內部報告

資料編號：NSRRC-TR00133(2011)

增能環速調管調制器電源設定自動調整回饋系統 The Automatic Feedback System of the Booster Klystron Modulator Power Supply

梁成志、劉毅志、林再福、陳秀珍、吳俊億

2011 年 6 月

國家同步輻射研究中心National Synchrotron Radiation Research Center

NSRRC/OP/11-02

June,2011

增能環速調管調制器電源設定自動調整回饋系統

The automatic feedback system of the booster klystron modulator power

supply

梁成志、劉毅志、林再福、陳秀珍、吳俊億

C.C. Liang, Y.C. Liu, T.F. Lin, Jenny Chen, C.Y. Wu

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Abstract

The operation condition of the Linac in the booster should be stable and

is not necessary to modify any parameter frequently. Science 2009, the

operator of TLS (Taiwan Light source) must modified the setting value of

the power supply all the time to keep the output current of booster stable

due to unknown reason. In this report, we developed a program which can

control the setting value according to the waveform of CT4 (Current

Transformer NO.4).It will avoid the insufficient current of the storage

ring, and ensure the beam quality of TLS.

摘要

增能環直線加速器之操作條件正常而言十分穩定，不需要時常更動設定值。

但自 2009年以來，曾經發生 3次增能環電流因不明原因導致輸出電流下降，造

成 TLS無法繼續恆定電流運轉，運轉人員為了維持正常電流輸出，需要不定時更

改增能環直線加速器速調管調制器(Linac klystron modulator)的電源供應器設

定值。但由於調整的時機非定時定量，人工調整無法滿足即時性之需求，可能影

響用戶使用光源之品質，故綜整其發生現象，並製作自動調整程式來達成操作調

整的自動化。除此之外，透過本程式，亦可於控制室直間監看約 2Hz 更新率之

CT1~CT4(後段會詳細說明)之訊號，也增加了對運轉操作上的便利性。

致謝

本程式的完成需要依靠許多人的支持與協助，首先感謝劉組長在軟體及硬

體經費上的支持，並將增能環速調管調制器電源供應器的設定與波形之間歸納出

一套判準則供作為調整設定值的依據。也要感謝儀控小組陳秀真提供透過 UDP

將設定值寫到控制系統的權限以及公佈在網路上的相關設定文件，感謝吳俊億提

供注射 TTL訊號作為示波器穩定的觸發訊號之用。程式部分也參考了林再福先前

留在控制室的原始碼，讓我可以更快速的了解許多架構。

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目錄

壹、簡介 ................................................................................... 5

貳、現行調整方式與硬體架構 ............................................... 5

叁、程式設計方式與主要內容 ............................................. 10

肆、程式使用方式 ................................................................. 14

伍、結論 ................................................................................. 16

陸、參考資料 ......................................................................... 17

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圖目錄

圖 一 速調管(klystron)、調制器(modulator)與電源供應器的關係示

意圖。.................................................................................................... 6

圖 二 控制面板中手動調整速調管調制器電源供應器設定值的頁面。 7

圖 三 CT1~CT4 在控制介面上顯示其相對應的位置。............................. 8

圖 四 CT1~CT4 在示波器上的量測波形。................................................. 8

圖 五 程式的訊號與設備連結硬體架構。................................................ 9

圖 十 程式之主要功能流程圖。.............................................................. 10

圖 十一 主程式的程式碼概觀。.............................................................. 11

圖 十二 於 Labview中使用 UDP的方式。.............................................. 12

圖 十三 擷取波形並判斷的程式碼。...................................................... 13

圖 六 程式執行畫面的說明。.................................................................. 14

圖 七 調整與監控欄位的說明。.............................................................. 15

圖 八 程式跳出的警告訊息。.................................................................. 16

圖 九 開啟當日 log file的顯示畫面。................................................ 16

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壹、簡介

加速器速調管調制器的電源供應器正常工作允許範圍約在 25kV~28.1kV，時

常工作在27kV的設定。以往監控加速器速調管調制器電源供應器設定值的經驗，

往往大約是間隔數日，需要調動約 0.03kV來保持輸出的最佳狀況。但在某些時

候，需要以更頻繁(約 2~3小時)、更大幅度(每次約 0.05~0.1kV)的調整來恢復

Linac的正常運作，我們將此情況歸納為異常。雖然異常發生時，整體(長時間)

