一种加速器的打火检测与自恢复方法、装置

1.本发明涉及粒子加速器技术领域，特别是关于一种加速器的打火检测与自恢复方法、装置。


背景技术：

2.加速器是用人工方法把带电粒子加速到较高能量的装置。利用这种装置可以产生各种能量的电子、质子、氘核、α粒子以及其它一些重离子。加速器的一个重要组成部分就是射频腔体系统，以射频四极场(rfq，radio frequency quadrupole)加速器为例。rfq能够运用带调制变化的四根电极同时产生纵向加速分量和横向聚焦分量，使得粒子加速、纵向群聚、横向匹配等多项功能集中在一个结构中，因而具备结构紧凑、功能完善等优点。当前，rfq方案广泛应用于多种高功率的粒子加速器中。
3.然而，本技术的发明人在研究中发现，场致发射效应引起的打火故障是加速器系统运行过程中面临的一个普遍问题。现有技术，在判定发生打火故障后，需要进行切断射频功率、关闭加速器谐振腔体、等到故障恢复后再重新加载的操作过程，整个过程需要几十分钟，极大了降低了加速器的工作效率和可用性。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种加速器的打火检测与自恢复方法、装置，能够应用于加速器的数字射频低电平(llrf，low level radio frequency)系统中，实现加速器的打火检测及故障恢复，将故障恢复时间降低至毫秒量级，提升加速器的工作效率和可用性。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.第一方面，本技术提供一种加速器的打火检测与自恢复方法，应用于加速器，所述加速器包括数字射频低电平系统、功率源以及射频谐振腔，所述方法包括：
7.利用所述数字射频低电平系统获取所述射频谐振腔的腔压信号，并根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检测；
8.当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，进行自动恢复，所述自动恢复信号的幅值低于所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值；
9.在自动恢复完成后，所述数字射频低电平系统，将输出切换至所述当前向所述功率源的正常输出信号。
10.在本技术的一种实现方案中，所述利用所述数字射频低电平系统获取所述射频谐振腔的腔压信号，包括：
11.在所述射频谐振腔设置提取天线，通过所述数字射频低电平系统与所述提取天线相连接，获取所述射频谐振腔的iq采样的i/q序列。
12.在本技术的一种实现方案中，所述根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检
测，包括：
13.根据获取的所述i/q(in-phase/quadrature phase)序列，经过cordic(coordinate rotation digital computer，坐标旋转数字计算方法)旋转得到腔压信号的幅值；
14.将所述腔压信号的幅值经过fifo(first in，first out，先进先出)进行缓存，并与幅值的当前值进行减法运算，再取绝对值后得到幅值的变化量；
15.将所述幅值的变化量与设定的阈值对比，当大于所述阈值时，则判定检测到打火事件。
16.在本技术的一种实现方案中，所述阈值由所述数字射频低电平系统的上位机设定。
17.在本技术的一种实现方案中，所述当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，包括：
18.当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统产生触发信号，并在所述触发信号的下降沿向所述功率源输出自动恢复信号。
19.在本技术的一种实现方案中，所述向所述功率源输出自动恢复信号，包括：
20.在触发信号的下降沿触发计数器工作，使得所述计数器记时设定时长，在所述设定时长内向所述功率源输出一安全值信号，所述安全值信号的幅值低于所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值。
21.在本技术的一种实现方案中，所述向所述功率源输出自动恢复信号，还包括：
22.对所述安全值信号的幅值按照设定的步长进行持续累加，直至输出信号的幅值达到设定的低电平控制信号幅度。
23.在本技术的一种实现方案中，所述安全值信号的幅值、所述步长和所述低电平控制信号幅度，由所述所述数字射频低电平系统的上位机设定。
24.第二方面，本技术还提供一种加速器的打火检测与自恢复装置，应用于加速器的数字射频低电平系统中，所述加速器还包括功率源以及射频谐振腔，所述装置，包括：
