[发明专利]一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法

说明书

本发明涉及回旋加速器的高频控制技术，具体涉及一种回旋加速器多腔体加速相位的智能搜索和锁定方法。该方法通过数字鉴相器对腔体取样信号和相位基准进行比较，得到腔体的相对相位差，通过模数转换器将相位差量化为16位数字量，经过数字信号处理器对腔体相位差进行智能搜索，丢弃数字鉴相器由于死区影响而输出的错误结果，调节高频腔体相位使鉴相器工作于线性区，在此区域内，进行比例积分运算，根据控制算法的结果实时修改直接数字频率合成器的相位偏移量，从而达到闭环调节系统相位差的目的。这种智能搜索和锁定方法可以提高多腔体回旋加速器的高频系统智能化程度，避免数字鉴相器死区问题带来的工程技术问题，能有效稳定加速相位，缩短高频系统启动时间。

技术领域

本发明涉及回旋加速器的高频控制技术，具体涉及一种回旋加速器多腔体加速相位的智能搜索和锁定方法。

背景技术

回旋加速器是一种利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经过高频电场反复加速以提高粒子能量的装置，其基本结构包括磁铁系统，真空系统和高频系统等等。其中，高频系统包括腔体、发射机和低电平系统，为被加速粒子提供能量。在多个高频腔体独立驱动的加速器中，高频加速相位的一致性是加速器的重要参数，失配将引起束流丢失。对于两个独立驱动的腔体，各自的Dee电压建立后，两个腔体的相位是不确定的；低电平控制系统在运行过程中受到温度、湿度以及噪声等影响，会导致信号相位随时间漂移或偶然突变。因此，相应的控制系统需要相位环路来实现多个腔体的相位锁定，以保证加速器稳定运行。

相位环路采用鉴相器实现相位鉴别。对于TYPE-II型边沿触发鉴相器，其鉴相范围为(-π，+π)。理论输出直流电压计算公式为：其中K为比例系数，Vod为输出驱动电平，PWf为输入信号频率。由于现代数字鉴相器由于器件内部延迟不可避免的存在死区，在死区内，输出直流电压不满足上述计算公式，并且非线性，不能作为反馈依据。因此需要使用软件搜索算法对鉴相器死区进行规避，调整系统相位使鉴相器工作在线性区内。

在鉴相器的线性工作区内，使用数字信号处理器根据相位差值和给定的命令进行PID计算，现代数字信号处理器主频通常在80～100MHz，具备硬件MAC单元能够实时完成大量PID算法的计算。

本发明中相位锁定的最终执行单元是直接数字频率合成器(DDS)，DDS是由J.Tierney和C.M.Tader等人提出的第三代频率合成技术。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个位相位寄存器组成，每一个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0～360°范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，驱动DAC输出模拟量。DDS输出频率为此处N为累加器位宽，f_ref为计数时钟，K为频率控制字。DDS的最小相位分辨率为在本发明中，使用DSP根据PID运算结果实时修改DDS相位控制字相，完成对相位的调节，以实现相位稳定在设定值上。

发明内容

本发明的目的在于针对目前多高频腔体回旋加速器高频加速相位锁定的问题，结合TYPE-II型边沿触发鉴相器的特点，提出一种回旋加速器多高频腔体加速相位的智能搜索和锁定方法，从而有效的防止多个腔体进行相位锁定时由于数字鉴相器死区带来的问题，稳定加速相位，缩短高频系统启动时间。

本发明的技术方案如下：一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，所述方法包括如下步骤：

(1)根据测量数据，得到数字鉴相器的Phase-Voltage特性曲线，采用最小二乘法拟合鉴相器的实际鉴相函数y＝f(φ)，与理想鉴相函数u＝kφ+b，φ∈[0,360]，b∈R对比，得到该鉴相器的死区范围φ∈U(0,δ)，确定自动搜索算法的相位判别范围δ。