强流超导加速器低电平控制算法实验研究

发布时间：2020-08-21 20:24

【摘要】：强流超导加速器是目前世界上加速器领域的前沿研究方向,加速器驱动次临界系统(ADS)质子直线注入器II是一台正在建造中的强流超导加速器,使用低?超导腔加速技术,束流流强目标值为10 mA,工作模式为连续波(CW)运行。超导腔本征品质因数(0Q)很高,一般大于109,高0Q值则意味着窄带宽。因此,超导腔对腔体本身谐振频率的变化很敏感,颤噪(Microphonics)是CW运行的超导腔体的谐振频率发生变化的主要原因。此外,强流质子束流在被超导腔加速的过程中会带走超导腔内储存的高频功率,从而造成腔体电压下降。超导腔体电场幅度、相位的波动使后来的束团不能得到有效的加速,对束流品质产生影响。本文主要研究解决以上强流超导加速器运行过程中面临的相关问题。首先,本文从超导腔等效电路模型出发,建立了超导腔—功率源级联耦合等效电路模型、超导腔离散差分数学模型。在此基础上,对超导腔进行数值计算与分析。计算结果显示,超导腔谐振频率的微小变化以及强流长脉冲束流对腔体电场造成很大影响。接下来,为测量颤噪对低?半波长超导腔(HWR)的影响,本文研发了新型数字化颤噪效应测量系统。经过系统性能测试验证,该测量系统的频率测量精度好于0.2 Hz。在此基础上,首次对测试低温恒温器(TCM)和低温恒温器6(CM6)中的HWR超导腔的颤噪效应进行了在线测量与实验结果分析。此外,本文在高频腔自激环路理论的基础上,对其理论应用中的问题提出了新的论点,在此理论基础上,本文研发了数字自激低电平系统,并在HWR010超导腔上成功完成测试验证。该系统可极大地缩短超导腔频率跟踪与建立腔体电场的时间,同时也是超导腔高频老炼的必备方案。最后,本文第五章中讨论了克服束流负载效应的补偿方案。为克服束流负载效应对超导腔体电场的影响,在负反馈控制理论的基础上,本文研发了束流负载的前馈补偿方案,并成功用于10 mA脉冲质子束流的物理调束实验。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL503
【图文】：

第一章 介绍 1第一章 介绍1．1 ADS 质子直线注入器 II加速器驱动次临界系统（ADS）是目前世界上处理核废料最有效的技术方案，其基本原理是，利用强流质子加速器产生的高能质子束轰击重金属靶引起裂变反应，产生高通量中子作为外中子源来驱动和维持次临界堆芯发生持续的链式反应，使长寿命放射性核素嬗变为短寿命或无放射性核素[1]。强流质子加速器是 ADS 系统中的关键组成部分之一，ADS 质子直线注入器II 是正在建造中的超导质子直线加速器，其设计指标为 25 MeV@10 mA 连续波（CW）运行[2]，已建成的 5 MeV 直线加速段的整体装置示意图如图 1.1 所示。

图 1.3 SNS 使用的第二代低电平控制机箱F 的低电平控制系统借鉴 LBNL 的设计方制系统。SSRF 的第一代低电平控制系统理基于 FPGA 商业开发板，FPGA 与 PC 之SSRF 的第二代低电平控制系统进行了系新设计，模拟与数字电路板分开制板。图物图[11]。

(a)(b) (a) HWR010 超导腔几何结构(b) HWR010 超导腔实物腔中的另外一种新型腔体结构量段。图2.2中所示的腔体图片oke 腔同样属于半波长同轴传

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