25.arc检测模块，用于获取所述rfq谐振腔的腔压信号，并根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检测；
26.arc自动恢复模块，用于当检测到打火事件时，将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，进行自动恢复，所述自动恢复信号的幅值低于所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值；以及
27.正常输出模块，用于在自动恢复完成后，将输出切换至所述当前向所述功率源的正常输出信号。
28.在本技术的一种实现方式中，所述正常输出模块，由所述数字射频低电平系统的上位机设定输出任意波形信号；
29.所述数字射频低电平系统具体包括fpga(field programmable gate array，现场可编程门阵列)；所述功率源为固态功率源；所述射频谐振腔包括rfq常温腔。
30.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明申请方案中，利用数字射频低电平系统获取射频谐振腔的腔压信号，并根据腔压信号进行是否发生打火事件的检测，在检测到打火事件时，数字射频低电平系统将当前向功率源的正常输出信号切换为自
动恢复信号，在自动恢复完成后，数字射频低电平系统，再将输出切换至当前向功率源的正常输出信号，从而可以使方案实现与粒子加速器平台的数字射频低电平系统中，无需额外增加硬件设备，同时使得检测与恢复时间压缩在1ms以内，提升加速器的工作效率和可用性。
附图说明
31.图1是本技术实施例提供的一种加速器的打火检测与自恢复装置的结构框图；
32.图2是本技术实施例提供的一种加速器的打火检测与自恢复方法的算法流程示意图；
33.图3是本技术实施例中的打火判定与自恢复的信号原理图。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.针对现有技术在判定加速器发生打火故障后，需要进行切断射频功率、关闭加速器谐振腔体、等到故障恢复后再重新加载的操作过程，整个过程需要几十分钟，导致加速器的工作效率低的技术问题。本技术相应提供一种加速器的打火检测与自恢复方法、装置。其中，所述的方法，包括：利用所述数字射频低电平系统获取所述射频谐振腔的腔压信号，并根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检测；当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，进行自动恢复，所述自动恢复信号的幅值低于所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值；在自动恢复完成后，所述数字射频低电平系统，将输出切换至所述当前向所述功率源的正常输出信号。本方案，能够应用于加速器的数字射频低电平系统中，实现加速器的打火检测及故障恢复，将故障恢复时间降低至毫秒量级，提升加速器的工作效率和可用性。
36.参见图1，在本技术的一个实施例中提供了一种加速器的打火检测与自恢复装置的架构示意图。
37.具体的，本技术实施例中，加速器包括数字射频低电平系统、功率源以及射频谐振腔。其中，数字射频低电平系统的核心部件可以但不限于由fpga实现，fpga芯片的型号例如是zynq7100。功率源为固态功率源，每个功率源包含24个插入件(型号：kfpa-162-1-1)，单插入件的饱和输出功率约为1.4kw。
38.在本技术实施例中，射频谐振腔，具备多种实现方案，例如可以是常温腔，包括rfq、聚束器，射频谐振腔还可以是超导腔。在本技术实施例中，将以rfq谐振腔作为举例。
39.请参阅图1，如常规技术，数字射频低电平系统的fpga中包括正常输出模块和输出模块，其中，正常输出模块可以是一个任意波形发生器，可以根据粒子实验或者放射治疗等实际需要而产生任意波形的波形信号，例如可以但不限于包括正弦波、半正弦波、锯齿波等等，而输出模块用于在正常输出模块的正常输出模式和异常处理(即打火检测及自动恢复)的输出模式之间进行切换。容易理解，在未发生打火时，输出模块将正常输出模块的信号输
出到功率源，以供功率源进行功率放大产生向rfq谐振腔输送的功率信号，进一步该功率信号在rfq谐振腔中产生射频信号，以对粒子进行加减速等操作。
40.在现有技术中，场致发射效应引起的打火故障是rfq加速器在运行过程中面临的一个普遍问题。针对该问题，本技术在数字射频低电平系统中进行打火检测与自恢复的方案设计。
41.本技术中的打火检测与自恢复装置，包括：
42.arc(电弧，也称打火)检测模块，用于获取所述射频谐振腔的腔压信号，并根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检测；