的調動趨勢為增加，但偶爾仍頇要降低設定值，這也造成了操作人員的不便。

自 2009年以來三次不明原因造成的故障時間分別如下：2009年 4月 7日、

2010年 5月 24日以及 2010年 12月 16日，然後一直到 2011年 4月更換速調管

(klystron)後至今並未再發生上述現象。而發生故障前一至三個月都會有需要頻

繁調動加速器速調管調制器電源供應器設定值情形。

第一次發生上述的異常狀況約略為 2009年的 3月份，如此頻繁的調整了一

個月左右之後，由於運轉人員已將加速器速調管調制器的電源供應器設定值調整

到程式允許的上限，也就是 28.1kV，於是在 4月 7日由注射器小組及儀控小組

將微波前端放大器(Preamplifier) 由 90W的輸出調整成 100W的輸出。於是直線

加速器速調管調制器電源供應器設定值也隨即可向下調整至 26.7kV，而使增能

環輸出足夠的電流值 。

第二次發生於 2010年的 5月，狀況非常雷同，於 5月 24日該參數也是調

到了上限的 28.1kV，仍以調高微波前端放大器(Preamplifier)至 110W 為處理的

方式。而調整後直線加速器速調管調制器電源供應器設定值也隨即可向下調整至

26.5kV，而使增能環能夠輸出足夠的電流值。

第三次發生於 2010年的 8月，狀況也十分相似，這次則是在 12 月 14日將

微波前端放大器(Preamplifier)的輸出值上調至 120W來進行處理。在這次事件

中，從 8月起就導入了本程式來協助操作運轉人員自動化的調整速調管調制器電

源供應器設定值。

2011年 4月發生了速調管(klystron)高壓絕緣油箱的電弧現象，經過注射

器小組的研判發現需要更換速調管，在更換完全新的速調管後，微波前端放大器

(Preamplifier)的輸出值就在 4月調降為 95W，此時直線加速器速調管調制器電

源供應器設定值也可降至約 25kV，而使增能環有足夠的電流輸出。接下來至今

(2011年 6月)都保持穩定運轉狀況中。

貳、現行調整方式與硬體架構

增能環直線加速器系統中的速調管(klystron)、調制器(modulator)與電源

供應器的關係表示如下圖示：

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圖 一 速調管(klystron)、調制器(modulator)與電源供應器的關係示意圖。

如圖 一所示，微波由訊號產生器經過前端放大器與速調管進行兩次放大後，

輸入到直線加速器(Linac)中，提供電子加速之用。而速調管所需要的高電壓脈

衝由調制器(modulator)所提供，而調制器的電源來自於電源供應器，此電源供

應器的電壓設定可在控制室的控制電腦面板中進行調整，如圖 二所示，其中

Modulator區塊中的 Voltage就是控制此電源供應器的介面。

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圖 二 控制面板中手動調整速調管調制器電源供應器設定值的頁面。

此設定值需要隨著運轉的狀況或時間而有所調整。正常情況下，每次調整

的幅度為 0.03kV，只要一次調動超過 0.1kV，就會超過合適的工作條件，電子束

通過直線加速器及 60 度彎轉磁鐵後，就沒有電子輸出，造成增能環無電流的情

形發生。

而要觀察速調管是否正常運作時，其中一種方法便是檢查CT1~CT4的訊號，

所謂的 CT，就是比流器(Current Transformer)的簡稱。它把在真空腔運行的電

子束的電流量利用線圈感應轉換為訊號，只要透過示波器，就能夠使在真空腔中

運行的電流使用數據化與圖形化來表達。CT1~CT4相關的位置請參閱下圖 三。

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圖 三 CT1~CT4在控制介面上顯示其相對應的位置。

如上圖 三所示，CT1設置於電子槍的出口處，CT2、CT3分別設在直線加速

器的入口處及出口處，CT4則設置在 60度彎轉磁鐵後方位置。只要電子通過直

線加速器後的能量不滿足 50MeV，則會受到彎轉磁鐵的挑選而損失在腔壁上。

而CT1~CT4的波形則是使用一台Tektronix TDS3000型示波器來進行檢視。

正常所見之畫面如下圖 四：

圖 四 CT1~CT4在示波器上的量測波形。

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若以 50歐姆的阻抗匹配設定進行量測，CT1正常的顯示約為 140~200mV，

