针对医用重离子加速器装置(HIMM)同步加速器对于高频系统不同能量波形输出的需求, 设计实现可输出不同能量对应腔体电压及偏磁电流波形的同步信号源。该系统以ARTERA公司FPGA作为核心处理元件, 接收并处理多组腔体电压及偏磁电流波形文件, 同时以DAC作为输出单元, 通过接收同步光触发信号实现不同能量对应给定波形信号的无缝切换及同步输出, 完成HIMM同步高频信号源的设计。测试结果表明, 该信号源工作稳定, 可实现各种不同能量对应波形的无缝切换及同步输出, 其性能完全满足HIMM系统对碳离子捕获加速的要求。相比于商业任意波形发生器产品, 该系统价格低廉, 且模块化的设计易于集成, 可广泛应用于其他需产生任意波形信号的场合。

同步加速器Barrier Bucket高频系统用于克服空间电荷效应的影响, 并对束团进行预压缩从而实现束团的多次累积来提高束流的流强。实现Barrier Bucket束流多次累积, 要求在同步环高频加速腔上产生一个单正弦电压信号。针对单正弦波形的特点, 讨论在同轴加载腔上产生该电压波形的方法和条件。通过对单正弦信号的频谱分析得出信号对加速腔高频系统的带宽要求, 运用等效并联电路的方法并将同轴加载腔作线性时不变近似, 求出输出的腔体电压与输入的激励电流间的关系。Barrier Bucket电压信号对加速腔整个高频系统的带宽要求至少应为单正弦频率的两倍。输入的激励电流为单正弦信号的基础上叠加上一个直流脉冲偏置, 偏置大小为腔体Q值。最后, 根据分析的结果在兰州重离子加速器冷却储存实验环(CSRe)高频系统的铁氧体加载腔和新研制的磁合金加载腔系统上进行测试,并对测试结果作相关讨论。

为控制高频加速腔体产生具有稳定的幅度、相位和频率的射频加速电场, 设计了实验环高频低电平控制系统。为保证控制的稳定性、可靠性和实时性, 系统各功能模块以硬件模拟电路为主体, 同时为了协调控制各功能模块的工作并补偿某些功能模块的非线性误差, 增加了数字模块。该系统由相位稳定、幅度稳定和频率调谐３个子系统组成, 采用高频鉴相、PID控制、DSP和FPGA等技术。目前, 控制系统通过了长期稳定性的实验和高功率实验,幅度控制精度±3％, 相位控制精度±2°, 频率调谐精度±5°。