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

The new control system for Radio Frequency (RF) structures at Legnaro National Laboratories (LNL) is presented in this document. LNL is one of the four national laboratories of the National Institute for Nucler Physics (INFN) and it is devoted to basic research in nuclear physics and nuclear-astrophysics, together with applications of nuclear technologies. The subject of this Ph.D. thesis is indeed the development of a fully digital RF feedback system, focusing on the validation of the RF controller, its programming and its integration in the particle accelerator control system. The RF controller interacts directly with the cavities and it works in a real-time closed loop. It is a set of analog and digital electronics which provides phase, amplitude and frequency corrections to stabilize the RF field in presence of disturbances and vibrations due to other subsystems of the accelerator. The control algorithm is implemented via a programmable device as an FPGA. This increases dramatically the flexibility and the programmability of the controller. The digital board of the RF controller can work in a wide range of the RF spectrum. It is a versatile tool, easy to adapt to 40/80/160/352 MHz resonators, thus spanning all types of cavities of the final SPES configuration. At LNL, it may be used to control RF cavities like bunchers to pulse the beam, superconducting cavities to accelerate the beam and RF quadrupoles (RFQ) to both accelerate and focus the beam. Most of them work in superconducting condition, while the other ones in normal condition. The controlling and the monitoring of the RF controller is done by the particle accelerator control system based on EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System). It is a widely adopted software framework for control systems. EPICS is a set of tools, libraries and applications developed collaboratively and used worldwide to create distributed soft real-time control systems for scientific instruments such as particle accelerators. Beam transport was carried out with the 8 cavities working in superconducting mode with the new instruments. The controller kept locked the cavities for few days. In this time the controller has proven to be more stable and reliable than the precedent system. The first chapter of the document introduces the SPES and ALPI facility and the RF subsystem to a certain level of details: RF acceleration concepts and Low Level RF (LLRF) control for an optimum energy gain of the particle beam. In order to better understand the issues faced during the design of the control system it is useful to derive mathematical models of the RF cavities. This is the subject of the second chapter. In the third chapter the disturbance sources of the accelerating field are listed, besides clarifying the stability requirements, the frequency tuning of the cavities and their driving modes. Furthermore, the choice of the frequency sampling is outlined. The fourth chapter introduces the controller in detail. The boards functionalities are highlighted, the fundamental elements of the boards are described as well as the communication between components and boards. The fifth, sixth and seventh chapters describe the main contribution of this Ph.D. thesis. The firmware development for the Field Programmable Field Array, that is the heart of the RF controller, is covered in chapter five, emphasizing the module for the communication with the accelerator control system and the module that implements the control algorithms. The sixth chapter gives an overview of the EPICS framework, focusing on the driver support, the integration of the RF controller with the EPICS based control system is further expanded while in the last section the RF cavity tuning is explained. The seventh chapter is split in two sections. The first section lists the tests performed in order to qualify the boards of the RF controller. The second section analyzes some key parameters acquired during a successful beam test in real working conditions, where the performance of the new controller has been evaluated. Finally, a concluding chapter summarizes the results obtained so far and outlines improvements and future upgrades that can implement new functionalities in the Radio Frequency control system.

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.