"预聚束器-斩波器"结构对慢正电子束流束团化的影响模拟

慢正电子湮没寿命谱测量是一种灵敏度高且可以无损探测材料微观缺陷的重要分析方法,束流束团化系统是实现该技术的核心部件,主要用来产生满足寿命测量时间分辨的束团并提供正电子产生的时间信号。本文选用Parmela程序,基于"预聚束器-斩波器"束团化系统,模拟计算了不同束流参数对150 ps(半高宽)束团化结果的影响并与"斩波器-预聚束器"束团化系统的计算结果做了对比,结果表明:提高束流能量、降低束流能散以及缩小束斑尺寸有利于提高束团化效率。数据显示:当束流能量≥500 eV、能散≤5 eV、束斑≤12 mm,"预聚束-斩波器"束团化系统的正电子利用率≥20%、聚束效率≥85%;且在相同束流参数下,"预聚束器-斩波器"束团化系统的正电子利用率要优于"斩波器-预聚束器"。     

上海软X射线自由电子激光腔式束流位置测量系统

上海软X射线自由电子激光装置（Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL）需1个分辨率达到亚μm量级的束流位置测量系统,并采用基于束流准直的方法实现波荡器段电子束与光子束的紧密重合。为此设计研制了1个由C波段腔式探头、单路混频至低中频的射频前端以及自主研发的专用数字信号束流位置处理器（digital beam position monitor processor, DBPM）构成的腔式束流位置测量（cavity beam position monitor, CBPM）系统。本文对系统的设计、软硬件结构、系统搭建进行了介绍,并基于漂移段搭建的3个紧邻的CBPM阵列完成了在线系统性能评估。束流实验结果表明,在束团电荷量为500 pC、系统动态范围在±800 μm的条件下,位置分辨率可达880 nm,这也是国内首次研制成功可在线运行的具有亚μm位置分辨率的CBPM系统。此外,采用CBPM的相位腔进行相对束团电荷量、束团到达时间的测量,其性能评估结果也均优于SXFEL设计要求。     

用于自由电子激光装置的丝扫描束流横向截面测量系统原型机

基于丝扫描系统的束流横向截面测量为半阻拦式的测量方法,相比于截面靶测量对束流影响较小。上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置(SHINE)束团截面在线测量系统计划采用丝扫描技术实现,为此设计研制了由丝靶探头、机械运动机构、束损探测器、电子学系统构成的丝扫描束流横向截面测量系统原型机。本文介绍了该原型机的工作原理、具体设计及在丝扫描探头上游安装腔式束流位置测量(CBPM)系统进行束流中心位置和束团电荷量精确补偿的优化方案。为精确评估该样机系统性能,在上海软X射线自由电子激光(SXFEL)中相邻位置布局了丝扫描探头和YAG靶截面探头,通过同时测量并对比同样束流截面的方法,对丝扫描系统原型机性能进行了束流实验评估。束流实验结果表明,在束团电荷量500 pC、电子能量0.84 GeV的条件下,丝扫描技术可用于电子束团的在线半阻拦式截面测量,测量不确定度好于30μm,测量结果与SXFEL装置标配的YAG靶截面靶测量系统结果一致。     

逐束团三维信息提取软件HOTCAP的实时性能优化

为了研究高能电子加速器储存环中的注入瞬态过程及束流不稳定性问题,上海光源束测组开发了可实现逐束团三维位置和电荷量的精确测量的宽带示波器信号处理软件包HOTCAP。但该软件包未特别针对数据处理速度进行算法和代码执行效率的优化,完成单次测量数据的处理分析所需时间达到数十分钟量级,不能完全满足实时测量的需要。为解决这一问题,对HOTCAP软件包各功能模块进行了运行效率测试及算法优化,优化后单次测量数据处理时间缩短10倍以上,可满足高能电子储存环状态的实时监控与数据在线发布需求。     

合肥光源谐波法束团长度测量系统研制

同步辐射光与束流信号具有相同的时间结构,测量同步辐射光并基于频域的信号处理方法可得到束团的长度。基于该原理,研制了采用谐波法测量束团长度的系统。该系统用高速光电接收器将同步光转换为电信号,然后采集该信号的四路频率分量,计算得到束团长度。阐述了该系统的软硬件设计,并应用该系统测量了束团长度随流强的变化规律,与条纹相机的测量结果相吻合。     

