Sistema de control Low Level-RF digital para aceleradores de iones

Sistema de control Low Level-RF digital para aceleradores de iones pesados
"Durante el presente proyecto de desarrollo
experimental se ha conseguido desarrollar un
sistema de control LLRF para iones pesados
diseñada y desadesarrollada en la UPV/EHU. Esto
ha sido posible con una solución basada en NI
FlexRIO y software LabVIEW. "
- Inari Badillo, Universidad del País Vasco (
http://www.ehu.eus/p200-content/es/contenidos/informacion/contacto_upv/es_info/contacto.html
)
El Reto:
En cualquier acelerador de partículas es esencial un sistema que controle los campos de aceleracíon de RF vistos por las partículas. El encargado
de este cometido es el denominado Low-Level Radio Frequency system o LLRF. El objetivo es desarrollar un sistema LLRF digital robusto y fiable,
además de flexible y reconfigurable, para la aceleración de iones pesadosbajo las especificaciones de un acelerador real.
Lea el Caso
de Estudio
Completo
La Solución:
El uso de señales RF de alta frecuencia conlleva la necesidad de usar hardware de alto rendimiento para su digitalización y posterior procesado.
Ante esta exigencia, la familia FlexRIO de National Instruments ofrece las características necesarias para llevar a cabo la tarea propuesta, además
de proveer un entorno flexible y reconfigurable gracias a la tecnología LabVIEW FPGA.
Autor(es):
Inari Badillo - Universidad del País Vasco (http://www.ehu.eus/p200-content/es/contenidos/informacion/contacto_upv/es_info/contacto.html)
J. Jugo - Universidad del País Vasco (http://www.ehu.eus/p200-content/es/contenidos/informacion/contacto_upv/es_info/contacto.html)
J. Portilla - Universidad de País Vasco (http://www.ehu.eus/p200-content/es/contenidos/informacion/contacto_upv/es_info/contacto.html)
J. Feuchtwanger - Universidad de País Vasco (http://www.ehu.eus/p200-content/es/contenidos/informacion/contacto_upv/es_info/contacto.html)
C. San Vicente - Universidad de País Vasco (http://www.ehu.eus/p200-content/es/contenidos/informacion/contacto_upv/es_info/contacto.html)
V. Etxebarria - Universidad de País Vasco (http://www.ehu.eus/p200-content/es/contenidos/informacion/contacto_upv/es_info/contacto.html)
Los sistema de control Low-Level Radio Frequeny (LLRF) son esenciales en los aceleradores de partículas modernos. Su función principal es transferir
energía al haz de una manera adecuada para controlar debidamente los campos de aceleración de RF así como sincronizarlos con los “bunches de
partículas”. Un sistema LLRF consiste habitualmente en un lazo de control rápido para regular la amplitud y fase del voltaje acelerador visto por las
partículas, y otro lazo más lento para ajustar la frecuencia de resonancia de las cavidades resonantes.
Los sistemas LLRF se implementan normalmente haciendo uso de electrónica analógica o digital, o bien una combinación de ambas. Las soluciones
digitales modernas son capaces de cumplir con los requerimientos del control RF, ofreciendo además mucha más flexibilidad, reprogramabilidad y
estabilidad de las variables a controlar. Típicamente, estas especificaciones para la aceleración de iones pesados exigen unos errores inferiores a 1o en
la fase y 1 % en la amplitud del campo electromagnético acelerante. En este proyecto de la UPV/EHU se ha desarrollado un prototipo de LLRF
incluyendo una cavidad resonante diseñada bajo las especificaciones de una instalación real y un sistema de adquisición de datos, monitorización y
control.
En estos últimos apartados, las soluciones ofrecidas por NI han permitido desarrollar un sistema de alto rendimiento fiable, fácilmente reconfigurable y
que permite ser reescalado según las necesidades sin invertir una gran cantidad de trabajo.
