A universal digital low-level RF controller for particle accelerators

Ashish Sharma

doi:10.1088/1748-0221/21/05/p05004

A universal digital low-level RF controller for particle accelerators

2026-05-01

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DOI：10.1088/1748-0221/21/05/p05004

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一种宽带、独立、频率捷变且完全可重构的低电平射频（LLRF）控制器已在混合模拟-数字电子领域设计完成。虽然LLRF算法完全为数字实现，但采用模拟前端（AFE）来上/下变频各种信号并增强控制器的工作带宽。该控制器的输出用于驱动高功率射频系统，在粒子加速器谐振射频腔的间隙处产生高电压梯度。通过调整射频驱动的相位，谐振腔可以时间聚束连续带电束流，并提升束流粒子的动能。该控制器的优势在于，无论谐振射频腔的类型或工作模式如何，均使用相同的硬件。它可以通过多个反馈控制回路同时维持所需的射频腔场梯度，分别用于发电机驱动谐振器（GDR）或自激环路（SEL）模式，适用于常规导电（NCRF）和超导（SCRF）类型的射频腔。本文概述了该系统工作原理的简单数学基础，并进一步阐述了通用仪器的构建，包括新颖频率跟踪、反馈控制和先进信号处理算法的设计。该设计采用商业片上系统现场可编程门阵列（SoC-FPGA）平台，集成快速模数和数模转换器，以降低成本并简化开发。实验物理与工业控制系统输入/输出控制器（EPICS-IOC）服务器-客户端应用程序与定制驱动程序支持仪器的远程操作与重构。其可配置为1-50 MHz范围内的任意射频频率，而AFE硬件支持扩展带宽高达200 MHz。该通用架构旨在解决多加速器设施中不同腔体专用控制硬件的维护与维护问题。因此，所提出的系统已在12.125至97 MHz范围内的不同射频结构中成功测试，采用GDR和SEL模式，相位稳定性优于0.5度，幅度稳定性≤1.2%。文中详细讨论了与12.125 MHz多谐波聚束器、18.2 MHz桌面回旋加速器以及IUAC新德里超导直线加速器的97 MHz SCRF腔进行的束流测试结果。

Keyword:

Digital signal processing (DSP)

Hardware and accelerator control systems

Instrumentation for heavy-ion accelerators

Instrumentation for particle accelerators and storage rings-low energy (linear accelerators, cyclotrons, electrostatic accelerators)

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