CT4則是約 100mV，才能夠確保增能環的電流約在 0.5mA以上。此外，在建置本

系統以前，量測 CT1~CT4的訊號是以 CT1進行觸發(Trigger)，但 CT1 的位準確

會常常上下飄移，穩定性不佳，容易造成沒有抓到部分訊號或是觸發時機不固定，

在建置本系統時，請儀控小組提供的注射 TTL訊號作為觸發，以確保觸發條件的

穩定性。

以檢視系統而言，先前控制室並沒有一個即時顯示 CT1~CT4波形的監視方

式，所以每次在進行增能環調機時，都需要到地下一樓增能環旁，置放示波器的

位置進行調機。建置此程式之後，便可以隨時在控制室中觀察到更新速率達 2Hz

的波形畫面。此外，為了確保通訊穩定，採用虛擬 IP設置，所謂的虛擬 IP，乃

是不透過中心網路，而使用區域網路來連結儀器與控制電腦，又稱為 private IP，

在這裡採用的是 192.168.1.X 的網址。硬體架構的設置如下圖 五所示：

圖 五 程式的訊號與設備連結硬體架構。

在示波器到工作站電腦之間的通訊硬體架設，是屬於「台灣光源運轉資訊

自動化記錄系統」的一部分。採用虛擬 IP來建立儀器與工作站的溝通，而工作

站再接上中心204的網段來接收 TLS運轉資訊與傳送設定值的工作。如此的做法，

不但可以減少中心實體 IP的消耗，更可以保持通訊品質更為穩定。

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叁、程式設計方式與主要內容

本程式主要功能的流程圖如下圖 六，此圖也說明了 Feedback運作的判斷

機制：

圖 六 程式之主要功能流程圖。

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程式一啟動，就會先檢查網路是否暢通，以檢查增能環 lkmodhv1設定值是

否會回傳作為起始，若有回傳則表示 204網段的 UDP功能正常，可以進行下一步。

接下來就開始不停的擷取示波器上的波形，這個程式為了要能夠迅速更新所有的

波形，會不停的在與示波器溝通，並檢驗波形，若 CT4波形沒有更新，則會回到

初始狀態，若波形有更新，則會依照圖 六中的三種情況進行判斷，簡單來說就

是比較 CT4的兩個波峰值的關係，當右側波峰值大於左側波峰值，且振幅大於

60mV時，則視為正常運作的波形；當右側波峰值大於左側波峰值，但振幅小於

60mV時，則表示目前 kmodhv值過高，要往下調整；當左側波峰值大於右側波峰

值時，則表示目前 kmodhv 值過低，要往上調整。由於波形並不是一定都有兩個

峰值，判斷左右需要有個依據，經長期觀察，決定採用 CT1的波谷之時間點作為

CT4訊號左右峰值的分界位置。

接下來介紹本程式的幾個主要的特點：

1. 利用狀態機(state machine)進行主要程式的結構，下圖 七為整個程式

碼的概觀。

圖 七 主程式的程式碼概觀。

在 Block diagram 上方為利用 UDP方式接收 kmodhv設定值以及增能環

的電流值的迴圈，左方為數據的初始化工作。下方較大的迴圈就是整個

狀態機的設置。在狀態機的架構下，程式可以依照所需要的流程進行判

1文中所提到的增能環速調管調制器電源供應器設定值在控制面板上、Archive 系統、與 UDP 傳

輸上的訊號名稱有 kmodhv, lkmodhv, lkmodhvps，都代表示同一個訊號。

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斷要到哪一個程序去，只需要框在一個迴圈下即可，好處是不會佔用到