43.arc自动恢复模块，用于当检测到打火事件时，将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，进行自动恢复，所述自动恢复信号的幅值低于所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值；以及
44.正常输出模块，用于在自动恢复完成后，将输出切换至所述当前向所述功率源的正常输出信号。
45.本技术的装置，利用数字射频低电平系统获取射频谐振腔的腔压信号，并根据腔压信号进行是否发生打火事件的检测，在检测到打火事件时，数字射频低电平系统将当前向功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，在自动恢复完成后，数字射频低电平系统，再将输出切换至当前向功率源的正常输出信号，从而可以使方案实现与粒子加速器平台的数字射频低电平系统中，无需额外增加硬件设备，同时使得检测与恢复时间压缩在1ms以内，提升加速器的工作效率和可用性。
46.下面结合图1、图2和图3，说明本技术实施例中的加速器的打火检测与自恢复方法的原理和优点。
47.在本技术实施例中，加速器的打火检测与自恢复方法应用于图1中的装置。所述方法，具体包括：
48.利用所述数字射频低电平系统获取所述rfq谐振腔的腔压信号，并根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检测；
49.当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，所述自动恢复信号的幅值低于所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值；
50.在自动恢复完成后，所述数字射频低电平系统，将输出切换至所述当前向所述功率源的正常输出信号。
51.请参阅图2和图3，其具体的算法原理包括：
52.(1)在所述rfq谐振腔设置提取天线，通过所述数字射频低电平系统与所述提取天线相连接，获取所述rfq谐振腔的iq采样的i/q序列。
53.(2)根据获取的所述i/q序列，经过cordic旋转得到腔压信号的幅值；
54.将所述腔压信号的幅值经过fifo进行缓存(例如实现5微秒的延迟)，并与幅值的当前值进行减法运算，再取绝对值后得到幅值的变化量；
55.将所述幅值的变化量与设定的阈值对比，当大于所述阈值时，则判定检测到打火事件。
56.在本技术的一个实施例中，所述阈值由所述数字射频低电平系统的上位机设定。
57.(3)当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统产生触发信号，并在所述触发信号的下降沿向所述功率源输出自动恢复信号。
58.更为具体的，在触发信号的下降沿触发计数器工作，使得所述计数器记时设定时长(例如可以取100微秒)，在所述设定时长内向所述功率源输出一安全值信号，所述安全值信号的幅值比所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值小70％。
59.在计数器达到设定时长后，对所述安全值信号的幅值按照设定的步长进行持续累加，直至输出信号的幅值达到设定的低电平控制信号幅度。
60.在本技术的一个实施例中，所述安全值信号的幅值、所述步长和所述低电平控制信号幅度，由所述所述数字射频低电平系统的上位机设定。
61.(4)切换到之前的正常输出。
62.综上可见，本技术实施例由于采取以上技术方案，可以在fpga内部构建arc检测与arc自恢复模块实现rfq加速器打火后的毫秒级自恢复，并稳定运行，从而实现提升加速器运行效率的目的，同时部署在低电平系统内部，无需增加额外硬件设备。
63.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
64.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
65.上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例上述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
66.以上上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

技术特征：
