Tuner and LLRF

孙毅 Sun YIMini-workshop of 1.3GHz /9cell superconduct

ing cavity2009 年 12 月 2 日 IHEP

Design target 物理设计要求• f0= 1.3 GHz• 超导腔空载品质因数 Q0 1×1010

（在 20 MV/m 附近、若 30 MV/m ~0.8*1010 ）

• 超导腔有载品质因数 QL 3.5×106

• 带宽（ -3dB ） BW 370Hz• 轴向频率灵敏度 ~350KHz / mm• 洛伦兹失谐系数： 1 Hz / (MV/m)2

• 超导腔频率控制精度 ±10 折合为： ±4Hz 对应于轴向长度 ±12nm

• 脉冲 5HZ 、占空比 0.7% （脉宽 1.5ms ）

STF 全脉冲过程

超导腔在微波脉冲电场下， lorentz 力失谐需要补偿

• Δf=-KL×E2acc• 压电陶瓷可以分辨 0.05--1nm• 低压• 100um 位移量→ 35KHZ• 800Kg 、在轴向力加倍（因杠

杆作用）Ｆｚ

Ｆｒ

Pulse shortening at 1480us of width

4 kinds of tuner

Coaxial Ball Screw 500N/mm (Saito)

Blade 25N/um ( INFN for TTF )

Slide Jack 290N/mm (STF)

Cam+lever 60N/um (Saclay-2)

Motor and piezo tuner ofIHEP 1.3GHz / 9cell cavity

Cryostat Shrink → shaft of motor tuner 1) put the motor inside cryostat by using a vacuum and cryo motor ?

2) how to insulate the vacuum of the cryostat?

STF tuner and piezo

杭州大和热磁电子有限公司 www.ferrotec.com.cn

10-6pa 扭力矩 600kg*cm 水冷 SUS440C 轴承

• 磁流体对周边设备影响？• 水冷• 机械扭力距要求？

Piezo & sensor

• Harbin company, china

• 北京科瑞通利公司

• STF• KYOWA • Piezomechanik• 德国真空低温电机公司 Phytron-Elecktronik Gmb

H

www.phytron.de

http://pdf.directindustry.com/pdf/phytron/vacuum-stepper-motors-vss-vsh-19-125-mm-in-diameter/7098-54952.html

Specification of Piezo actuator and load sensor select a lower voltage piezo?

Cavity MHI#3 MHI#4 MHI#2 MHI#1PiezoType 150V 150V 1000V 150VOperation Range 0~100V 0~100V 0~500V 0~100VLoad sensor Type Aluminum Alminum Beryllium Beryllium

motor tuner

• 根据设计要求： 带宽 BW=370Hz → 350KHz/mm 350Hz/um • 相位角 ±45° 对应 370Hz ； RF phase 1°→ 对应 4Hz ；• 选取电机步进角为 0.072 度

1 、电机旋转 1 步距主轴旋转转数为： 0.072/360=0.00002 转2 、锥齿轮减速后（ 1 ： 3 ）主轴转数为： 0.00002X3=0.00006 转3 、丝杠传动距离即楔形滑块横向移动距离为： 2*0.00006=120nm4 、楔块运动后法兰的位移量为： 120/12=10nm

因此伺服电机的控制精度满足设计需要。

Motor tuner

滚动副——辊子 slide jack

• 供应商 1. 日本 THK ：不能满足使用的工况条件，不能安排特殊订货。

• 供应商 2. 南京工艺装备制造有限公司：只有 -150℃ 的使用案例，且辊子的尺寸较大。

• Order the slide jack of STF type

1. 丝杠、螺母设计计算• 边界条件：最大调谐力为 800 公斤 每个螺母推动力约 200 公斤• 计算结果：丝杠承受轴向力 22403N 丝杠材料 304 不锈钢 丝杠中径 17mm 螺母高度 36mm 螺距 4mm 旋合圈数 9 圈 螺纹工作高度 2mm 丝杠公称直径为 18mm 丝杠小径为 15.5mm

2. 丝杠、螺母校核计算• 按上述确定的参数，对丝杠、螺母进行了校核计算结果： 丝杠、螺母螺纹牙强度满足要求 丝杠稳定性计算满足要求 丝杠刚性满足要求

调谐器关键部件设计校核计算（门铃鸰）

1.3GHz LLRF block diagram Qiu Feng and Liu Rong ( PH.D students ) will work for the Feedback loops

LO

Vref

IF

DA

1

Am

p&P

hase

NC

O1

outp

ut

NC

O2

outp

ut

RF

LO

Sample

1300MHz

10M

Hz

refe

renc

e

1301MHz

240MHz

FPGA

NET ROMUSB

PC

ADC

ADC

ADC

ADC

120MHz

Vcav_in-

Vcav_in+

Sample

Down Conversion

Signal & Clock

Amp&Phase ModulatorRF

LO

Clock

1

2

3

4ADC ClockDAC Clock

120MHz

Cal

ibra

tio

n

Digital Board

Monitor

MotorDriver

M

RF Interlock

Piezo Driver

FeedForward Table

A&P_Set Table

Beam Table Test Table

Interlock Interface

Motor Control

Piezo Control

Vload+

Vload-

Klystron

Vkly-Vkly+

Monitor

ADC

ADC

ADC

ADC

Vcav_in-

Vcav_in+

Vload+

Vload-

Vkly-

Vkly+

Vcav_out

Vcav_out

Vref

Monitor

Monitor

Monitor

Monitor

Monitor

Monitor

Monitor

Monitor

Cavity Model&Tuner

LLRF Switch

30MHz

1330MHz 1300MHz

30MHz 30MHz

1MHz

1MHz

1MHz

Klystron

DA

1

DA

1

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

8