過多的系統資源，也利於修改步驟與判斷準則，有利於程式的後續維護

與可讀性。

2. 利用 UDP方式接收與設定 kmodhv設定值以及增能環的電流值。

本程式在下達指令與收取控制系統網路訊息的方式，是採用UDP的方式，

所謂的 UDP 全名為 User Datagram Protocol是一個簡單的面向數據報

的傳輸層協議，TCP(Transmission Control Protocol) 和 UDP是TCP/IP

協定組中，關於傳送層的協定。TCP與 UDP兩者之間的差異在於 TCP 提

供的是一個可靠的資料流傳送服務，傳送的資料會經過確認比對與修補，

而 UDP 提供的是一個非可靠的非連線型(connectionless)的資料流傳

送服務，雖然允許一定量的丟包、出錯和複製，但具有傳送快速的優點，

即時多媒體遊戲和 IP電話 (VoIP)就是典型的 UDP應用。IETF RFC 768

是 UDP的正式規範，但在此不進行贅述，主要是因為本程式並非提供控

制系統的UDP服務之伺服器，而屬於用戶端。參考儀控組所發布的文件，

於 Labview 中使用的方式如下圖 八所示：

圖 八 於 Labview中使用 UDP 的方式。

3. 矩陣資料的比對與判斷

在擷取示波器波形這個方面則是採用到 Fetch的指令，詳細的說明請參

考示波器的 programmer’s manual ，比起 Read指令，它的好處是可以

較快速回傳資料。在擷取完波形資料後，再於矩陣上進行加減，即可實

現相對位準的調整。此外，也在這個地方進行極大極小值的判定，整體

的程式碼如下圖 九所示。

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圖 九 擷取波形並判斷的程式碼。

4. 保護機制：

本程式中，建立了許多保護機制以避免錯誤發生。第一項是在程式啟動

時，即進行實體示波器的按鍵鎖，以確保不會有其他使用者變更到示波

器的設置，一直到關閉程式時，才會解開實體示波器上的按鍵鎖；選擇

使用虛擬 IP( private IP) 也是為了讓其他網路上的用戶遠端改變了示

波器的設置。此外，本程式在 Feedback功能開啟時，需要在 CT4已經

至少有 10mV 的情況下才會正常運作，否則會跳出警告訊息要求運轉操

作人員檢查系統或手動調整，這個原因是因為有時候電子槍有收到觸發

訊號，但速調管只要其中一個元件有任何異常，都會造成 CT4 完全沒電

流，如果此時程式自動搜尋設定範圍內的所有值，則會造成許多大量無

意義的調整，還會影響到判斷，所以需要規範這個條件；保護機制做得

完善，自動化才能夠真正發揮效益，否則反而會增加更多的困擾。

5. 其他注意事項：

在使用本程式的時候，有一點需要特別注意：當 CT1的電流不足時，位

於後端的加速器速調管調制器的電源供應器再怎麼調整都不可能輸出

足夠的電流，所以當調整失效時，需要先檢查是否電子槍的輸出已經減

弱，或是在 CT1~CT2之間的參數沒有最佳化所導致。

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肆、程式使用方式

本程式執行時的畫面如圖 十所示，在操作上非常淺顯易懂。在波形顯示方

面，可以改變外觀，例如時間軸上的展延(span)與位移(offset)、以及對每個訊

號的高度進行垂直調整。遇到非預期的狀況時，可隨時進行通訊介面的重置

(reset)。右側的 Feedback 啟動控制可以決定要不要啟動 Feedback 功能，而只

要啟動 Feedback功能，就會進行記錄，將每日的調整作成日誌，供使用者查閱，

在人機介面上的按鈕則可以直接開啟今日的記錄，以滿足使用者對於調整狀況頻

繁度的關心。在關閉程式時，特地將關閉的按鈕獨立出來的原因，是因為當程式

啟動時，就會對實體示波器下達鎖定按鍵的設定，以避免有其他人員調動到實體

示波器的設定，造成程式誤判，而當按下特製的關閉程式按鈕時，則會解除這個

鎖定，再度開放實體示波器可以受到使用者進行按鍵控制。

圖 十 程式執行畫面的說明。

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圖 十一 調整與監控欄位的說明。

上圖 十一說明程式左側顯示的幾種資訊，包含了示波器 IP與波形顏色所

對應的 CT編號。並會顯示目前的 kmodhv設定值，以及若有使用 Feedback 時，

每次會調整的幅度，這個幅度是可以讓使用者變更的。此外，臨界值 0.06V(60mV)

的設置則是當 CT4的訊號大於此值時，就不會去調整 kmodhv。最低臨界值在下

段有個實例做說明；而在這裡也可以將大約 70秒內的增能環電流顯示出來，與

控制面板的功能幾乎一致。

如果注射的 TTL 有觸發，但 CT4卻完全沒有電流(低於最低臨界值)，程式

就會跳出警告「請檢查 gun enable設定，或是先將 kmodhv設置在有電流的範

圍內」，如下圖 十二。這是因為如果在 TOP-UP運轉下，若是為了測詴而啟用了

gun enable，則在 40 秒到 57秒時段電子槍會被觸發，但直線加速器卻不會正常

工作的情形，這會影響到 Feedback功能的判斷，故程式會跳出此一警告畫面，

一方面是進行保護機制，不致於隨意更動 kmodhv的設定值；一方面則是提醒運

轉人員要關閉 gun enable 的設置，以避免輻射劑量超標。

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圖 十二 程式跳出的警告訊息。

此外，關於本程式的自動記錄功能，可以將所有透過本系統 Feedback 功能

而調整的時間、設定值、上調或是下調的資訊以日期為檔名記錄在指定的路徑下，

並可以透過人機介面上的按鍵直接將當天的記錄開啟，如圖 十三所示。

圖 十三 開啟當日 log file 的顯示畫面。

伍、結論

增能環速調管調制器電源供應器(kmodhv)自動調整程式的建立，成功地解

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決了自 2010年 8月份以來恆定電流運轉電流無法恆定的問題，一直到 2011年 4

月份更換了速調管後，運轉上已恢復正常，目前尚不需要開啟程式中的回饋功能。

未來將持續追蹤後續的情況，以維持台灣光源的運轉順利與穩定。

陸、參考資料

1. Tektronix TDS3000 programmer’s manual.

2. http://www.pcnet.idv.tw/pcnet/network/network_ip_tcp.htm

3. 陳秀珍,Text Server Program to Serve the Clients without Database

Installed.

http://www.pcnet.idv.tw/pcnet/network/network_ip_tcp.htmhttp://140.110.202.49/jenny/dsc/textsvr.dschttp://140.110.202.49/jenny/dsc/textsvr.dsc