基于双腔探头的流强精确测量

上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF,简称上海光源)作为中国第三代同步辐射装置,在为用户提供研究平台的同时,也在不断优化top-up运行模式,包括研究多束团注入以及注入效率优化等。而注入效率的优化需要精确测定注入束团的电荷量。由于ICT(Integrating Current Transformer)信号易受噪声干扰,分辨率不足1%,尤其在低电荷量注入时,分辨率将进一步降低,因此本文提出利用腔式探头分辨率高的特性,使用双腔探头检测注入流强的方案,并着重研究探头信号的采集处理方法。在上海光源高能输运线上完成的初步束流实验结果表明:注入流强的相对测量精度最好可以达到0.03%,满足储存环注入效率精确测量的要求。     

电子储存环注入过程中补注电荷的三维位置信息提取

电子储存环的注入过程是特殊的瞬态过程,研究补注电荷和储存电荷的三维位置融合过程可在线评估注入器与储存环的匹配度,也可为下一代光源诊断系统的搭建奠定技术基础。目前,上海同步辐射光源束流检测组研发了一套基于纽扣电极拾取信号和高速采集板卡的三维逐束团诊断系统,可精确测量逐束团三维位置。注入过程中补注电荷的三维位置信息可通过电荷加权平均法和比例系数法分别提取。通过对补注电荷横向betatron振荡和纵向同步振荡的分析,可原位提取betatron振荡振幅、同步振荡振幅、初始到达时间、同步振荡阻尼时间等多个动态参数,不需提供特别的机器研究时间,为储存环动力学研究提供了有力工具。     

束流位置探头用于束团电荷量测量的数值仿真研究

加速器常用的束流位置探头为电磁耦合型,其输出信号包括束流位置信息和束团电荷量信息.本文采用数值仿真方法研究探头电极和信号与束流位置之间的关系,基于Matlab开发一个用于仿真计算探头电荷量标定系数的软件包.对上海光源储存环束流位置探头的仿真结果表明,探头流强标定系数在2.5 mm半径内差值小于千分之二,在此精度范围内可认为流强标定系数为常数.     

100MeV直线加速器电荷量测量系统

100MeV直线加速器电荷量测量系统是束流测量系统的一个重要组成部分。介绍了该电荷量测量系统各部分的功能及特性。详细阐述了电荷量测量系统数据处理及误差分析方法,并提出了实验室系统分辨率测量方案。最后给出了该电荷量测量系统的实际测量结果。     

纵向和横向高斯型束团发射度增长的比率关系(英文)

采用直线加速器中的有限圆柱空间电荷模型,并假设该有限圆柱体电荷密度分布在纵向z和横向r都满足高斯分布,推导得到了该电荷束团的自场能与发射度增长公式;通过数值模拟计算,给出了束流发射度增长随束团参数和加速器系统参数变化的图表曲线,讨论了该纵向和横向高斯型密度分布电荷束团发射度增长的比率关系。     

Bunch-by-bunch longitudinal phase monitor at SSRF

Beam signals captured from a button-type pickup contain multidimensional information including the bunch charge,transverse position,bunch length,and longitudinal phase.A bunch phase monitor,which retrieves longitudinal phase information from a pickup signal at a bunch-by-bunch rate,has been developed at the Shanghai Synchrotron Radiation Facility.This paper introduces the basic principles,system setup,data processing method,and preliminary experimental results of this system.The systematic measurement error introduced by the limited system bandwidth,bunch length,and bunch charge variation was studied using simulation data.The random measurement uncertainty was evaluated using experimental beam data.The experimental result shows that the longitudinal phase resolution of this system is better than 1.0 ps.The first application,measuring the relationship between the longitudinal phase and bunch charge to determine the energy loss factor,was implemented,and the preliminary result is also discussed.     

腔式束流位置探测器的设计与实验研究

束流位置探测器对自由电子激光装置的研制和运行具有重要的意义。其中,腔式束流位置探测器(腔式BPM)又以其高精度、高分辨率的特点而得到广泛的应用。本文对应用于上海深紫外自由电子激光装置上的腔式BPM进行了理论分析、模拟计算和BPM腔的测量等方面的研究。     

