Design, analysis and implementation of a versatile low level radio frequency system for accelerating cavities

Abstract

[ES]En esta tesis se describen diversas soluciones analógicas y digitales para realizar sistemas de control LLRF (Radio Frecuencia de Bajo Nivel) para cavidades resonantes de radiofrecuencia de aceleradores de partículas. Para analizar dichas cavidades, se desarrolla un modelo genérico que representa la respuesta dinámica de la cavidad bajo la influencia del haz de partículas. Después, se usa este modelo para desarrollar y analizar un sistema analógico de LLRF para el booster' del sincrotrón ALBA, así como un sistema LLRF digital para el linac de la futura Fuente Europea de Protones y Neutrones de Bilbao (ESS-Bilbao). A continuación, se presentan los detalles del diseño e implementación de los dos sistemas LLRF aludidos, así como los resultados experimentales obtenidos en distintas cavidades de radiofrecuencia, así verificando la validez de los dos diseños propuestos. También, se presenta el diseño básico de la electrónica de RF de un sistema de Monitorización de la Posición del Haz de Partículas (BPM) y los resultados preliminares obtenidos con un haz simulado en un banco de ensayos desarrollado al efecto. Hay dos consideraciones importantes a la hora de desarrollar un modelo eléctrico de cavidades radiofrecuencia útil para analizar el sistema o diseñar un lazo de LLRF: la respuesta transitoria y los desajustes de impedancia. Sin embargo, en la literatura raramente se consideran estas cuestiones de manera conjunta, y una suele prevalecer sobre la otra, dependiendo de si la cavidad de radiofrecuencia se mira desde una perspectiva de alta potencia o de LLRF. En esta tesis, en primer lugar, se desarrolla un modelo para representar los aspectos más importantes de la cavidad, incluyendo desajustes de impedancia, potencia reflejada y la respuesta transitoria, por ejemplo en el arranque del sistema o en los instantes de llegada del haz de partículas que carga la cavidad. Como un caso especial, se aplica el modelo a las cavidades RF del anillo de almacenamiento (storage ring) de ALBA, estudiando así los efectos de carga del haz (beam loading), el arranque del sistema y los retardos en la respuesta de los lazos de regulación. Para simular estos lazos, se emplea una técnica matemática para hacer corresponder la frecuencia resonante de la cavidad a banda base, obteniendo de esta manera un modelo equivalente en banda base de la cavidad, con una respuesta aproximadamente igual al modelo convencional RF, pero con una velocidad de simulación mucho mayor. A continuación, se presenta el diseño y la implementación del sistema de LLRF analógico del booster' de ALBA, basado en lazos de realimentación de las señales IQ del sistema. Se miden los parámetros importantes del LLRF operando la cavidad tanto a baja como a alta potencia de RF, verificando así el diseño propuesto. Finalmente, se presenta el diseño, implementación y diversos resultados experimentales del sistema LLRF digital pulsado que hemos desarrollado para el Cuadrupolo de Radio Frecuencia (RFQ) del Rutherford Appleton Laboratory - Front End Test Stand (Oxfordshire, Inglaterra) y para el futuro linac de ESS-Bilbao. En lugar de emplear un front-end' analógico estándar que convierta las señales medidas en la cavidad a una Frecuencia Intermedia (IF) para a continuación submuestrear este señal, en este diseño usamos un demodulador IQ analógico, que transforma directamente las señales RF medidas en sus componentes En-fase (I) y Cuadratura (Q) en banda base. La ventaja principal de usar este método es eliminar la necesidad para un sistema preciso y complejo de sincronización y timing', lo cual da lugar a un sistema LLRF simple y versátil que puede servir para un rango grande de frecuencias y virtualmente para cualquier aplicación LLRF, sean pulsadas, en rampa o de onda continua (CW). Los errores asociados al uso de demoduladores de IQ analógicos han sido identificados y corregidos mediante algoritmos implementados en la FPGA y por medio del ajuste apropiado de los parámetros del lazo de control. Además, se ha desarrollado un modelo equivalente en banda base del RFQ en MATLAB-Simulink para estudiar su respuesta transitoria en condiciones de carga del haz y en presencia de errores de fase y retardos. Los resultados experimentales obtenidos con una cavidad de prueba y un modelo en cobre del RFQ verifican que en lazo cerrado pueden obtenerse campos acelerantes con niveles de estabilidad de amplitud y fase superiores al 1 por ciento y un grado respectivamente, además de un margen de fase mayor de +/- 50 grados que confiere robustez al sistema, conservando al mismo tiempo la linealidad y el ancho de banda de los lazos de regulación, y cumpliendo por tanto sobradamente las especificaciones requeridas para el acelerador

