Design and Development of a Digital Radio Frequency Control System for Linear Accelerators

Il nuovo sistema di controllo per strutture a Radio Frequenza (RF) nei Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) è presentato in questo documento. I LNL è uno dei quattro laboratori dell’ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), si occupa della ricerca di base in fisica nucleare e astrofisica-nucleare, insieme alle applicazioni tecnologiche. L’argomento di questa tesi di Dottorato è infatti lo sviluppo di un sistema a retroazione completamente digitale, focalizzandosi sulla validazione del controllore RF, la sua programmazione e la sua integrazione col sistema di controllo dell’ acceleratore di particelle. Il controllore RF interagisce direttamente con le cavità a funziona in anello chiuso ed in tempo reale. E’ un insieme di elettronica analogica e digitale che fornisce correzioni in fase, ampiezza e frequenza per stabilizzare il campo RF in presenza di disturbi e vibrazioni dovute da altri sottosistemi dell’ acceleratore. L’algoritmo di controllo è implementato tramite un dispositivo programmabile come una FPGA. Questo aumenta immensamente la flessibilità e la programmabilità del controllore. La scheda digitale del controllore RF può lavorare in un ampio intervallo dello spettro RF. E’ uno strumento versatile, facile da adattare ai risuonatori a 40/80/160/352 MHz, abbracciando così tutti i tipi di cavità nella configurazione finale di SPES. Ai LNL potrebbe essere usato per controllare le cavità RF come i buncher per pulsare il fascio, le cavità superconduttive per accelerare il fascio e i quadrupoli RF (RFQ) per accelerare e focalizzare contemporaneamente il fascio. Molte di loro lavorano in stato superconduttivo, mentre le altre a temperatura ambiente. Il controllo ed il monitoraggio del controllore RF è fatto dal sistema di controllo dell’ acceleratore di particelle basato su EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System). E’ una struttura software largamente adottata nei sistemi di controllo. EPICS è un insieme di strumenti, librerie e applicazioni sviluppati collaborativamente e usati in tutto il mondo per creare sistemi di controllo distribuito in tempo reale per macchinari scientifici come gli acceleratori di particelle. Il trasporto del fascio è stato effettuato con 8 cavità funzionanti in stato superconduttivo con i nuovi strumenti. Il controllore ha mantenuto agganciate le cavità per pochi giorni. In questo periodo il controllore ha dimostrato di essere più stabile ed affidabile del sistema precedente. Il primo capitolo del documento introduce ALPI e SPES e il sottosistema RF ad un certo livello di dettaglio: concetti di accelerazione RF e il controllo LLRF (Low Level RF) per un guadagno di energia ottimo delle particelle del fascio. Per meglio capire i problemi affrontati durante il progetto del sistema di controllo, è utile derivare i modelli matematici delle cavità RF. Questo è l’argomento del secondo capitolo. Nel terzo capitolo le fonti di disturbo del campo accelerante sono elencati, oltre e spiegare i requisiti per la stabilità del campo RF, la sintonizzazione in frequenza delle cavità e i loro modi di funzionamento. Il quarto capitolo introduce il controllore in dettaglio. Le funzionalità delle schede elettroniche sono evidenziate, gli elementi fondamentali delle schede sono descritti così come la comunicazione tra i componenti e le schede. Il quinto, sesto e settimo capitolo descrivono il principale contributo di questa tesi di Dottorato. Lo sviluppo del firmware per l’FPGA (Field Programmable Gate Array), che è il cuore del controllore RF, è illustrato nel quinto capitolo, enfatizzando il modulo per la comunicazione col sistema di controllo dell’acceleratore e il modulo che implementa gli algoritmi di controllo. Il sesto capitolo da una panoramica su EPICS, focalizzandosi sul supporto driver, l’integrazione del controllore RF col sistema di controllo basato su EPICS è ulteriormente illustrato, mentre nell’ ultima sezione la sintonizzazione di una cavità RF è spiegata. Il settimo capitolo è diviso in due sezioni. La prima sezione elenca i test fatti per qualificare le schede del controllore RF. La seconda sezione analizza alcuni parametri chiave acquisiti durante il test col fascio in condizioni di funzionamento reali svoltosi con successo, dove le prestazioni del nuovo controllore sono state valutate. Alla fine il capitolo conclusivo riassume i risultati ottenuti fino ad ora ed evidenzia i miglioramenti e i futuri aggiornamenti che possono implementare nuove funzionalità del sistema di controllo RF.