SHINE腔式BPM系统射频信号调理前端研制

基于低温超导直线加速器的上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）需1个分辨率可达200 nm的束流位置测量系统,以实现电子束与光子束在波荡器中的紧密相互作用和能量交换。现已研制的束流位置测量系统不能完全满足上述要求,为此,基于对关键技术指标的分配,设计研制了一个由C波段腔式探头、低噪声系数的单路下变频至低中频的射频信号调理前端以及专用数字信号束流位置处理器构成的CBPM系统样机。而作为连接腔式探头和数字信号采集电子学之间的桥梁,射频信号调理前端（radio frequency front end, RF前端）的结构和性能也直接决定了CBPM系统的性能。本文从SHINE对CBPM系统的整体需求为出发点,分析了系统对射频信号调理前端的指标分配,提出了一种放大器开关切换型RF前端的方案设计,并成功搭建了1套可模拟束流条件的离线全锁相采样测试平台。此外,在上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）中搭建了测试平台并完成了射频信号调理前端的带束性能评估,束流实验结果表明,在束团电荷量为100 pC、系统动态范围在±100 μm的条件下,采用腔式探头射频信号一分二的评估方法,位置分辨率可达71 nm,优于设计指标需求。     

Cavity Beam Position Monitor System for Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser

Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser (SXFEL) requires a beam position monitor system with resolution of sub-micron, so the beam based alignment (BBA) method to achieve close coincidence of the electron beam and the photon beam in the undulator section can be used. A cavity beam position monitor (CBPM) system consisting of a C-band cavity probe, a RF front-end and a dedicated digital beam position monitor processor (DBPM) was developed. The system design, hardware and software structure, and system construction were introduced in this paper. Based on the three adjacent CBPM systems in the drift section, the online system performance evaluation was completed. And the experiment results show that the position resolution of 880 nm is obtained under the condition of the bunch charge of 500 pC and the dynamic range of the system of ±800 μm. This is also the first CBPM system with submicron position resolution that can be run online in China. In addition, the phase cavity of CBPM was used to measure the relative charge and the arrival time of the bunch. The evaluation results show that the performance is better than the design requirements of SXFEL.     

基于射频偏转腔的束团长度测量系统

本文建立了基于偏转腔的电子束团长度测量系统的模型,揭示了束流和偏转腔参数对测量结果的影响机制,给出了一种束团长度的计算方法。用三维仿真软件CST对腔体建模,得到了最优的单腔腔体尺寸、最优的耦合器尺寸和工作模式场分布,对应的偏转腔系统时间分辨率为182 fs,满足设计要求。用粒子跟踪软件Parmela进行束流动力学模拟,阐明了下游荧光屏上出现束团横向偏移的原因,并验证了理论结果的正确性。     

Monitoring the charge bunch-by-bunch for the SSRF storage ring:Development and application

Bunch charge uniformity controlling is very important for top-up operation of the storage ring. In order to monitor filling pattern and measure the bunch charge precisely, a PXI waveform digitizer-based data acquisition system has been developed to retrieve bunch charge information from BPM pickup signals. An effective sampling rate is extended to 400 GHz by waveform rebuilding technology, which overlays multi-turn data into single turn with real time sampling rate of 8 GHz. An on-line evaluation indicates that resolution and linearity of the charge measurement are better than 0.5% at input range of 0.5-12 nC.     

Analysis of electro-optical intensity modulator for bunch arrival-time monitor at SXFEL

A bunch arrival-time monitor(BAM) based on an electro-optical intensity modulation scheme is currently under development at Shanghai Soft X-ray Free-Electron Laser to meet the high-resolution requirements for bunch stability. The BAM uses a radio frequency signal generated by a pickup cavity to modulate the reference laser pulses in an electro-optical intensity modulator(EOM), and the bunch arrival-time information is derived from the amplitude change of the laser pulse after laser pulse modulation.EOM is a key optical component in the BAM system.Through the basic principle analysis of BAM, many parameters of the EOM are observed to affect the measurement resolution of the BAM system. Therefore, a systematic analysis of the EOM is crucial. In this paper, we present two schemes to compare and analyze an EOM and provide a reference for selecting a new version of the EOM.     

丝扫描快速信号处理测量系统设计

为了提高同步辐射丝扫描探测器的测量分辨率与缩短数据处理时间,设计了丝扫描快速信号处理测量系统。该系统采用了电子学高速连续采样与平均降采样相结合的方法,自动确定拟合区间,调整关键点拟合权重,可有效提高信噪比,滤除光斑边缘毛刺噪声,降低拟合误差,提高测量分辨率与缩短测量用时;其光束位置测量分辨率可达48.3μm,光斑大小测量分辨率可达38.5μm,数据处理时间约150 ms。