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光源組 > 高頻小組

高頻系統的主要功能是在儲存環運行時,補充電子束由於放出同步輻射光而損失的能量及提供電子束足夠的能散存活度。另外,在將電子束注射入儲存環階段,因為直線加速器射出之電子束能量遠低於在儲存環中之運轉能量,所以也必須先在增能環中利用高頻系統將電子束之能量提升至運轉能量,再注射入儲存環運行。

單套高頻系統主要包括有高頻發射機、高功率微波管、微波傳輸線、保護元件、高頻共振腔、及低階微波控制系統。其中高頻共振腔為最具代表性之元件。高頻共振腔是一個中空的金屬結構,兩端皆有開口以便電子束通過,以增能環高頻系統所採用的常溫DORIS高頻共振腔為例,側邊有頻率節器,利用改變腔內體積的方式,以回授控制系統自動調整高頻共振腔之共振頻率,使通過共振腔之電子束藉由導波管傳來之高頻電磁波獲得所需之能量。原先TLS儲存環的高頻共振腔也是DORIS型高頻共振腔,其原始設計只有一個頻率調節器,用來調整基本模態之共振頻率,再利用高次模衰減器壓抑電子束與高次模電磁場交互作用所產生之不穩定行為。由於此種設計未能完全滿足用戶對同步輻射光品質持續提昇的需求,因此本中心在經過詳細的評估後,實施為期五年的超導高頻計劃(1999-2004)。於2004年底,我們換下了工作了12年的兩組常溫DORIS高頻加速腔,將超導高頻共振模組成功地運用在台灣光源上,讓光源用戶們得以使用更穩定的光源。

圖二、Cornell-type超導高頻共振腔
TPS高頻共振腔模組

常用的高頻共振腔材料有銅和超導材料鈮(Niobium)兩種。在相同的RF 加速電場下,超導高頻共振腔需要的耗損功率遠低於常温高頻共振腔的耗損功率(~105 倍),這使得超導高頻共振腔模組,可以經由放大腔體兩端開口管徑的設計,有效的外洩進而壓制共振腔的高次模。這對於電子束的穩定性,尤其是在大工作電流之下,提供了必要的條件。目前世界上新的同步輻射光源,如英國的Diamond、加拿大的CLS、上海光源SSRF 和我國的TLS 等,均採用超導高頻共振腔模組,為使台灣光子源在世界上成為最穩定的同步輻射光源之一,台灣光子源採用超導高頻共振腔模組。

儲存環中電子束因行經偏轉磁鐵及插件磁鐵而放射出同步輻射光,但也因此而消耗其能量而逐漸偏離軌道,為維持其持續在軌道中運行,電子束必須獲得能量補充,500 MHz 高頻共振腔模組即為此補充能源之核心元件,故為台灣光子源同步加速器之必要設備。

台灣光子源配置的三套KEKB type 500MHz低溫超導高頻共振模組是在獲得日本高能加速器研究機構(KEK)的技術轉移之後,在國家同步輻射研究中心(NSRRC)、日本高能加速器研究機構與三菱重工株式會社(MHI)的緊密合作下成功製作。三菱重工負責機械製造與低溫模組的組裝;期間在KEK進行超導鈮腔、高功率輸入耦合器與高次模阻尼器的表面處理與微波功率的鍛練與測試,及低溫槽的液氦低溫測試。在這些過程中我們經由實際的處理與測試經驗獲得了日後自主維修的寶貴經驗。最後且最重要的組裝作業及系統整合,則是由我們高頻小組負責進行,包含了末端相關真空元件的潔淨環境內組裝與低溫長時間烘烤等,並於優於Class-100的無塵室內進行最後的潔淨環境組裝,將低溫模組,高功率輸入耦合器,與末端相關真空元件等組成為一功能完備的低溫超導高頻共振模組,並進行整體高頻系統的整合、水平高功率測試與高功率的長時間可靠性測試。2015年先將兩套低溫超導高頻共振模組安裝於台灣光子源儲存環,迅即達成加速器儲存電流超越500毫安培(mA)之設計值的目標。

