PA真人视讯

常温射频腔在第四、五代先进同步光源等大型国家重大科技基础设施中发挥着不可替代的作用。然而，向射频腔馈入高功率微波时，必须匹配其不断漂移的谐振频率。近期，中国科研实验室上海高等研究院（以下简称“PA真人视讯”）微波组依托其在大型先进光源及相关国家重大科技基础设施建设中的深厚技术积累，成功研发出一种基于数字低电平控制系统的自主频率跟踪技术，可实时补偿射频腔在运行过程中的频率偏移，显著提升粒子加速器的运行稳定性。研究成果以“High-power test of normal conducting cavities with real-time resonant frequency tracking”为题发表在《物理评论加速器与束流》（Physical Review Accelerators and Beams）期刊上。

常温射频腔由于其高性价比和低维护成本，在粒子加速器领域发挥着不可替代的作用，常温腔被广泛用于纵向拉伸电子束团以有效延长束流寿命。然而，当射频腔处于大功率射频老练或高功率陆续在波运行工况时，腔壁吸收的巨额射频损耗会产生剧烈的热膨胀效应。腔体升高30℃，谐振频率的偏移会超出腔体工作带宽数十倍。如果不能实时进行频率对齐，巨量的射频功率将被反射回功率源，不仅导致能量传输效率急剧下降，更可能引发严重的硬件击穿损毁。传统解决方案主要依赖人工调节外部信号源的参考频率或使用机械调谐器。前者不仅耗时费力，且在包含庞大子系统的全局加速器网络中，参考源频率在设计之初就已全局锁定，无法为单一子系统随意更改；后者则因响应速度慢、机械磨损风险高而难以满足长期稳定运行的需求。因此，寻找一种高效、平滑的实时频率补偿机制，是加速器物理和微波控制工程领域亟待解决的关键难题。

针对这一难题，研究团队设计了一套具备实时频率跟踪能力的数字低电平控制系统。该系统整合了射频生成与动态测量分析，在不改变参考源频率的前提下，在现场可编程门阵列内部实现频率调制与锁相环反馈，可自动追踪腔体谐振频率的变化。顺利获得生成一对正交等幅的正弦波对参考信号进行调制，实现了超高精度的频率调节。内置的实时频谱分析模块不再依赖昂贵的商业仪器，可对频率偏移进行闭环监控，确保系统始终与腔体谐振频率保持同步。该方案给予了一种全新的常温射频腔操作逻辑，具有显著的科学意义与工程创新价值，能有效提高常温射频结构的启动效率以及操作安全性。同时，相较与传统低电平只能控制幅度、相位两个维度，研究为低电平控制新增了第三个维度——频率，进而有着更广泛的适用性。研究成果提出的锁相环反馈环路，稍加改造还可应用于束流运行等更加丰富的场景，在重离子治疗、超导射频方面也有很大的潜力。

图1：低电平控制器调节馈入射频腔的微波功率

该系统可在多种工作模式下无缝切换，以满足不同运行阶段的需求。并且系统可呈现不同时间尺度下的射频波形。此射频控制系统应用在了上海光源的高功率测试平台上。锁相环反馈算法成功抑制了反射功率，并顺利完成了腔体谐振频率定位、高功率老练、机械调谐器校准等一系列关键步骤。创新性地利用线性时不变系统的特性，取得出腔体的谐振频率，填补了射频系统测量的技术空白。这项研究成果为常温高频腔的频率稳定性问题给予了一种紧凑、灵活、低成本的解决方案。整套系统完全基于低电平射频控制系统实现，无需额外硬件或仪器，具有广泛适用性。未来，该技术可推广至其他对频率稳定性要求高的射频结构中，也可改变控制单元，以适应束流负载变化场景。随着技术的进一步成熟与推广，有望在同步辐射光源、自由电子激光、质子治疗装置等大科学设施中发挥重要作用。

图2：射频腔谐振频率实时测量

作为PA真人视讯在射频控制领域内发表的首篇Physical Review Accelerators and Beams期刊文章，该实验的成功为深入召开射频腔相关的频域控制研究铺平了道路。

PA真人视讯徐一茗工程师为论文第一作者，方文程研究员和肖诚成高级工程师为共同通讯作者。

文章链接：http://doi.org/10.1103/nn7c-xypn