Corso Acceleratori LNL Legnaro, 7- 10 Gennaio 2003 - INFN-LNL

Sistema RF: modulo di controllo delle cavita’ risonanti.
Introduzione
• Un acceleratore come ALPI puo’ operare solamente se la
fase di ogni cavita’ e’ impostabile indipendentemente dalla
fase delle altre cavita’.
• La funzione del modulo di controllo e’ di mantenere il
campo RF della cavita’ a un valore di ampiezza costante e
agganciato in fase a un segnale di riferimento.
Giorgio Bassato
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Il riferimento di fase.
• Il riferimento di fase e’ ottenuto da un generatore (Master
Oscillator) ad altissima stabilita’ di frequenza.
• La frequenza dell’oscillatore base e’ 40 MHz.
• I segnali di riferimento a 80 e 160 MHz sono ottenuti per
moltiplicazione delle armoniche e successivo filtraggio.
• Il segnale di riferimento e’ distribuito lungo il Linac
attraverso una rete fatta di cavi semirigidi, splitter e
accoppiatori direzionali.
• Tutti i componenti sono caratterizzati da un’ alta stabilita’
di fase.
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Impostazione del riferimento di fase per ogni cavita’
• Tra l’ ingresso del cassetto e l’ingresso della scheda di controllo
esiste uno sfasatore con range di rotazione di 360 gradi.
• Esso consente di compensare il ritardo dovuto alla lunghezza dei
cavi e impostare il riferimento di fase della cavita’ a un angolo
arbitrario rispetto al master oscillator.
• Lo sfasatore sul segnale di riferimento e’ a controllo digitale con
una risoluzione di 8 bit, che corrisponde a 1,4 gradi.
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Tecniche di agganciamento in fase di cavita’ risonanti.
Sistema ad oscillazione forzata
• Consiste nel fornire energia RF alla cavita’ iniettandovi lo
stesso segnale di riferimento di fase adeguatamente
amplificato.
• Il segnale prelevato al pick-up del risonatore viene
confrontato con il riferimento (per la comparazione di fase si
usa in questo esempio un mixer).
• L’ uscita IF (intermediate frequency) del mixer,
adeguatamente filtrata, puo’ essere usata per modulare uno
sfasatore posto tra il riferimento e l’ingresso della cavita’.
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Controllo di fase in un sistema ad oscillazione forzata
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Problemi nell’ uso di cavita’ superconduttive in regime
di oscillazione forzata
• Se la frequenza naturale della cavita’ si trova inizialmente
lontana da quella del master oscillator il campo al suo
interno e’ praticamente nullo a causa della banda molto
stretta. Il segnale al pickup non puo’ dunque essere usato
per guidare l’ operazione di tuning.
• Quando la frequenza naturale della cavita’ cambia rispetto
al segnale di eccitazione anche il campo, e non solo la fase,
varia. Pertanto il sistema di correzione dell’ ampiezza
deve intervenire per compensare perturbazioni sulla
frequenza. Questo crea un accoppiamento tra i sistemi di
stabilizzazione di fase e ampiezza che dovrebbe essere
evitato.
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Self excited loop
• Consiste nel collegare la cavita’ e l’ amplificatore che
le fornisce energia in una configurazione auto-oscillante
(vedi figura).
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Condizioni per l’ auto-oscillazione
• Il segnale del pickup viene riportato all’ ingresso del
circuito formando un anello chiuso.
• L’ anello formato da controller, dall’ amplificatore esterno
e dalla cavita’ entra in oscillazione a quella particolare
frequenza per cui la somma degli sfasamenti lungo l’
anello risulta essere un multiplo di 360 gradi.
• Il guadagno complessivo lungo l’anello deve essere
maggiore o uguale a 1.
• A causa dell’alto Q, la frequenza di oscillazione del
sistema e’ dettata dalla cavita’; il controller la puo’
modificare entro i limiti della banda di risonanza.
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Principio della modulazione di fase.
• In un sistema risonante in regime lineare la fase e’ legata
univocamente alla frequenza di oscillazione dalla seguente
relazione: P(f) = arctan(Q(1-f2/ fr2))
90
Phase
Field Amplitude
Phase (deg)
45
0
Amplitude
-45
-90
0.9
1.0
1.1
f / f0
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Principio della modulazione di fase (cont.)
• Se la fase tra ingresso e uscita del controller viene modificata
agendo sullo sfasatore, la cavita’ e’ a sua volta costretta a
modificare la propria fase in modo da mantenere costante la
somma lungo l’ anello.
• Modificare la propria fase significa, dal punto di vista della
cavita’, spostare il punto di lavoro lungo la curva di
risonanza, ovvero cambiare la frequenza di oscillazione.
• Un sistema auto-oscillante permette dunque di controllare la
propria frequenza agendo sulla fase dell’ anello.
• E’ possibile agganciare la frequenza del sistema a un segnale
di riferimento esterno attraverso una modulazione sulla fase.
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Da uno schema di principio a un circuito reale
• Lo schema di principio discusso finora presenta ancora dei
problemi che devono essere risolti:
• L’ ampiezza dell’ auto-oscillazione tende a crescere fino alla
saturazione dell’ amplificatore di potenza poiche’ la reazione
lungo l’ anello e’ positiva (o rigenerativa). Questo problema
e’ facilmente risolto inserendo un limitatore (limiter) lungo
l’anello.