圖四、低溫超導高頻共振模組安裝於TPS儲存環之實體照片
基本性能規格
Operation frequency 499.650 MHz
Q0 @ 1600 kV > 1.0e9
Tunable range of Qext 6.0e4 to 1.2e5
Static loss of cryostat at 4.5 K < 35 W
RF power rating of cavity 300 kW-CW / set
Maximal cavity accelerating voltage > 2.0 MV / set
Vacuum
Cavity /Cryogenic insulation vacuum
at liquid-helium temperature
<1 nTorr/<1 μTorr
Leak rate
(1) Cavity to ambient
(2) Cavity to helium vessel
(3) Helium vessel to insulation vacuum
(4) Insulation vacuum to ambient
<2.0e-9 mbar l/ sec
<2.0e-9 mbar l/sec
<2.0e-8 mbar l/sec/td>
<2.0e-8 mbar l/sec
TPS超導共振腔模組低溫閥箱及控制簡介

TPS超導高頻共振腔(SRF)模組操作在4.5 K飽和液氦溫度,所需液氦由液化機(Cold box)供應,在冷卻模式操作時可產生890 W液氦,在液化模式操作時可產生269 L/h液氦。

圖五簡介TPS SRF模組氦及氮傳輸路徑。液化機產生的液氦先儲存於7000-L main Dewar中。液氦在經由分配閥箱(DVB)及低溫多重傳輸管(MCLs)傳輸至SRF閥箱(VB#1~VB#4)。閥箱上有數個控制閥門,其功能用於控制SRF模組所需的低溫流體流量大小。

所需的液氦流量經過SRF低溫多重傳輸管及低溫真空軟管後,進入SRF模組的液氦槽內,以維持等液位操作。液氦槽內的4.5 K冷氦氣經由低溫真空軟管及SRF低溫多重傳輸管返回SRF閥箱。其冷氦氣流量由閥門控制,維持液氦槽內的壓力為一固定值。冷氦氣依照其傳輸路徑返回液化機後與其內的熱交換器做熱交換,達到致冷力儘可能回收的目的,最後變成常溫氦氣返回壓縮機。所需的液氮是由60 m3 LN2儲槽所供應。經過1000 L液氮穩壓分離器後,依循傳輸路徑至SRF模組做77 K溫度屏障用,降低SRF模組的液氦低溫熱損。SRF模組所需液氮流量由閥箱上的閥門來控制。返回的飽和態液氮經過分配閥箱及冷凝器後,直接排至戶外大氣中。

圖五、TPS超導高頻共振腔模組液氦及液氮傳輸路徑簡圖

SRF模組液氦、氣氦、液氮及氣氮流量皆由SRF閥箱來控制。其閥箱操作流程圖如圖六(a)及設備照片圖六(b)。閥箱內氦傳輸線,共有兩個手動閥及八個控制閥。氮傳輸線共有4個控制閥及一個手動閥。閥門前後各安裝一個洩壓閥以避免盲管及操作診斷用的溫度、壓力及流量計。其中溫度計,在每個量測點處皆有一個備用溫度計。液氦及氣氦流量控制設計一大一小的雙閥,目的為提高流量控制的解析度。液氮在進入SRF模組前,設計gas vent先將氣體排掉,以提高SRF模組77 K溫度屏障層液氮的比例。此外,平時操作時,飽和態液氮是返回多重傳輸管。在維護需要時,飽和態液氮也可經由關閉PV-GN閥,打開手動閥,直接傳至閥箱外的冷凝器後排至大氣中。

圖六(a)、閥箱操作流程圖
圖六(b)、閥箱設備照片

在正常運轉時,SRF模組需要維持液氦槽液位平衡及氦壓穩定。因SRF模組操作在4.5K飽和態,因此,無可避免地液位與氦壓兩者會耦合在一起。液位的調控使用PV-LH1;壓力的調控使用雙閥PV-LH1及PV-LH2。當液位的抖動程度愈大,氦壓的調控相對上會比較難。當氦壓變動的幅度愈大,液氦槽內部的腔體(Cavity)頻率變動會愈大,這將使得cavity調整器(tuner)回饋系統負擔變大,相對上容易發生當機。根據TLS的經驗,當氦壓變動小於 3 mbar,使用低階高頻控制系統的tuner回饋控制,其光源的穩定度是可穩定維持,但若要達到更高穩定度的光源仍是必須從干擾源來進一步改善,因此,設計雙閥控制。此外,雙閥的設計也希冀SRF模組在一般運轉1.6 MV及CW RF processing時,都能有更佳的壓力調控。TPS SRF模組需要3 K/hr的慢速冷卻速率,避免冷卻過程中,因冷卻速度過快,溫度分佈不均勻造成熱應力太大,引起界面洩漏問題。考量液氦傳輸冷卻路徑及希望能直接使用液氦來慢速冷卻,為達到此目的而設計液體雙閥。小閥用於3 K/hr慢速冷卻;大閥用於正常運轉時的等液位操作。其液氦及氣氦雙閥控制架構如圖七。

