电子直线加速器磁控管工作频率的稳定

1、第 9卷第 2期1997年 5月 强激光与粒子束 H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S V o l . 9,N o. 2M ay . , 19973国家级产学研项目 。 1996年 8月 1日收到原稿 , 1997年 4月 6日收到修改稿 。席德勋 , 男 , 1939年 4月出生 , 教授 。电子直线加速器磁控管工作频率的稳定 席德勋赖青贵(南京大学加速器研究所 , 南京 210093摘要 介绍一种利用谐振腔输出能量 -输入频率关系作为鉴频方法的稳频系统 , 由于将谐振腔输出信号进行积分保持 , 降低了高压脉冲对系统的干扰 , 也提高了频

2、率稳定度 。系统中采用 了高频率步进电机伺服子系统 , 使功耗大为减少 。 系统工作频率为 2856M H z , 不稳定度 不大于±7×10-6。关键词 电子直线加速器 输出能量 -输入频率关系 积分保持 稳频系统 高效率步 进电机伺服子系统 不稳定度ABSTRACT T h is paper describes a frequency stab ilizati on system w h ich u ses the frequencydiscri m inating m ethod w ith ou tpu t energy 2inpu t frequency rela

3、ti on sh i p of a resonance cavity . To in tegrate the ou tpu t signal from the cavities no t on ly reduces the distu rbance from the modu lating pu lse , bu t also increases the frequency stab ility . A h igh efficiency stepp ing mo to r servo sub system is u sed , the pow er of the sub system is d

4、ecreased eviden tly . T he stab ilized operating frequency of the L I NA C is 2856M H z and the un stab ility of the system is no t larger than ±7×10-6.KEY WOR D S ou tpu t energy 2inpu t frequency relati on sh i p , in tegrating 2and 2ho ld , frequencystab ilizati on system , h igh effici

5、ency stepp ing mo to r servo sub system , un stab ility0引 言电子直线加速器工作频率的稳定决定于功率源 (大功率脉冲磁控管 振荡频率的稳定与 否 。 磁控管振荡频率不稳定由两种因素引起 , 一是调制脉冲幅度不稳定所致 , 这可由脉冲稳幅 方法解决 (D e -Q 电路 1, 二是由磁控管工作温度变化引起 , 这就要用调谐磁控管振荡频率 的方法使其振荡频率稳定 。 频率稳定系统中关键部分是频率偏差的检测 , 一种办法是将功率源 输出的频率和频率标准比较 , 得到频率偏差信号 , 该信号经放大后驱动伺服系统 , 调谐磁控管 , 达到稳定磁控管

6、振荡频率的目的 , 这是频率反馈方法 。 另一种办法是用鉴相方法 , 在加速管的 功率入口处和负载处引出信号 , 通过适当调节的移相器后 , 进行鉴相 , 将误差相位信号放大后 驱动伺服系统调谐磁控管 , 达到稳定磁控管振荡频率的目的 。 这里需要增加一谐振腔 , 使磁控 管先工作于谐振腔的谐振频率附近 , 以保证锁相环工作在相位锁定区域内 。 这两种方法 , 对行 波电子直线加速器而言 , 前者频率稳定度可达 2×10-5, 后者小于 1×10-5。本文所论述的频率稳定系统与上述方法的不同之处在于频率偏差信号不是根据鉴频特性 的频率 -幅度关系 , 而是频率 -能量关系

7、, 从而提高频率稳定度 。1鉴频器的输出能量 -输入频率关系 2通过式谐振腔在连续波使用条件下 , 平方率检波器输出直流信号 , 它的幅度代表谐振腔的输出功率 。 如果输入的微波受脉冲调制 , 则输出信号波形只有在输入频率是腔体谐振频率时才 近似为调制脉冲波形 (矩形波 。 若微波频率偏高 , 输出波形在脉冲宽度内类似于电容充电波 形 , 若微波频率偏低 , 则输出波形有相当的顶降 。在腔体 Q 值较高时 , 调制脉冲结束后 , 腔体要 释放能量 , 波形后沿不是阶跃式而是呈指数下降式 。 在强干扰情形下 , 仅用检波器输出脉冲的 幅度信息表示输入频率对腔体谐振频率的偏离不易提高稳频系统的控制

8、精度 。 利用腔体输出 能量对频率偏离的关系不仅对抗干扰有好处 , 而且可以提高系统的控制精度 。设进入腔体的微波电流为 I sin t (为圆频率 , 0 t , 为调制脉冲宽度 , 腔体的响应是 G 0e -# 2sin c t (腔体品质因素 Q , 谐振频率 c , #=c Q 为腔体功率谱的半高全宽 。微波电 流和腔体响应的频谱分别为 :I ( =2j0(e j 0t -e -j 0t e -j t d t (1 G ( =2j 0(e j c t -e -j c t e -G t 2-j td t (2 它们的归一化功率谱由式 (3 和式 (4 表示 :P I ( =j (0- -