• Se per la modulazione viene usato uno sfasatore come
mostrato nella precedente figura rimane il problema dell’
accoppiamento (cross-talk) tra circuiti di correzione di fase e
ampiezza poiche’, quando la cavita’ e’ forzata a spostarsi
lungo la curva di risonanza il campo varia a sua volta. Questo
problema puo’ essere risolto usando, al posto dello sfasatore,
un modulatore vettoriale, il cui funzionamento verra’ ora
illustrato.
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Il modulatore vettoriale (o CPM)
La figura mostra come e’ realizzato un modulatore vettoriale.
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Funzionamento del modulatore vettoriale
• Il segnale in ingresso viene splittato in due componenti con
la stessa ampiezza ma in quadratura (sfasate di 90 gradi).
• I due segnali passano attraverso degli attenuatori bi-fase le
cui porte di controllo sono denominate rispettivamente I per
la componente a 0 gradi e Q per la componente a 90 gradi.
• Infine i due segnali vengono ricombinati in fase per
produrre il segnale in uscita.
• Se sulle porte I e Q vengono applicati i segnali di controllo
Ai e Aq, il segnale in uscita viene ruotato di un angolo pari
a arctan (Aq/Ai). L’ ampiezza del segnale in uscita e’
invece proporzionale a (Ai2 + Aq2)1/2.
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Perche’ usare il CPM
• Il modulatore vettoriale e’ il componente che serve per
attuare l’ agganciamento in fase di un sistema auto oscillante
evitando il problema dell’accoppiamento tra fase e
ampiezza.
• La potenza in piu’ che viene aggiunta in uscita dal
modulatore e’ esattamente quella necessaria per compensare
l’ aumento di impedenza presentato dalla cavita’ quando
questa viene spinta fuori dalla sua frequenza di risonanza
naturale.
• Proprio perche’ compare una componente reattiva nell’
impedenza della cavita’, la potenza in piu’ aggiunta dal
CPM non viene dissipata nel risonatore ma viene riflessa.
• L’ uso del CPM presenta anche un altro vantaggio: la porta
di controllo I puo’ essere usata per applicare il segnale di
correzione sull’ ampiezza, evitando di aggiungere un altro
componente per questa funzione.
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Il controller delle cavita’ di ALPI
•
La figura mostra l’ implementazione di uno schema di controllo
basato su CPM molto simile a quello di ALPI
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Note applicative (1)
Rispetto allo schema di principio illustrato in precedenza si
possono notare le seguenti implementazioni:
• Lo sfasatore presente nello schema di principio e’
stato splittato in due componenti: il primo e’un vero
sfasatore con range di 360 gradi ed e’ usato per il
tuning della cavita’ lungo la curva di risonanza (loop
phase shifter). Il secondo e’ il CPM.
• E’ stato aggiunto il circuito di stabilizzazione di
ampiezza. Esso e’ composto da un detector e da un
comparatore di ampiezza. Il segnale di errore cosi’
ottenuto e’ portato alla porta di ingresso I del CPM.
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Note applicative (2)
• Calibrazione del campo: il resonator controller deve poter
funzionare in un ampio range (circa 30 dB) di valori di
campo. Per questa ragione e’ presente all’ ingresso del
segnale dal pick-up un attenuatore controllabile in
tensione (non riportato nello schema). Dalla calibrazione
di questo componente e’ possibile risalire, in condizioni di
azzeramento dell’ errore di ampiezza, al valore di campo
in cavita’.
• Il controller consente di variare la potenza a riposo
(Quiescent Power) in uscita dall’ amplificatore. Questo e’
ottenuto sommando un livello di tensione programmabile
al segnale presente sulla porta I del CPM. Quindi il CPM
viene usato anche come attenuatore di uscita.
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Criteri operativi
• Il problema piu’ serio nell’agganciamento in fase di cavita’
superconduttive, legato alla loro ridottissima larghezza di
banda, puo’ essere in parte risolto sovra-accoppiando il
sistema coupler-cavita’.
• Ne risulta che, a parita’ di campo accelerante, e’ necessario
introdurre nel sistema una maggiore potenza; come
conseguenza anche il fattore di merito del sistema (Q-loaded)
si abbassa e la larghezza di banda utile aumenta. La potenza
aggiuntiva non viene dissipata nella cavita’ ma e’ riflessa.
• Si puo’ dimostrare che per ottenere il miglior compromesso
tra larghezza di banda a riposo e disponibilita’ di potenza
aggiuntiva richiesta dal CPM per l’agganciamento in fase, la
condizione di overcoupling ideale e’ quella per cui la potenza
a riposo erogata dall’ amplificatore e’ la meta’ della massima
disponibile.
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Conclusioni
• Il controller usato nell’ acceleratore ALPI opera in selfexcited loop.
• L’ agganciamento in fase del risuonatore e’ attuato
applicando, attraverso un modulatore vettoriale, una
potenza reattiva proporzionale all’ errore di fase.
• La banda di frequenza utile per l’ agganciamento in fase
puo’ essere allargata sovra-accoppiando il risonatore.
• La potenza necessaria e’ proporzionale all’ energia
immagazzinata nel risonatore e alla larghezza di banda che
si vuole ottenere.
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