本发明是关于一种超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置及控制方法，涉及超低温电子冷却。
背景技术：
1、实现高亮度极化电子离子对撞机的核心关键技术需要聚焦于实现束流的快速冷却，即在束流冷却的初始阶段制备超低温电子束，提高束流冷却力，从而提高束流冷却效率，有效缩短束流冷却时间。
2、超低温电子束具有横向和纵向两个方向的重要温度参数。横向温度受控于光阴极电子枪阴极的发射温度，几乎保持不变；而纵向温度与光阴极电子枪阴极高压能量和高压稳定度密切相关，如下式所示：
3、；
4、式中，为光阴极电子枪阴极高压稳定度。
5、低能量冷却储存环需要的冷却时间较短，在束流冷却过程中通常认为光阴极电子枪阴极高压稳定度保持不变，对应的稳定度控制方案大多按照线性时不变系统设计。而在实际的加速器运行环境中，光阴极电子枪阴极高压稳定度将会受到众多因素的影响，处于一种时变的运行状态。常规的滤波手段以及反馈调节无法有效避免时变因素对稳定度的影响。尤其在极化电子离子对撞机严格的冷却速率要求下，光阴极电子枪阴极高压稳定度在冷却过程中受到各项时变因素造成的扰动，成为了不可回避的问题。
6、光阴极电子枪阴极高压稳定度受到时变因素的主要扰动包括：第一，束流冷却过程中，没有被收集的二次电子将会损失在冷却装置中，形成阴极高压电源的负载电流，这一等效负载的波动将会引起阴极高压稳定度的变化；第二，受到输出电压等级的限制，阴极高压电源需要借助绝缘介质以提升其耐压水平，电源长时间运行在封闭环境将会引起控制器、倍压器、分压器等核心部件的温度变化，进而影响电源内部各项设计参数；第三，阴极之上的各电源不可避免需要利用磁耦隔离的方式传输功率和隔离高压，处于变化磁场环境中的阴极高压将会受到严重的电磁辐射干扰和传导干扰，影响阴极高压稳定度。随着极化电子离子对撞机能量的提高，光阴极电子枪阴极高压稳定度能否有效克服各项时变因素干扰，维持电子束纵向低温，成为超低温电子束实现束流快速冷却面临的重大挑战。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够维持电子束纵向低温实现超低温电子束快速冷却的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置及控制方法。
2、为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
3、第一方面，本发明提供一种超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置，该装置包括：
4、稳定度频率波动获取单元，用于获取光阴极电子枪阴极高压稳定度的低频波动和高频波动；
5、模拟数字转换器，用于将所述高压稳定度的低频波动和高频波动转换为数字信号；
6、时变参数预测控制系统，用于基于高压稳定度高频和低频的数字信号实现时变参数预测输出时变参数预测数字模拟转换信号；
7、高频电压波形放大器，基于所述时变参数预测数字模拟转换信号进行驱动并输出与阴极稳定度变化相反的补偿电压信号；
8、脉冲电流保护和高低频串联解耦回路，用于根据所述补偿电压信号实现电流保护和波形修正；
9、电源装置，用于与所述脉冲电流保护和高低频串联解耦回路串联实现稳定度的高压输出，通过阴极高压终端作用于光阴极电子枪的阴极，产生超低温电子束。
10、一些可能的实施方式中，所述时变参数预测控制系统，用于基于稳定度高频和低频的数字信号实现时变参数预测，包括：
11、构建并求解时变预测被控参数：根据高压稳定度高频和低频波动测量结果，通过快速傅里叶变换获取稳定度测量结果中各部分频率成分，得出光阴极电子枪阴极时变扰动变量参数，列写输出矩阵方程，通过求解输出矩阵方程的最优解获得时变预测被控参数，其中，所述时变预测被控参数反映被控负载动态变化行为；
12、构建并求解时变预测参数：基于时变预测被控参数结合高压稳定度低频和高频的数字模拟转换器的时延因素以及所述高频电压波形放大器的补偿阈值范围完成时变预测参数的构建，并利用状态空间方法列写状态方程，通过求状态方程最优解得出时变预测参数，其中，所述时变预测参数用于预测被控负载的电压变化；
13、更新迭代修正时变预测参数：反复更新并迭代时变预测被控参数，利用状态估计器获取偏差，并对时变预测参数进行修正，完成最终的时变参数预测。
14、一些可能的实施方式中，光阴极电子枪阴极高压稳定度的低频波动采用旋转感应计进行测量，所述旋转感应计设置在光阴极电子枪的金属压力容器的内壁上。
15、一些可能的实施方式中，光阴极电子枪阴极高压稳定度的低频波动采用高压电阻分压器进行测量，所述高压电阻分压器设置在阴极高压终端与电源接地底座之间。
16、一些可能的实施方式中，光阴极电子枪阴极高压稳定度的高频波动采用电容耦合传感器进行测量，所述电容耦合传感器设置在阴极高压终端和金属压力容器内壁之间。
17、一些可能的实施方式中，光阴极电子枪阴极高压稳定度的高频波动采用电容分压器进行测量，所述电压分压器设置在阴极高压终端和金属压力容器内壁之间。
18、一些可能的实施方式中，所述电源装置采用阴极高压倍增器、阴极高压直流电源装置或脉冲电源装置。
19、第二方面，本发明还提供一种稳定度主动补偿高压电源装置的控制方法，该方法包括：
20、测量光阴极电子枪的阴极高压终端受到时变因素影响造成的阴极高压稳定度低频和高频波动；