9、j(0- 2(0- 2(3P G ( =2G 2 4+(-c 2(4 上两式中所含的 0+和 c +因子已略去 。 于是腔体输出的归一化功率谱可以用 P ( =P I ( P G ( 表示 :P ( =242 j (0- -j (0- (0- 2#2 4+(-c 2(5将上式在 (- , 上对频率积分得到腔体输出能量E 0= 2 2jX -j 64X 22G 2 4+(X + 2d X (6 式中 X =20, =0-c 。 令时域负载电阻为 18, 根据 Paseval 定理 - f 2(t d t = - P ( d (7时域表示的能量和频域表示的能量相等 , 于是可用分析频域能量对 和

10、#的关系来等效时域 能量对 和 #的关系 。 如果检波器在平方律区域工作 , 则检波器输出信号 (电压脉冲 对时间 的积分就相当于得到正比于腔体输出能量的信号 。 将式 (6 积分得到E 0=222 #2 4+ 2+2 22-# 222#(#2 4+ 2 2(8 它有一个最大值E 0m ax =2+-#(9 在满足条件 # >13 50时 , 不仅 E 0只一个极大值 (即最大值 , 而且能满足在 >0或 <0区域内其斜率特性均为单峰曲线 。 从上述分析不难得到Q m ax =50c 13(10391第 2期 席德勋等 :电子直线加速器磁控管工作频率的稳定2品质因素的选择根据

11、式 (8 , 令频偏 以腔体功率谱半高全宽 #来表示 , 当调制脉冲宽度 =2. 5s 时 , 可 以作出腔体输出的归一化能谱和其斜率 。 为使鉴频点的灵敏度高 , 工作点应当选择在鉴频特性 (归一化功率谱 斜率最大处 。 对照图 2, 当 =±1. 4#时 , 斜率有最大值 。 在双腔鉴频器中 , 两 腔体的谐振频率应取为 c2=0+1. 4#, c1=0-1. 4#。 #小相当于品质因素高 , 但是腔体输 出总能量下降 (相对于固定的 P I ( 而言 。 为了兼顾灵敏度和腔体输出信号强度两方面 , 令K =E 0 E I =( - P ( d ( - P I ( d (11K

12、是在输入输出功率谱归一化条件下腔体输出对输入能量之比 (不考虑腔体输入输出的耦合 系数 , 改变 #, 则 E 0 E I 随之而变 , 斜率 d E 0 d 也随 #的值而变化 , 于是可以作出 K d E 0 d 的关系 (图 3 。 令S =K X d E 0 d K =K X(12 当 K X =K A 时 , S 为 S m ax , 此时鉴频灵敏度和腔体输出强度的配合为最佳 , 由图 3得到最佳点 A 的坐标是 (0. 5686, 0. 1660 , 对应的 #=4 , 于是最佳腔体品质因素可选择为Q =# #=4(13 F ig . 1 N o rm alized energy

13、spec 2trum of the cavity ou tpu t图 1腔体输出的归一化能谱 F ig . 2 Slope cu rve of no rm alizedenergy spectrum 图 2归一化能谱的斜率F ig . 3 Cu rve of K vs d E 0 d 图 3 K d E 0 d 曲线 3稳频系统的实现3. 1鉴频器 2鉴频器由如下部分构成 :前置部分 (包括两个同步调谐的腔体 , 两个检波器 , 前置级 , 两道 积分保持器 , 峰值保持器 , 比较放大器 , 两道增益控制器 , 增益选择器 , 比较器和加法器 (图 4 。 积分保持器是能量频率检测方法的重要

14、部件 , 它们的积分电容电压在调制器同步脉冲 到来时全部放电到零 , 而在高功率脉冲到来时 , 对腔体检波器输出的信号 (包括腔体释放能量 部分 进行积分 , 而后是保持 , 一直到第二次同步脉冲到来时又放电 。 因此在保持期间 , 积分保 持器的传递函数形式为 F ig . 4 F requency D iscri m inato r图 4鉴频器T (s =-sT s 2(14图 5和图 6是积分保持器及其响应 。图 6中的 V in , V , V out 是输入 、 第一运算放大器输出和输出 的响应 。 设在积分期间输入信号 V in (s , 输出 V out (s , 电路传递函数T