[EN]This thesis describes analog and digital Low-Level Radio Frequency (LLRF) solutions applied to RF cavities of particle accelerators. For cavity analysis, a generic electrical model is developed to represent the cavity dynamic response under a beam. This model is then used as the basis for the design and analysis of two LLRF systems being the analog LLRF of the ALBA booster and the digital LLRF of the future Bilbao Proton and Neutron Source (ESS-Bilbao) linac. Details of the design and implementation of both LLRF systems are given followed by the experimental results obtained with di erent types of cavities verifying the validity of both LLRF systems. Also, the basic design of the ESS-Bilbao Beam Position Monitoring (BPM) RF electronics is described and the preliminary results obtained with a BPM test bench are presented. There are two important considerations in the development of an electrical model analogy for RF cavities to be used for system analysis or LLRF loop design, being: transient response and cavity impedance mismatches. In the literature, however, either one or both of these issues are often neglected depending on whether the RF cavity is being looked at from a high-power or a LLRF perspective. In this thesis, in the rst place, a transient model for RF cavities under beam loading is developed so that it represents the important RF aspects of the cavity such as impedance mismatches and re ected voltage as well as its transient response, for example at start-up or upon beam arrival. As a special case, the model is applied to the RF cavity of the ALBA storage ring to study the e ects arising from beam loading, system start-up and delays on the performance of the LLRF regulation loops. For the simulation of the regulation loops in time domain a mathematical technique is introduced to map the cavity resonant frequency to baseband, leading to a baseband-equivalent model for the cavity with almost the same results as the conventional RF model but with signi cantly higher simulation speed. In the continuation, the design and implementation of the IQ-based analog LLRF system for the ALBA booster is presented. The important LLRF parameters have been measured with the cavity running under low and high RF power and compared to the speci cations verifying that all the requirements can be met with the proposed LLRF design. Finally, the design and some performance results of the pulsed digital LLRF for the RFQ (Radio Frequency Quadrupole) systems of Rutherford Appleton Laboratory - Front End Test Stand and the future ESS-Bilbao linac are presented. Contrary to the standard digital LLRF front-end in which the cavity probe voltage is rst down converted to an Intermediate Frequency (IF) and then subsampled, in this design, an analog IQ demodulator has been used to directly convert the probe voltage to I (In-phase) and Q (Quadrature-phase) components in baseband. The main advantage of this method is that the need for a precise synchronization and timing system for down-conversion and ADC sampling is eliminated leading to a simple and versatile design which can be used for a large variety of RF frequencies and virtually any LLRF application including CW, ramping and pulsed. The errors associated with the use of analog IQ demodulators have been identi ed and corrected by FPGA algorithms and proper setting of the control loop parameters. Furthermore, a basebandequivalent model for the RF plant is developed in MATLAB-Simulink to study the RFQ transient response under beam loading in the presence of phase and delay errors. The practical results obtained with a mock-up cavity and an RFQ cold model verify that amplitude and phase stabilities in the acceleration elds down to a fraction of one percent and one degree, and phase margins larger than 50 can be achieved with this method preserving the linearity and bandwidth of the regulation loops and ful lling the required speci cations for the accelerator.