HUST-FEL直线加速器自动老炼系统研究

作     者：梁亚娟 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭萍

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：直线加速器 自动老炼 打火检测 下变频 解调算法 实时数据采集 

摘      要：华中科技大学开展了基于直线加速器的自由电子激光太赫兹源的研制。为了得到高品质的束流,直线加速器部分采用S波段微波电子枪和加速管组合的加速方式。电子枪和加速管均采用高梯度加速结构,使装置更加紧凑。高梯度加速场强对真空、装置内洁净度以及腔壁光滑度要求极高,加速器加工和安装无法达到这一运行要求,因此在加速器正常运行前必须进行在线的高微波功率老炼。加速器老炼是指逐渐增大馈入的微波功率,对装置进行烘烤,除去腔内气体、杂质和腔壁表面毛刺,使之能够工作在高真空、高场强、高功率环境下。加速器老炼过程非常耗时,需要24小时值守,而采用自动老炼控制系统实时监控加速器内的打火暗电流、真空度、微波反射功率等运行状态并根据运行条件自动调整馈入腔内的微波功率大小、脉冲宽度和重复频率,极大地减轻人力负担,并且有利于系统异常情况下的快速联锁保护,避免损坏装置。本文结合现有的加速器装置,研究了加速装置内电场分布特点、微波信号采集及解调算法、老炼打火检测算法以及自动控制系统软硬件方案。在对高功率系统进行介绍的基础上,利用电磁仿真软件CST对加速结构进行了仿真计算,分析功率耦合过程、腔内场强分布特点和电场强度。为了获取老炼中的打火特点,利用高精度、高采样率的虚拟示波器对老炼过程中打火时的反射功率进行了连续采集与分析。针对老炼过程中的打火特点,采用反射功率平均值比较法结合暗电流检测法作为打火信号检测方法。为实现S波段微波信号的实时在线采集与处理,首先对微波信号进行了下变频处理,减小了数据采集带宽要求,并且将数据采集与IQ解调相结合,同时采用NonIQ解调算法对采集数据进行处理。实验表明,Non-IQ解调算法相对常规的IQ解调算法能很好地抑制时序抖动和噪声干扰,可得到平坦的幅值波形。在此基础上,利用PXIe-5122高速数据采集卡进行数据采集,结合LabVIEW的简便编程控制和MATLAB强大的数据处理功能编写数据采集控制软件。此外,在异常情况下,为保护设备需要及时切断微波功率源,因此利用LabVIEW编写上位机控制软件实现了对微波信号发生器的远程控制。最后,根据加速器装置现有的控制系统制定了自动老炼控制系统方案。