本发明专利技术涉及回旋加速器的高频控制技术，具体涉及一种强流回旋加速器高频系统智能自启动方法。该方法以PWM调制的高频信号驱动高频腔体，通过Sample-Hold技术取得高频腔体取样信号在脉冲内的幅度和失谐角，得到高频腔体在次级电子倍增效应影响下的谐振位置，采用卡尔曼滤波器对调谐环输出的失谐角进行滤波，得到高频腔体的近似实际谐振位置。DSP根据卡尔曼滤波器的输出为目标，设定微调电容到达指定的位置，并在该目标位置开始启动过程。这种高频系统智能自启动方法可以提高强流回旋加速器高频系统的启动效率，缩短启动时间，有效避免次级电子倍增效应对高频系统的影响。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及回旋加速器的高频控制技术，具体涉及一种强流回旋加速器高频系统 智能自启动方法。
技术介绍
高频腔体是回旋加速器高频系统的基本组成之一，粒子在回旋加速器中回旋运 动，经过高频腔体的加速间隙时获得能量被加速。对于高频腔体，当腔体结构、频率及功率 满足一定条件时将产生多电子效应。该效应阻止高频功率馈入高频腔体，阻碍加速电场的 建立，并有可能对腔体、耦合窗等结构产生破坏。一般情况下，在高频系统整体调试运行前 对腔体等结构做清洁、锻炼等预处理，减小次级电子倍增效应发生的可能性。但此效应并非 不能单次非可逆克服，当腔体再次与大气接触或污损将导致预处理过程的逆变。因此，在启 动阶段克服腔体内多电子效应，以最快的速度建立高频电场是高频系统关注重点。从传输 线的角度看，次级电子倍增效应发生时等效于改变了高频系统的等效负载，高频匹配的恶 化将导致高频信号驻波比增大，触发低电平系统或者发射机的反射保护，甚至对高频系统 设备造成损害，对高频系统的启动提出较高的要求。 为防止启动期间次级电子倍增效应引起的反射功率过大对设备造成损害，回旋加 速器一般采用PWM调制高频信号的方式启动。在PWM脉冲内，幅度检波和失谐角检测器能 够根据腔体反馈信号对当前腔体所处状态进行评估，确定腔体当前所处状态，得到腔体当 前失谐角。在PWM脉冲间隙内，由于采用Sample-Hold单元，幅度检波和失谐角监测电路输 出值与PWM脉冲内一致，使后续电路持续工作。然而由于次级电子倍增效应的影响，幅度检 波和失谐角监测均受到影响，该影响可以归结为符合高斯分布的噪声影响，因此腔体精确 谐振位置不能够准确测量。卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法，该算法的一 个典型实例是从一组有限的，包含噪声的，对物体位置的观察序列（可能有偏差）预测出物 体的位置的坐标及速度。卡尔曼滤波利用目标的动态信息，设法去掉噪声的影响，得到一个 关于目标位置的概率上最好的估计。这个估计可以是对当前目标位置的估计（滤波），也可 以是对于将来位置的估计（预测），也可以是对过去位置的估计（插值或平滑）。本专利技术中 采用的是对当前目标位置的估计，实现滤除次级电子倍增效应的目的。在得到卡尔曼滤波 器的最优结果后，控制微调电容运动到指定位置，在该位置的启动速度将快于其他位置的 启动速度，并可以最大概率的避免打火，反射功率过大等异常情况。 强流回旋加速器高频系统智能自启动方法是解决高频系统启动过程中由于次级 电子倍增影响而导致的启动失败，反射功率过大等异常情况的一种途径，是实现无人干预 下自动处理各种异常情况，快速安全启动高频系统、建立加速电压的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前强流回旋加速器高频腔体存在次级电子倍增效应影 响高频系统正常启动的问题，通过对腔体和多电子效应的研究，提出了一种强流回旋加速 器高频系统智能自启动方法，该方法能够减少次级电子倍增效应对调谐环输出结果的影 响，加速高频系统的启动过程，有效解决次级电子倍增效应区导致的大功率反射和暗电流 导致的失配等加速器高频工程技术困难。 本专利技术的技术方案如下：，所述方 法包括如下步骤： (1)以占空比为D= 1/10的PWM调制高频信号驱动高频腔体。以PWM调制信号的 上升沿触发幅度和失谐角Sample-Hold单元采样得到高频腔体在脉冲内的幅度Amp和脉冲 内的失谐角Φ。。 (2)将步骤⑴中得到的失谐角Φ。通过数模转换器（ADC)量化为16位数字量，输 入DSP中经过Φ-Ρ计算得到腔体在多电子效应影响下的谐振位置P。，该值即为测量值Ζκ。 (3)根据高频腔体锻炼的数据，统计高频腔体冷状态下极小脉冲功率驱动下无多 电子效应的谐振点Ρ，作为卡尔曼滤波器的初始化值X(-11-1)。 (4)根据卡尔曼滤波器的理论，t时刻的预测值由（t-ι)时刻的值和t时刻的测量 值估计获得，t时刻的测量值为步骤（2)中得到的测量值4，由此，t时刻的卡尔曼滤波器 输出值为· Pk|k= (I-KkHk)Pk|kl 其中&为最优卡尔曼增益，为测量余量，由下式定义： 上式中，测量值zk满足zk=HkXk+Vk，Vk是观测噪声，其均值为零，协方差矩阵为 Rk,且服从正态分布。 & = //(几乂// + /?,.，为测量余量协方差，其中Hk是观测模型，将真实状态空间映 射成观测空间。 下一状态预测值为： 其中，匕是作用在Xkl上的状态变换模型。Bk是作用在控制器向量uj的输入一 控制模型。 最终，以卡尔曼滤波器的输出作为微调电容的目的谐振位置Ρρ (5)以步骤（4)中的滤波器输出为目标地址，DSP控制微调电容运动到指定位置 Pi。等待Amp在正反馈作用下超过状态转变阈值Amps__t，系统由PWM调制状态进入CW状 态；如果等待时间大于timeout上限，贝lj返回步骤（2)循环执行算法。 (1)在CW状态下，逐步提升功率至加速电压达到束流加速要求值V。，系统 幅度闭环控制。高频系统启动过程完成。 本专利技术针对强流回旋加速器高频系统的需求，已在我国目前能量最高的质子回旋 加速器CYCIAE-100工程实践中显示出十分有益的效果。本装置能够应对CYCIAE-100许多 个多电子倍增效应区导致的大功率反射和暗电流导致的失配等大型加速器高频工程技术 困难，实现高频系统的智能自启动以及运行过程中的异常保护。因为本专利技术的成功应用，使 得CYCIAE-100能在毫秒量级时间范围内从打火等故障中自动恢复到正常加速状态，是我 国大型带电粒子回旋加速器的顺利调试取得成功的核心技术之一。【附图说明】 图1是CYCIAE-100高频系统启动过程波形图； 图2是采样-保持单元的工作原理图； 图3是卡尔曼滤波器的递推算法流程图； 图4为强流回旋加速器高频系统智能自启动方法示意图。【具体实施方式】 下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。 以lOOMeV强流质子回旋加速器CYCIAE-100为例，介绍其高频系统智能自启动方 法的设计及实际验证。该加速器实际运行所需功率约64kW，包括腔体损耗62kW及2kW的束 流功率。腔体取样耦合度为-50.OdB，由于传输线存在损耗，实际测量得额当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种强流回旋加速器高频系统智能自启动方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)以占空比为D＝1/10的PWM调制高频信号驱动高频腔体，以PWM调制信号的上升沿触发幅度和失谐角Sample‑Hold单元采样得到高频腔体在脉冲内的幅度Amp和脉冲内的失谐角φ0；(2)将步骤(1)中得到的失谐角φ0通过数模转换器(ADC)量化为16位数字量，输入DSP中经过φ‑P计算得到腔体在多电子效应影响下的谐振位置P0，该值即为测量值Zk；(3)根据高频腔体锻炼的数据，统计高频腔体冷状态下极小脉冲功率驱动下无多电子效应的谐振点P，作为卡尔曼滤波器的初始化值Χ(‑1|‑1)；(4)根据卡尔曼滤波器的理论，t时刻的预测值由t‑1时刻的值和t时刻的测量值估计获得，t时刻的测量值为步骤(2)中得到的测量值Zk，该值作为卡尔曼滤波器的输入值，由此，t时刻的卡尔曼滤波器输出值为：X^k|k=X^k|k-1+Kky~k]]>Pk|k＝(I‑KkHk)Pk|k‑1其中Kk为最优卡尔曼增益，为测量余量，由下式定义：Kk=Pk|k-1HkTSk-1]]>y~k=zk-HkX^k|k-1]]>上式中，测量值zk满足zk＝HkΧk+Vk，Vk是观测噪声，其均值为零，协方差矩阵为Rk,且服从正态分布；为测量余量协方差，其中Hk是观测模型，将真实状态空间映射成观测空间；下一状态预测值为：X^k|k-1=FkX^k-1|k-1+Bkuk]]>Pk|k-1=FkPk-1|k-1FkT+Qk]]>其中，Fk是作用在Xk‑1上的状态变换模型，Bk是作用在控制器向量uk上的输入－控制模型；最终，以卡尔曼滤波器的输出作为微调电容的目的谐振位置P1；(5)以步骤(4)中的滤波器输出为目标地址，DSP控制微调电容运动到指定位置P1；等待Amp在正反馈作用下超过状态转变阈值Ampsetpoint，系统由PWM调制状态进入CW状态；如果等待时间大于timeout上限，则返回步骤(2)循环执行算法；(6)在CW状态下,逐步提升功率至加速电压达到束流加速要求值V0，系统幅度闭环控制，高频系统启动过程完成。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：殷治国，付晓亮，纪彬，赵振鲁，张天爵，魏俊逸，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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