[发明专利]一种直线超导加速腔快速建立稳定射频电场的方法及系统

说明书

本发明公开了一种直线超导加速腔快速建立稳定射频电场的方法及系统，所述系统包括：外部参考源、功率放大器、定向耦合器、直线超导加速腔、信号采集处理器；本发明通过自动搜索环路自激振荡相位，设计环路增益大于1和采用限幅放大器保证自激振荡后环路增益等于1，使直线超导加速腔射频环路工作在稳定的自激振荡条件下，并通过快速调整环路相位达到直线超导腔自激振荡频率和外部参考源锁相参，从而直线超导加速腔在初始启动状态、打火故障快速掉场快速恢复等情况下快速建立射频电场的功能，通过实时采样腔体取样信号幅度、相位和频率分别和设定值比较处理后形成实时反馈控制达到建立稳定的射频电场。

技术领域

本发明涉及粒子加速器技术领域，用于实现直线超导加速腔快速建立稳定的射频电场，具体是一种直线超导加速腔快速建立稳定射频电场的方法及系统。

背景技术

射频直线超导加速腔已经大规模地应用到粒子加速器领域，其优越之处在于它可以在连续波(CW)或长脉冲工作模式下，提供高的加速梯度。

超导加速腔的表面电阻比铜腔的小6个数量级，其固有有载品质因数Q_L一般大于10⁶。

在CW模式下运行的TTF超导腔的平均加速梯度大于23.5MV/m，铜腔在CW模式下，一般加速梯度仅能达到约1MV/m。

但是与超导磁体不同，超导加速腔腔体上的射频功耗必须用液氦冷系统消除，尽管如此，同样规模的超导加速腔的总功耗只有铜腔的几百分之一。

RF加速结构会影响束流品质，如能散、发射度、束晕、流强等，而大束流孔径的超导加速腔能减小对束流品质的影响，超导加速腔的高加速梯度能够减少腔的数目，缩短CW加速器的长度，由于超导加速腔腔壁损耗极小，超导加速腔束流孔径大，可以有效地减小束腔相互作用，超导加速腔有载品质因数Q_L很高，带宽很窄，腔体带宽与Q_L之间的关系如下：

直线超导加速腔的有载品质因数Q_L约为10⁶，谐振频率大概在150.4MHz，其半带宽只有约100Hz，超导加速腔的谐振频率由腔体形状决定，任何腔体形状的变化都会引起腔体本征频率的改变，洛伦兹力和颤噪是使超导加速腔腔体失谐的主要因素。

为了快速得到稳定高品质束流，那么对于加速束流的超导加速腔就需要快速建立足够稳定的射频电场，而射频电场强度和射频电压直接相关，射频电压Y＝Acos(2πf+θ)公式1，从公式中可以看出射频正弦波的三大基本要素幅度A，相位θ，频率f。所以要快速建立为稳定的射频电场，就需要馈入和加速腔本征频率相同的射频信号，并且维持加速腔内射频信号的幅度、相位和频率稳定。但是由于超导加速腔Q_L值极高，频率带宽极窄，所以通过改变外部馈入射频信号频率寻找腔体本征频率时间很长，并且工作过程中腔体本征频率会随着腔体发热变形、机械振动等因素发生改变，所以需要实时改变外部馈入射频信号频率追踪腔体本征频率的变化或者实时改变腔体本征频率追踪外部馈入射频信号频率，但是由于一般直线超导加速器包含高达几十个超导加速腔，超导加速腔之间存在一定差异性，所以只能采用实时人为改变腔体本征频率追踪外部馈入射频信号频率。

发明内容

发明目的：提供一种直线超导加速腔快速建立稳定射频电场的方法及系统，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种直线超导加速腔快速建立稳定射频电场的方法，包括：

S1、初始状态，射频关；

S2、上位机设置调谐控制器工作，调谐控制器控制调谐电机调节至原点位置，此时调谐电机停止不动；

S3、上位机设置幅相控制器工作在自激震荡模式，控制射频环路相位使环路自激振荡，振荡的射频信号为工作频率附近幅度最大的射频信号，此时幅度稳定单元投入工作；