15、 CH (s =-sCR 2+1-1+R 4 R 3=-sCR 1R 2 (R 5=R 4; R 1+R 3 (15 F ig . 5 In tegrating 2and 2ho ld circu it图 5积分保持电路 F ig . 6 R espon se of in tegrating 2and 2ho ld circu it 图 6积分保持电路的响应为防止调制器干扰 , 同步信号经脉冲变压器输入稳频系统 , 积分保持器的放电门和积分门 均由 CD 4066B 构成 , 功率信号由主波导另一定向耦合器输出 , 比较放大器输出正信号 (接近 +12V 并适当拉宽至约 7s , 以保证把腔体

16、释放能量的信号也进行积分 。 功率信号也输至峰值保 持器 , 其输出分两路 。 一路进入增益选择器 , 选择器根据功率信号电平 (相当于磁控管输出的不 同功率 , 此功率在加速器一次工作期间不会改变 , 使两路增益控制器的增益可工作于三种不 同的增益状态 (在加速器调整时选择好 , 这样可以使稳频系统的精度大致不变 。 另一路作为稳 频启动信号 , 只要超过一定阈值 (预先确定 , 系统就开始工作 。 两路增益控制器的输出进行比 较以产生频偏的方向和幅度信号 , 同时两输出相加以识别磁控管振荡频率是否进入鉴频特性 曲线 。3. 2信号处理部分该部分有一个搜索和稳频开关 , 当鉴频器中加法器输出

17、小于规定的阈值时 , 系统呈搜索状 态 , 伺服电机高速调谐磁控管 。 由于调制器开高压时磁控管的脉冲电压分两级突加 , 因而振荡 频率开始总比规定的工作频率低 , 于是本部分中有一电路保证在系统工作后伺服电机搜索频 率的方向使磁控管振荡频率向高调谐 , 以最快速度进入稳频工作范围 。 另外为满足调试需要 , 本部分使稳频系统有三种工作模式 :一是搜索状态 , 二是自动稳频状态 , 三是手动调谐状态 。 在 搜索状态时 , 根据调谐机构的界限信号 , 可使磁控管振荡频率在容许的范围内来回变化 , 以备 由于某种特殊情况当磁控管振荡频率突然离开鉴频特性曲线后 , 自动回到特性范围内 。3. 3高

18、效率步进电机伺服 3本系统采用步进电机伺服 , 采用 VM O S 功率开关和高低压供电方法 , 这种办法可以使最 大静力矩较小的步进电机产生很大的步进力距 (超过最大静力矩 。 所用步进电机 45B F 005 , 绕组额定电流 2A , 最大静力矩 20N c m , VM O S 采用 I R F 541, 其最大工作电流可达 27A , 导 通内阻为 35m 8, 因此该 VM O S 工作时功耗很小 , 电路效率比较高 。3. 4频率调节为了改变加速器的工作频率 (可以得到不同能量的电子束 , 两个腔体采用同步调谐 , 还是 用步进电机伺服 , 每步进一次 , 腔体的平均谐振频率 (

19、两腔体谐振频率的平均值 改变约 7kH z 。 4系统分析与结果 4, 5鉴频特性曲线 (两腔体功率之差 在其和频率轴交点附近可以认为是线性的 , 于是可以画 出闭环系统框图 (图 7。 F ig . 7 B lock diagram of the clo sed 2loop system图 7闭环系统框图P (s 是步进电机伺服的传递函数 (包括压控振荡器 :P (s =s (s +R L (s 2+2n s +2n (16K 0是开环总增益 (包括压控振荡器增益 , 磁控管调谐杆转角对磁控管频率变化的增益 , 谐振腔 的增益以及各级放大器增益等等 , N (s 是频率的漂移量 。 R 、

20、L 、 n 和 分别是电机绕组的串 联电阻 (包括绕组线圈的电阻 、 绕组电感量 、 电机自然频率和阻尼系数 。 考虑离散系统图 7的环路传输 :T L T (z =2j1-z -1e sT =2j -1(1-z -1e sT s 3(s +R L (s 2+2n s +2n =2222R 34n +-1R 23n (1-z -1 +第2期 2 席德勋等: 电子直线加速器磁控管工作频率的稳定 197 对斜升输入, N ( z = A T z 稳态误差 为零, 系统完全可以跟踪。 但是磁控管加高压脉冲后, 时间一长, 工作温度趋于稳定, 频率漂移 较小, 因而我们关注的是刚加上高压脉冲后的频率漂

