出功率为25kW。

25 关键工艺： 用CST对馈管建模分析传输损耗，同时再综合考虑腔耗、传输线损耗、rf控制裕量等因素，确定功率源额定功率为25kW。
冗余设计，每个阵列都有备份的功放模块和电源，保证系统稳定性。 采用功放模块内置环行器及吸收负载方案，可省去功率传输系统的大功率环行器及吸收负载，以节省经费。 主体结构采用内塔外柜式，维护维修方便。 备份电源 环行器 吸收负载 频率为324MHz时，100m馈线的插入损耗-0.9dB，功率传输损耗19% 25

26 驻厂监督，质量控制 质量控制： 功放模块一致性要求高，140多个功放模块。 增益偏差：小于±0.4dB 插入相移偏差：小于±5°
取样接口盒调试 功放模块性能测试 现场解决的问题： 功率检测不满足要求 功率源射频脉冲顶降不达标 检波器检波波形异常 监控量的校准 保护门限调整 每套功率源系统由40个功放模块进行合成得到最终功率，如果各功放模块的增益和相移一致性差, 将导致合成器输入端的幅相不平衡, 合成效率低，输出功率不达标，因而必须严格控制一致性。 控制板调试 系统调试 26

27 关键问题解决 问题：高频脉冲峰值功率较大，且对上升下降沿、顶降等指标要求严格，脉冲顶降大小直接影响放大器的幅度和相位稳定性，调试中发现整机输出rf信号顶降为2.4%没有达到技术要求(<1.5%)。 解决方案：改进匹配线路及储能回路 效果：高频脉冲顶降由2.4%降到0.7%，优于指标要求 改进后顶降0.7%

28 研制过程 2012.10，确定整体方案 2013.01，签订合同 2013.05，完成技术方案评审 2013.07，完成关键器件的研制
，投入生产 ，关键器件调试 ，整机安装 ，整机联调 ，出厂测试 28

29 在测试厅预安装调试→老练聚束腔 为了抢工程进度，尽早发现及解决问题，在加速器隧道基建施工未完成的情况下，在测试厅提前开展腔体高功率老练 。2014年7月底设备运到东莞后，在测试厅搭建老练平台，用两套固态功率源对两个聚束腔进行了首次高功率老练，进腔功率14kW满足设计要求。 调试现场 29

30 CSNS现场最终验收 最终验收测试框图 FB off

31 在出束运行期间，聚束腔及散束腔三套功率源系统输出功率满足调束需求，三套功率源运行稳定可靠、零故障。
运行中解决的关键问题 问题 解决方案 效果 设备最初连续运行中，每套功率源系统都有几个电源模块出现故障，导致相应功放模块无功率输出。 故障源头来自电源模块中的变压器烧坏，采用耐压更高的变压器替换；外部原因是受现场速调管高压电源谐波干扰影响导致进电网侧有峰值尖刺，解决办法是将速调管高压电源网侧加装谐波滤波器抑制THD。 通过这两项改进后，从2017年11以后，电源模块未出现故障，大大提高了功率源系统的长期稳定性。 出束期间无功率输出时，不发保护信号给MPS，导致在无功率时束流仍有输出。 优化功率源联锁保护逻辑，在VSWR保护组件中增加beam-gate期间功率低时给MPS发保护信号的保护逻辑功能。 避免了在低功率或无功率时仍有束流的情况，目前此保护逻辑也移植到了RFQ的LLRF中。 在出束运行期间，聚束腔及散束腔三套功率源系统输出功率满足调束需求，三套功率源运行稳定可靠、零故障。 进电网侧的峰值尖刺

32 用于速调管的串联谐振高压电源

33 串联谐振脉冲高压电源的优化（100Hz→400Hz）
早在2005年11月，我们提出了一种当时全新的、国内外均尚无采用的设计方案——“交流谐振充电、脉冲放电”的新型脉冲高压电源设备，即串联谐振脉冲高压电源。其原理是，采用变频技术，得到所需谐振频率，再利用交流谐振电抗器和交流谐振电容器的串联谐振特性，得到交流高压，再经隔离硅堆向直流储能电容器进行充电，以在直流储能电容器上得到直流高压，再通过脉冲调制器控制速调管的导通时间，直流储能电容器脉冲放电，使速调管工作于脉冲状态。此方案具有结构简单、运行可靠、故障率低、便于维护等优点。 CSNS预研二期启动的串联谐振脉冲高压电源性能样机的谐振频率为100Hz，2008年6月研制成功。 为了优化电源设计，提高效率、减小整机的体积和运行噪声，改进方案将谐振频率由100Hz提高到400Hz。

34 400Hz的串联谐振脉冲高压电源的技术指标 谐振充电电压 120kV（最大峰值） 谐振充电电流 60A（最大峰值） 谐振频率 400Hz
直流储能电容器的直流工作电压 120kV 速调管上的高压脉冲电流宽度 1ms 脉冲重复频率 25Hz 谐振电抗器参数 电感值：0.799H，品质因数≥300 谐振电容器参数 电容值：0.198uF±1%，正切损耗tgδ＜0.08％ 直流储能电容器参数 电容值：18uF，绝缘阻抗 硅整流元件 300kV/ 10A 变频电源输出有功功率 ＞250kW 谐振回路空载品质因数Q值 >200