21、将阴极高压稳定度低频和高频波动测量结果均通过模拟数字转换器发送到时变参数预测控制系统中；
22、时变参数预测控制系统基于高压稳定度低频和高频波动测量结果完成时变参数预测输出时变参数预测数字模拟转换信号；
23、将时变参数预测数字模拟转换信号驱动高频电压波形放大器输出与光阴极电子枪的阴极稳定度变化相反的补偿电压信号；
24、将补偿电压信号进行电流保护和波形修正；
25、将波形修正后的补偿电压信号通过电源装置实现稳定度的高压输出并作用于光阴极电子枪的阴极产生超低温电子束。
26、一些可能的实施方式中，时变参数预测控制系统基于高压稳定度低频和高频波动测量结果完成时变参数预测输出时变参数预测数字模拟转换信号，包括：
27、构建并求解时变预测被控参数：根据高压稳定度高频和低频波动测量结果，通过快速傅里叶变换获取稳定度测量结果中各部分频率成分，得出光阴极电子枪阴极时变扰动变量参数，列写输出矩阵方程，通过求解输出矩阵方程的最优解获得时变预测被控参数，其中，所述时变预测被控参数反映被控负载动态变化行为；
28、构建并求解时变预测参数：基于时变预测被控参数结合高压稳定度低频和高频的数字模拟转换器的时延因素以及所述高频电压波形放大器的补偿阈值范围完成时变预测参数的构建，并利用状态空间方法列写状态方程，通过求状态方程最优解得出时变预测参数，其中，所述时变预测参数用于预测被控负载的电压变化；
29、更新迭代修正时变预测参数：反复更新并迭代时变预测被控参数，利用状态估计器获取偏差，并对时变预测参数进行修正，完成最终的时变参数预测。
30、一些可能的实施方式中，测量光阴极电子枪的阴极高压稳定度低频波动采用旋转感应计和/或高压电阻分压器；并且/或者测量光阴极电子枪的阴极高压稳定度高频波动采用电容耦合传感器和/或电容分压器。
31、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：本发明提供的用于极化电子离子对撞机电子冷却的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置，在电子离子对撞机束流冷却的初始阶段，精确测量阴极高压高频和低频稳定度，分析得到数据参数，结合时变参数预测控制驱动高频电压波形放大器主动补偿电子枪阴极高压的电压波动，反复更新并迭代时变预测被控参数，完成时变参数预测控制，有效克服阴极电源内部结构和运行环境的一系列时变因素干扰，维持电子束纵向低温，实现超低温电子束的快速冷却。综上，本发明除了适用于极化电子离子对撞机的超低温电子束产生，还可以用于其他光阴极电子枪阴极需要的超高精度的高压电源装置中。
1.一种超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置，其特征在于，该装置包括：
2.根据权利要求1所述的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置，其特征在于，所述时变参数预测控制系统，用于基于稳定度高频和低频的数字信号实现时变参数预测，包括：
3.根据权利要求1所述的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置，其特征在于，光阴极电子枪阴极高压稳定度的低频波动采用旋转感应计进行测量，所述旋转感应计设置在光阴极电子枪的金属压力容器的内壁上。
4.根据权利要求1所述的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置，其特征在于，光阴极电子枪阴极高压稳定度的低频波动采用高压电阻分压器进行测量，所述高压电阻分压器设置在阴极高压终端与电源接地底座之间。
5.根据权利要求1所述的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置，其特征在于，光阴极电子枪阴极高压稳定度的高频波动采用电容耦合传感器进行测量，所述电容耦合传感器设置在阴极高压终端和金属压力容器内壁之间。
6.根据权利要求1所述的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置，其特征在于，光阴极电子枪阴极高压稳定度的高频波动采用电容分压器进行测量，所述电压分压器设置在阴极高压终端和金属压力容器内壁之间。
7.根据权利要求1所述的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置，其特征在于，所述电源装置采用阴极高压倍增器、阴极高压直流电源装置或脉冲电源装置。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置的控制方法，其特征在于，该方法包括：
9.根据权利要求8所述的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置的控制方法，其特征在于，时变参数预测控制系统基于高压稳定度低频和高频波动测量结果完成时变参数预测输出时变参数预测数字模拟转换信号，包括：
10.根据权利要求8所述的超低温电子束产生的稳定度主动补偿电源装置的控制方法，其特征在于，测量光阴极电子枪的阴极高压稳定度低频波动采用旋转感应计和/或高压电阻分压器；并且/或者测量光阴极电子枪的阴极高压稳定度高频波动采用电容耦合传感器和/或电容分压器。
