三次谐波腔的调谐环路设计与实现

发布时间：2020-10-19 20:32

　　 对同步辐射光源来说,束流寿命参数是最重要的参数之一。随着上海光源更多插入件的安装和混合填充模式的投入运行,束流寿命问题将成为上海光源面临的一个重大挑战。上海光源的束团长度短(14 ps),发射度小(3.9 nm-rad),影响束流寿命主要因素是托歇克散射。在二期改造工程中上海光源计划使用三次超导谐波腔,通过拉伸束团提高束流托歇克寿命。二期中使用的谐波腔工作在被动模式下,由束流感应建立电磁场,感应电磁场频率约为1.5 GHz,不需额外的功率源。超导谐波腔工作时,束团和谐波腔感应电压的相位差近似为90度,束流寿命提升依赖于谐波腔感应腔压幅度值。课题主要内容为研制超导三次谐波腔调谐环路控制系统,控制谐波腔腔压保持稳定。谐波腔腔压与流强成正比,与失谐频率成反比,调谐环路系统通过调节谐波腔的谐振频率调节谐波腔感应腔压大小。本文通过类比的方法,实验研究工作在被动模式下的500 MHz超导腔来分析三次谐波腔感应信号频谱特点和影响谐波腔腔压稳定的噪声。通过这部分的实验研究优化调谐环路信号处理算法和谐波腔工作模式。三次谐波腔的调谐环路是由前端变频模块、数字处理模块以及调谐器控制模块三个模块组成。前端变频模块的主要功能是将射频信号转化为中频信号,然后送至模数转换器进行采样。三次谐波腔工作频率(约1.5 GHz)为主腔工作频率(约500 MHz)的三倍。调谐环路控制系统通过谐波腔感应信号和参考信号的相位差来判断谐波腔失谐的方向,通过束流位置探测器信号来探测流强。在谐波腔调谐环路中,前端处理模块需要对对1.5 GHz和500 MHz的射频信号进行下变频处理。本文介绍了三种针对1.5 GHz信号下变频的初步方案,将1.5GHz射频信号降频为31.25 MHz中频信号。通过对比三种初步方案,提出了一种基于倍频器变频模块方案设计。方案设计的前端变频模块板卡的本振信号相位噪声低,中频信号线性动态范围大于60 dB。数字处理模块的由上海光源第三代低电平板卡和商业CPCI CPU处理板卡组成。信号处理算法和调谐环路控制算法通过上海光源第三代低电平板卡上的大容量可编程逻辑器件实现。在商业CPCI CPU处理板卡上通过EPICS对调谐环路进行参数配置和状态读取。调谐器控制模块主要功能是实现对于电机和压电陶瓷两种调谐器驱动控制,由一块低噪声高精度的适用于压电陶瓷精细控制的驱动板卡构成。综上所述,本文主要完成三次谐波腔的调谐环路系统的设计与实现。主要内容包括:被动式谐波腔感应腔压特性和噪声的研究;谐波腔控制方案的设计;调谐环路的硬件设计;谐波腔调谐环路信号处理算法;谐波腔控制逻辑的实现。已经完成三次谐波腔的调谐环路闭环测试。闭环测试结果显示,调谐环路可以根据射频信号的幅度实现压电陶瓷的精细调节;调谐环路系统在1.5小时内的幅度稳定度为+/-0.34%。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O434.1
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 背景以及意义
    1.2 超导谐波腔在电子储存环的应用
    1.3 高频低电平技术
        1.3.1 日本KEK cERL的低电平控制系统
        1.3.2 欧洲硬x射线自由电子激光的低电平系统
        1.3.3 上海光源增强器低电平系统
    1.4 被动式谐波腔控制系统
        1.4.1 HLS的4次谐波腔控制系统
        1.4.2 ALS三次谐波腔控制系统
    1.5 论文主要工作
    1.6 论文的难点和创新
第二章 超导谐波腔基本特性
    2.1 被动式谐波腔
    2.2 被动式超导腔工作状态评估实验
        2.2.1 填充模式与感应腔压频谱
        2.2.2 流强与感应腔压
        2.2.3 超导腔液氦槽压力与感应腔压
        2.2.4 失谐频率的关系
    2.3 三次谐波腔噪声预估
    2.4 小结
第三章 谐波腔调谐环路设计
    3.1 谐波腔的束团拉伸
    3.2 谐波腔控制模式
    3.3 三次谐波腔调谐环路的精度要求
    3.4 三次谐波腔调谐环路的方案初步设计
        3.4.1 控制方案中射频信号的选取
        3.4.2 BPM信号与流强信息获取
        3.4.3 三次谐波腔控制系统硬件结构
    3.5 小结
第四章 谐波腔调谐环路系统硬件
    4.1 前端变频模块
        4.1.1 变频原理
        4.1.2 混频方案中两倍频噪声的影响
        4.1.3 三种混频结构的设计与对比
        4.1.4 三种混频结构的测试与对比
        4.1.5 前端变频模块板卡设计
    4.2 数字处理模块
    4.3 调谐器控制模块
        4.3.1 调谐器控制模块的精度要求
        4.3.2 调谐器驱动模块的硬件设计
    4.4 小结
第五章 谐波腔控制方案和控制算法
    5.1 数字处理过程中主要硬件算法
        5.1.1 同相/正交(I/Q: In-phase/Quadrature)采样
        5.1.2 CORDIC 算法
        5.1.3 CIC滤波器
        5.1.4 增量型PID算法
    5.2 谐波腔的控制模式
        5.2.1 基于流强的调谐环路模式切换
        5.2.2 调谐控制环路中流强的计算的简化
    5.3 调谐环路控制逻辑和算法验证
        5.3.1 调谐环路控制逻辑
        5.3.2 控制算法的仿真验证
    5.4 小结
第六章 谐波腔调谐环路闭环测试
    6.1 调谐环路系统闭环测试系统搭建
    6.2 谐波腔调谐环路系统测试结果
    6.3 小结
第七章 总结与展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

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本文编号：2847692