液氮傳輸提供閥箱及SRF模組77K溫度屏障,降低液氦低溫熱損。飽和態液氮會流經LBP及RBT thermal transition真空腔,做為LN2 thermal clamp以降低兩端真空腔所造成的液氦熱損。若液氮飽和壓力波動大,其飽和溫度也會因此而波動大。LN2 thermal clamp溫度變化大時,兩端真空腔長度會因此而改變,間接造成cavity頻率變動。因此,設計SRF模組液氮流量由PV -LH1低溫閥門控制並同時使用PID控制器限制其最小開度,當TS #2溫度高於PID控制器溫度設定值時,PID會自動調節LN閥的開度,使之溫度小於溫度設定值。而飽和液氮管路壓力由PV-GN低溫閥門來控制。正常操作時,PV-LH1的開度會操作在最低開度,此時流量大小會與壓力PT-GN2的設定值相關。其液氮及氣氮閥控制架構如圖八。

圖七、液氦及氣氦雙閥控制架構
圖八、液氮及氣氮閥控制架構

TPS高頻系統高頻發射機簡介

高頻發射機目的:高頻發射機系統是為了提供加速器加速電子能量而來,但其並不能單獨工作,尚需要配合LLRF(low-level RF)控制系統、射頻功率迴旋器、射頻功率負載、導波管與射頻共振腔方可恰當的補充能量給在加速器繞行的電子,所以高頻發射機系統在放大了微小的射頻訊號後,會經由導波管、射頻功率迴旋器、再經導波管進入共振腔中形成交變的電磁場,此電磁場中的電場可以對在儲存環或增能環中繞行電子團補充其在繞行過程中損失的能量或予以加速,而高頻發射機所提供的射頻能量大小則必需能滿足加速器的能量需求。

圖九、高頻系統圖

系統組成:一套高頻發射機主要是由一台高功率的55kV/12A直流高壓電源供應器(High Voltage power supply)與一支300kW速調管(klystron)所組成,另外還有週邊的PLC(可程式邏輯控制器Programmable Logic Controller)、FPGA安全保護電路板(ICS: Interlock Control System)及週邊的附屬電源供應器及風力與水力散熱裝置一同構成CW(continuous wave)的射頻(RF: Radio Frequency)功率源。

圖十、高頻發射機系統方塊圖

工作原理:TPS高頻系統的高頻發射機實際上就是一套工作在大約500MHz的射頻功率放大器,配合前級約30W的驅動放大器可以將輸入約1mW的射頻訊號放大至最大約300kW的等級,大約是8個數量級的放大倍率,而將功率放大的主角是速調管或稱調束管,其可以將高壓電源供應器所提供之直流電能加至輸入至調束管的射頻訊號中,因而加以放大;但就電源的角度來看,調束管是電力的負載端,高壓電源供應器則是負擔起系統穩定度的主要角色,因此在日常運行的時候,電源供應器的可靠度便決定了高頻發射機的系統的可靠度,為此,採用了使用PSM(Pulse Step Modulation)技術的高電壓源供應器,內部裝置了86個小電源模組以串聯的方式形成高電壓,並以類似分時工作的方式將電力輸出負載平均分配置每一個小電源模組,使得高壓電力系統的運轉變得更為可靠與平順。