1.一种加速器的打火检测与自恢复方法，应用于加速器，所述加速器包括数字射频低电平系统、功率源以及射频谐振腔，其特征在于，所述方法包括：利用所述数字射频低电平系统获取所述射频谐振腔的腔压信号，并根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检测；当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，进行自动恢复，所述自动恢复信号的幅值低于所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值；在自动恢复完成后，所述数字射频低电平系统，将输出切换至所述当前向所述功率源的正常输出信号。2.根据权利要求1所述的加速器的打火检测与自恢复方法，其特征在于，所述利用所述数字射频低电平系统获取所述射频谐振腔的腔压信号，包括：在所述射频谐振腔设置提取天线，通过所述数字射频低电平系统与所述提取天线相连接，获取所述射频谐振腔的iq采样的i/q序列。3.根据权利要求2所述的加速器的打火检测与自恢复方法，其特征在于，所述根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检测，包括：根据获取的所述i/q序列，经过cordic旋转得到腔压信号的幅值；将所述腔压信号的幅值经过fifo进行缓存，并与幅值的当前值进行减法运算，再取绝对值后得到幅值的变化量；将所述幅值的变化量与设定的阈值对比，当大于所述阈值时，则判定检测到打火事件。4.根据权利要求3所述的加速器的打火检测与自恢复方法，其特征在于，所述阈值由所述数字射频低电平系统的上位机设定。5.根据权利要求3所述的加速器的打火检测与自恢复方法，其特征在于，所述当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，包括：当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统产生触发信号，并在所述触发信号的下降沿向所述功率源输出自动恢复信号。6.根据权利要求5所述的加速器的打火检测与自恢复方法，其特征在于，所述向所述功率源输出自动恢复信号，包括：在触发信号的下降沿触发计数器工作，使得所述计数器记时设定时长，在所述设定时长内向所述功率源输出一安全值信号，所述安全值信号的幅值低于所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值。7.根据权利要求6所述的加速器的打火检测与自恢复方法，其特征在于，所述向所述功率源输出自动恢复信号，还包括：对所述安全值信号的幅值按照设定的步长进行持续累加，直至输出信号的幅值达到设定的低电平控制信号幅度。8.根据权利要求7所述的加速器的打火检测与自恢复方法，其特征在于，所述安全值信号的幅值、所述步长和所述低电平控制信号幅度，由所述所述数字射频低电平系统的上位机设定。9.一种加速器的打火检测与自恢复装置，应用于加速器的数字射频低电平系统中，所
述加速器还包括功率源以及射频谐振腔，其特征在于，所述装置，包括：arc检测模块，用于获取所述射频谐振腔的腔压信号，并根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检测；arc自动恢复模块，用于当检测到打火事件时，将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，进行自动恢复，所述自动恢复信号的幅值低于所述当前向所述功率源的正常输出信号的幅值；以及正常输出模块，用于在自动恢复完成后，将输出切换至所述当前向所述功率源的正常输出信号。10.根据权利要求9所述的加速器打火检测与自恢复装置，其特征在于，所述正常输出模块，由所述数字射频低电平系统的上位机设定输出任意波形信号；所述数字射频低电平系统具体包括fpga；所述功率源为固态功率源；所述射频谐振腔包括rfq常温腔。

技术总结
本发明涉及一种加速器的打火检测与自恢复方法，所述加速器包括数字射频低电平系统、功率源以及射频谐振腔，所述方法包括：利用所述数字射频低电平系统获取所述射频谐振腔的腔压信号，并根据所述腔压信号进行是否发生打火事件的检测；当检测到打火事件时，当检测到打火事件时，所述数字射频低电平系统将当前向所述功率源的正常输出信号切换为自动恢复信号，进行自动恢复；在自动恢复完成后，所述数字射频低电平系统，将输出切换至所述当前向所述功率源的正常输出信号。本方案能够应用于加速器的数字射频低电平系统中，实现加速器的打火检测及故障恢复，将故障恢复时间降低至毫秒量级，提升加速器的工作效率和可用性。提升加速器的工作效率和可用性。提升加速器的工作效率和可用性。


技术研发人员：朱正龙 高郑 徐呈业 邱丰 陈奇 薛纵横 马瑾颖 丁星皓 孙列鹏 施龙波 金珂安 江国栋 黄贵荣 何源
受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/21