35 利兹线线股的束线与绞线加工工艺，以及最终的成品照片
谐振电抗器线圈的关键工艺难点1——利兹线线股的制作： 当串联谐振频率提升至400Hz时，电抗器线圈的趋肤效应和邻近效应逐渐显现出来，这在工频50Hz或100Hz下是可以忽略不计的，但在400Hz谐振频率下如不加以克服，则损耗功率会增大几倍至十几倍，导致Q值大大降低，电源效率变差。经过摸索实验，最终采用细漆包线为原材料制作加工特制的利兹线线股绕制谐振电抗器线圈的设计方案，以克服高工作频率下的趋肤效应和邻近效应。 利兹线线股的束线与绞线加工工艺，以及最终的成品照片

36 谐振电抗器线圈的关键工艺难点2——全磁屏蔽空芯电抗器：
为了减小噪声，提高效率，采用全磁屏蔽空芯电抗器结构设计方案，通过空芯线圈的外围磁轭使外围磁通得以屏蔽，漏磁很小。 油浸式全磁屏蔽空心电抗器

37 两种电源的比较 2008年6月研制成功的100Hz电源 2014年交付CSNS的400Hz电源
谐振电抗器 谐振 电容器 直流储能 谐振电抗器 4.2 m 2.3 m One Semi-rigid bellows duct was used to link ac inductor and ac capacitor together so avoiding ac 120 kV HV cable interconnecting. 100Hz电源的32个分立交流电容器改为400Hz电源的由四个电容组成的集成电容器，体积大大减小 谐振电容器

38 400 Hz resonance high voltage waveform from HV probe
测试结果 400Hz电源在厂家出厂验收测试中，在120kV满电压工况下，各项测试结果均达到设计指标，谐振回路空载品质因数Q值达到250以上，系统工作稳定。 Ac peak voltage 400 Hz resonance high voltage waveform from HV probe

39 速调管功率源系统

40 速调管功率源系统架构 CSNS速调管高压电源采用一拖二架构：一台高压电源首先连接一台撬棒快速保护装置（撬棒用来保护贵重的大功率速调管，当速调管内部发生高压打火或者调制阳极过流时，系统中的高压能量将通过撬棒在几微秒内从储能电容内部及速调管内部转移走），撬棒之后分两路并联连接2台脉冲调制器和2支速调管，从而为2支速调管阴极（Cathode）提供恒定负高压，速调管是配有调制阳极（Mod Anode）的三极式速调管，每支速调管由一台刚性浮台开关式脉冲调制器驱动，控制速调管的脉冲调制的电子注电流，进而输出rf脉冲功率。 系统技术指标为：速调管阴极电压-110kV max.；调制器DC脉冲宽度为750μs； RF工作频率为324MHz，脉冲重复频率为25Hz，RF脉冲宽度为650μs，占空比为1.625%；射频场的场幅与相位稳定度分别为±1%和±1°；速调管最高饱和输出功率可达3MW，最大平均输出功率为93kW。

41 120KV高压刚性固态脉冲调制器 调制器核心部分为固态高压开关，由150个场效应管串联构成，通过控制高压开关的打开和关断来形成高压脉冲加到速调管的调制阳极。工艺难点在于150个场效应管的同步问题和均压问题，对开关的整体一致性要求较高，严格要求所有场效应管同时打开、同时关断，如果打开/关断不一致就会出现部分场效应管承担120kV电压的情况，会使部分场效应管损坏，同步问题解决办法：1）快响应脉冲变压器工艺设计方案；2）严格的制造工艺和器件一致性筛选流程。均压问题问题解决办法：配以一致性较好的静态均压和动态均压网络。 在调制器投入运行过程的三年中，工作基本稳定，只有一个固态高压开关出现损坏被更换。

42 CPI 速调管真空问题和电子枪振荡问题 所有CPI速调管在运输过程中遭遇真空泄漏，返厂维修后CPI改进加强结构，返回东莞的速调管改为气垫车运输。 三支CPI速调管在特定电压下会出现785MHz电子枪振荡（Q值近6000），致使脉冲下降沿振荡无法加高压，CPI改进设计加装了铁氧体片组件，降低此振荡模式的Q值，抑制了振荡。

43 CSNS调试进展及调束运行

44 Milestones 2017年底最后一支返修速调管到场加电调试成功，随即，直线加速器的出口束流达到了80MeV的设计指标。2018年3月10日-13日进行了专家组CSNS工程整体工艺验收现场测试。

45 2018年春节假期期间，加速器运行稳定，束流功率和连续运行时间均创调束以来的新高，也创造了连续24小时无故障运行的记录。打靶平均束流功率超过13kW，为谱仪供束效率达到85%。

46 谢谢 !