21、移。 当系统进入稳频工作后, 要等几秒钟 才开始出电子束。 我们所使用的恒温腔体谐振频率可以同步调谐, 其平均谐振频率可以从 2855. 6 H z 调 节 到 2856. 8 H z, 品 质 因 素 达 到 5000。 磁 控 管 M 4543 频 率 起 始 漂 移 约 M M 500kH z s, 系统中的各放大级总增益为 10, 积分保持器的增益为 4. 5, 压控振荡器的电压步进 率转换是 30step sV - 1 , 每步对应的磁控管调谐是 7kH z。在系统进入稳频状态五秒后 ( 出束 前 频率的漂移在工作频率附近的±20kH z 内 ( 测量频率稳定度用的信号发生

22、器和频谱仪是 XB - 7 和 YM 4031 。 参考文献 1张奎方等 SL 75- 20 电子直线加速器 D e- Q ing 电路调整, 第四次全国粒子加速学术年会论文集, 1988, 240 241 . 2席德勋、 沙湘月. 核技术, 1993, 16 (12 : 737 742 3席德勋、 庄亚. 南京大学学报, 1992, 28 (4 : 536 542 5席德勋. 系统与控制 南京: 南京大学出版社, 1989 . quency of the pow er sou rce (m agnetron M 4543. T he frequency sh ift of a m agnet

23、ron is due to tw o facto rs: one is the un stab ility of the p u lse am p litude of the m odu la to r; it can be con tro lled by the am p litude stab ilizing circu it (D e 2 circu it , and the o ther is the change of environm en t tem p era tu re, it can be reduced by an A FC Q system. b iliza tion.

24、 In the m ethod of frequency d iscri ina tion, a dup lexcavity w ith the tem p era tu re stab iliza tion and m 4T retter S A. In troduction to D iscreate2T i e Signal P rocessing, N ew Yo rk: John W iley & Son s, Inc. , 1976 m Stab iliza tion of the op era ting frequency of the feedback L I C de

25、p end s on tha t of the o scilla ting fre2 NA T he op era ting frequency of the L I C is abou t 2856 o r 3000 H z Genera lly, an A FC system can con tro l NA M . . the frequency sh ift of the m agnetron less than 100kH z T here a re tw o m ethod s to p erfo rm the frequency sta2 synch ronou s tunn i

26、ng is rega rded a s the frequency standa rd, the average resonance frequency c = ( c1 + c2 2 ( c2 > c1 can be con sidered a s the op era ting frequency of the L I C. T he d ifference betw een 0 (o scilla ting NA 4 2n © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2

27、n 4 2 - 1 ( + 2 STAB I IZAT I N O F THE O PERAT ING FREQUENCY O F L O THE M AGNETRO N FO R THE L INAC X i D exun and L a i Q inggu i - 1 ( - T L K 0z 2 - 1 2 3 R n ( 1 - z R (1 e = li m 2 - 1 3 R 2 1 z 1 - 2 L K 0 (1 z RT - 1 L 5 z - 1 2 e L K 0 (1 - z - 1 A ccelera tor Institu te of N ank ing U n i

28、v ersity , N anj ing 210093 - 1 3 R - ( 1- z - 1 2 ( 相当于因温度变化引起的磁控管振荡频率的漂移 , 其 ( 1 - z - 1 N (z ( 1 - z - 1 N (z lim z 1 1 + T L T (z T L T (z 2 - 1 nL 1 - z - 1 e- 1 L K 0 (1 - z ( + ( - 2 (R + L n - 2 nL R 2 + ( 17 - 1 nL 1 - z - 1 e2 ( + ( - 2 - 1 n T 2 - 1 n T ( 18 198 强 激 光 与 粒 子 束 第9卷 w avefo

29、rm of the tw o cavity detecto rs w h ich have the squa re 2law cha racteristics a re no t rectangu la r p u lses, one p u lse (co rrespond ing to the cavity of resonance frequency c2 ha s a d roop , and the o ther (co rrespond ing to the cavity of resonance frequency c1 ha s a ram p. U nder the stro

30、ng d istu rbance, the change of p u lse am p litude can system w h ich ha s a frequency d iscri ina to r is w o rse than tha t of the one w h ich ha s a p ha se d iscri ina to r. m m su lts from the Pa rseva l theo rem w h ich show s equ iva lence of the energy betw een in frequency dom a in and in

31、reached the accu racy of the system w ith a p ha se d iscri ina to r and fu rtherm o re, it ha s no t m islocked. m no t rep resen t the change of the frequency devia tion tho rough ly, the accu racy of the frequency stab iliza tion b iliza tion to the level of the system ba sed on the p ha se d isc

32、ri ina tion. T he detecting m ethod in the p ap er re2 m ti e dom a in. W e can in teg ra te and ho ld the ou tp u t p u lse of the detecto r and it m ean s an in teg ra ting segm en t m em beded in the fo rw a rd p a th of the A FC system. A s a resu lt, the system w ithou t the p ha se d iscri ina to r ha s m frequency of the m agnetron