圖十一(a)、調束管的工作原理圖
圖十一(b)、實際的調束管
圖十二、使用PSM技術的高壓電源供應器原理

現況:目前TPS儲存環有兩套300kW的高頻發射機系統與增能環有一套100kW高頻發射機投入日常運轉,可以提供現階段加速器中電子束團所需要的射頻能量

圖十三、TPS儲存環高頻系統實體配置3D設計圖

高頻低階控制系統

目地: 高頻系統是加速器設施的心臟,提供了電子因同步輻射光而損失、以及因電子加速而所需的能量。當高頻系統的外在環境,或是速調管的工作功率/條件有變化時,會引起高頻腔加速電場的相位變化,因此需要相位迴授機制進行控制加速電場的相位。而當高頻腔加速電場相位進行修正時,會導致高頻腔加速電場的強度變化,反之亦然。因此也需要加速電場強度的迴授機制。另外,由於電子束的存在,速調管除了看見高頻腔的電阻性等效阻抗之外,也會看見一個電抗性的等效阻抗。此電抗性的等效阻抗,會浪費不必要的速調管功率輸出,因此需要調整高頻腔的工作頻率,使其產生電容性的等效阻抗,讓速調管看見的都是電阻性的等效阻抗,使其最大輸出功率容量為最小。因此需要高頻腔共振頻率迴授機制進行此種補償條件的操作。

高頻低階控制系統(LLRF)提供了上述迴授機制的功能。目前TPS使用與TLS相同的類比式高頻低階控制系統,包含了數個回授迴路,概略示意圖如下:

圖十四、類比高頻低階系統

在高頻低階控制系統中,amplitude loop控制共振腔的振幅,phase loop控制共振腔的相位,tuner loop則控制了共振的共振頻率。在amplitude loop中,藉由共振腔勾出的Pt訊號與設定值比較的誤差,透過控制器輸出控制電壓,該電壓控制了衰減器的衰減量,進而達到控制輸入功率的大小,使得共振腔的電場得以控制在所設定的範圍內。在phase loop中,則是比較master clock與Pt的相位誤差,透過控制器輸出的控制電壓,調整phase shifter,達到控制相位的目的。而tuner loop則是藉由輸入功率與Pt的相位差,藉由調整步進馬達,使得共振腔的共振頻率能落於期望的位置。

高頻低階控制系統除了上述功能之外,還有連鎖保護系統與當機暫態記錄的功能。當高頻系統或加速器運轉中,有任何參數異常時,即可透過連鎖保護系統將速調管的驅動高頻功率切斷,保障高頻系統及其元件的安全,而當機暫態記錄器則立即記錄下系統當機前後的重要狀態變化,供日後除錯改進使用。

而安裝在TPS的高頻低階控制系統照片如下。照片右方機櫃為低階電子控制系統的相關模組,左方機櫃中央為遠端操作的螢幕。

圖十五、高頻低階控制系統實體圖

另外,由於TPS設計在較小的束散度,其動量壓縮因數 (momentum compaction factor)也很小,使得儲存環的同步加速器震盪頻率 (synchrotron oscillation frequency)較低,約略在3kHz左右。而低階電子控制系統迴授迴路的頻寬若接近同步加速器震盪頻率,會大幅降低最大儲存電流,因此這限制了低階電子控制系統迴授迴路的頻寬。目前TPS低階電子控制系統amplitude loop的單位增益頻寬約為600 Hz,phase loop的單位增益頻寬約為2.2 kHz。而類比式的的高頻低階控制系統較容易被雜訊所影響,特別是來自速調管輸出功率中的60Hz及其高次諧波的雜訊。而數位化的高頻低階控制系統擁有較佳的抗雜訊與控制能力,因此將TPS高頻低階控制系統數位化,則是日後的重點目標之一。

高頻小組成員

中文名字工作職掌
張美霞*
  • 超導高頻模組低溫及真空系統的維護及研究
尤宗旗
  • 射頻電路設計
  • 高頻電磁模擬
  • 電子電路設計製作
王兆恩
  • 超導高頻共振模組之運轉與維護
林明泉
  • 結構穩定力學
  • 塑性力學
  • 有限單元分析
  • 熱應力分析
  • 低溫工程
  • 高頻微波及結構整合計算
  • 超導高頻共振腔模組技術發展
  • 真空測漏
張富毓
  • 高頻系統故障診斷
  • 低階電子系統雜訊分析
  • 數位低階電子系統設計
張隆海
  • 高頻系統操作與維護
張鮮文
  • TPS與TLS水系統
陳令振
  • 電子電路設計製作
  • 電路模組測試
葉孟書
  • 高頻共振腔電子系統
  • 高頻發射機電子系統
  • 高頻低階電子系統研發
劉宗凱
  • 高頻低階電子系統整合測試及研究
鍾福財
  • 電路設計與製作
  • 高頻電子子系統開發與設計
羅志宏
  • 超導高頻共振腔模組之組裝及相關技術發展
* 為主管