Sistema RF: modulo di controllo delle cavita risonanti.

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1 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.

2 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.

3 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.

4 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.

5 Controllo di fase in un sistema ad oscillazione forzata

6 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.

7 Self excited loop Consiste nel collegare la cavita e l amplificatore che le fornisce energia in una configurazione auto-oscillante (vedi figura).

8 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.

9 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-f 2 / fr 2 )) 90 Phase 45 Phase (deg) 0 Amplitude Field Amplitude f / f0

10 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.

11 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.

12 Il modulatore vettoriale (o CPM) La figura mostra come e realizzato un modulatore vettoriale.

13 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 (Ai 2 + Aq 2 ) 1/2.

14 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.

15 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

16 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.

17 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.

18 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.

19 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.