El objetivo del lazo rápido del LLRF en este trabajo es adquirir las señales RF correspondientes a la señal de referencia y a la salida de la cavidad
resonante para después procesarlas y producir las señales de control adecuadas para regular la amplitud y fase de la señal de RF así como corregir la
frecuencia de resonancia de la cavidad. Estas señales de control deben ser generadas para poder cerrar el lazo de control. Esta propuesta presenta dos
desafíos principalmente: el primero es muestrear señales muy rápidas, típicamente en el rango de las centenas de MHz, lo que implica el uso de ADCs
de alto rendimiento; el segundo es conseguir un ancho de banda en el lazo de control capaz de cumplir las especificaciones, lo que conlleva la necesidad
de una transferencia muy rápida de datos entre tarjetas. Se ha optado por utilizar dos tarjetas NI PXIe FlexRIO FPGA, una para tareas de adquisición y
otra para generar la respuesta:
• NI PXIe 7966R: para la adquisición de señales se ha hecho uso de dos módulos adaptadores diferentes, NI 5751 y NI 5761 con unas velocidades de
muestreo de 50MS/s y 250MS/s respectivamente. Para la implementaciónfinal se ha optado por el 5761 reduciendo el mustreo a 50MS/s, ya que el
ancho de banda del 5751 se encuentra al limite del requerido para la aplicación. Tanto el acondicionamiento y procesado de las señales adquiridas como
el controlador implementado, han sido ubicados en esta tarjeta.
• NI PXIe 7961R: esta tarjeta junto con el módulo adaptador AT-1212 de hasta 1,25GS/s es la encargada de generar las señales de control.
Todo el código necesario para el procesado de las señales así como el esquema de control ha sido implementado en las FPGAs, buscando así obtener
el mayor rendimiento posible. Para la transferencia de datos entre las tarjetas se ha hecho uso del peer-to-peer streaming, lo que permite obtener un
mayor ancho de banda al evitar el envio al procesador host o la memoria. El host es usado únicamente para labores de monitorización y configuración.
Por su parte, el lazo lento o lazo de ajuste de la frecuencia de la cavidad resonante tiene unas restricciones temporales mucho menos exigentes que el
lazo de fase y amplitud, por lo que para su implementación se ha prescindido del hardware de alto rendimiento y se ha usado una tarjeta multifunción NI
PXIe 6259. Haciendo uso de sus salidas analógicas, se controlan dos motores DC paso a paso que mueven sendos émbolos para ajustar la geometría
de la cavidad.
Para la adquisición de datos se ha usado la técnica de subsampling o submuestreo, la cual se vale del aliasing para reconstruir la señal original aún
usando una frecuencia de muestreo inferior a la de Nyquist. Esto es posible ya que el requerimiento de la frecuencia de muestreo se puede reformular
para señales limitadas a un ancho de banda, como es el caso de esta aplicación. Así, los módulos adaptadores FlexRIO de 50MS/s y 250MS/s permiten
muestrear las señales provenientes de la cavidad. Además, con la gestión adecuada, estos módulos permiten configurar la frecuencia de reloj de
adquisición, lo que proporciona una mayor libertad y flexibilidad, aspecto muy importante cuando se trabaja con submuestreo. Esta técnica permite
muestrear señales a una velocidad menor a la frecuencia de Nyquist valiendose del aliasing, siempre dentro de unos margenes impuestos por el ancho
de banda de la señal original.
Una vez digitalizados los datos, se ha diseñado una demodulación In-Phase Quadrature (IQ) para obtener la información relativa a la fase y amplitud de
la señal RF en banda base. Estos componentes son utilizados como variables de control en un controlador proporcional integral derivativo (PID) del que
obtenemosos las señales I y Q controladas. Para transferir estas señales a la tarjeta generadora, se escribe en una FIFO peer-to-peer.
Con intención de estudiar el comportamiento del sistema de control ante perturbaciones, se dispone del transceiver de señales vectoriales NI PXIe 5644R
para generar señales arbitrarias complejas y combinarlas con la señal introducida en la cavidad.
Durante el presente proyecto de desarrollo experimental se ha conseguido desarrollar un sistema de control LLRF para iones pesados diseñada y
desadesarrollada en la UPV/EHU. Esto ha sido posible con una solución basada en NI FlexRIO y software LabVIEW.
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Información del Autor:
Inari Badillo
Universidad del País Vasco (http://www.ehu.eus/p200-content/es/contenidos/informacion/contacto_upv/es_info/contacto.html)
Barrio Sarriena s/n
Leioa Bizkaia 48940
España
Tel: 94.601.20.00
inari.badillo@ehu.es (mailto:inari.badillo@ehu.es)
Cavidad resonante diseñada para el proyecto
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PXIe utilizado para el presente tarbajo, consistente en un controlador, dos tarjetas FlexRIO, un VST y una tarjeta DAQ multifunción
Interfaz grafico del proyecto LabVIEW
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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