Development of button-type pickup for SSRF ring

In building Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF), in order to reduce or eliminate the unnecessary sources of beam motion, the precise and stable beam position measurement system in the feedback system was required. In this study, we focused on theoretical analysis of the electrode of beam position monitor(BPM).Simulations, including analytic derivations of the propagation impedance and the distribution inductance, were performed. The BPM was designed based on the results and the acceptance measurements of the impedance and the inductance by using the time domain reflection(TDR) with a network analyzer. It has been proved in years of operations that the BPM system meets the requirement of the resolution of sub-micron.     

上海光源单色光荧光靶的升级改造

光束位置探测器是同步辐射装置上的"眼睛",其中荧光靶探测器是最为直观和方便使用的一种,对于光束线的调试有着重要的作用。论文对上海光源一期研制的单色光荧光靶探测器在使用过程中存在的问题,进行了较为全面的分析总结,提出了新的设计方案,改进了单色光荧光靶的结构,压缩了该装置的体积,并且采用YAG晶体做荧光靶材,提高了探测灵敏度。改造后的单色光荧光靶探测器已经成功使用在蛋白设施五线六站新的光束线站上,取得了良好的效果。     

数字BPM电子学在束流位置测量中流强依赖性研究

在BPM测量系统中,流强依赖(BCD)是影响BPM测量精度和可靠性的一个重要因素,本文通过对BPM信号处理链路分析、BPM计算方法的研究,探索在BPM测量过程中产生流强依赖的主要原因;并利用Matlab模拟实验、实验室测试、实际束流测试,找到解决BPM测量流强依赖的方法。研究结果表明,BPM信号处理通道的非线性、ADC的直流偏置是产生BPM测量流强依赖的两个主要因素。本文经过对BPM射频信号处理电路改进,对BPM信号算理算法的优化工作,解决了自研数字BPM电子学的流强依赖性问题。     

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。     

BEPCⅡ束流位置探测器的CST计算

束流位置探测器是最重要的束流测量部件之一,在北京正负电子对撞机二期(Beijing Electron Positron Collider II,BEPCII)的直线段、传输段和储存环上分布着包括纽扣型、条带型在内的多个束流位置探测器(Beam Position Monitor,BPM)。本文利用CST(Computer Simulation Technology)软件的微波工作室和粒子工作室对BEPCII上的BPM相关参数进行了计算,其中包括BPM的信号强度、水平方向和垂直方向的灵敏度、纵向转移阻抗以及电极间的耦合参数等,比较了理论计算结果与实验测量结果之间的差别,计算了直线段条带型BPM的信号与频谱。这些工作是对现有BPM性质的深入了解,而相关计算方法对新机器如高能光源和环形正负电子对撞机上BPM的设计具有重要指导意义,为分析新建加速器的BPM相关问题提供了理论依据。     

EPICS interface to Libera electron beam position monitor

SSRF diagnostics system will adopt a new generation digital electron beam position processor,Libera,as the signal condition,signal processing and data acquisition device for beam position monitor.In order to provide a uniform data and control interface for users,we developed an EPICS interface based on Control System Programming Interface(CSPI)layer,allowing the performance of the electron beam to be monitored through EPICS channels.In this interface a new record type for BPM was defined and its associated support routines were implemented.     

YAG晶体在软X射线荧光靶探测器中的应用

荧光靶探测器是同步辐射光源光束位置定位的重要设备之一,本文在96 500 eV软X射线内对CVD金刚石薄片和Ce:YAG晶体薄片进行光致发光亮度的测试,观察到Ce:YAG在该能量段的发光亮度比金刚石高,完成了上海光源软X射线荧光靶探测器靶材的实验研究与探测器的设计;同时给出了YAG晶体荧光靶探测器在线使用时观察到的相干光的衍射图像。     

电子直线加速器束截面测量系统及其应用

用于北京自由电子激光30MeV电子直线加速器的注入及输出束的截面监测系统,由可伸缩荧光屏束截面探头、摄象取样装置及图象采集卡和计算机处理系统构成。用此系统测量加速器注入(≤1.2MeV)和输出(≥20MeV)电子束的截面宽度、密度分布、发射度等参量。其硬件的空间分辨率好于110μm,束宽测量精度好于50μm。经加速器在线使用2年以上考验,性能可靠,得到了满意结果。     

Beam position monitor troubleshooting by using principal component analysis in Shanghai Synchrotron Radiation Facility

Beam position monitors(BPMs)have been widely used in all kinds of measurement systems,feedback systems and other areas in particle accelerator field these days.The malfunction of a single BPM can cause serious consequences such as the failure of the orbit feedback and the transverse feedback.A troubleshooting has been made to prevent the defective BPMs from affecting the accuracy and stability of the storage ring in Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF).Different types of malfunctions have been successfully identified by using the idea of principal component analysis(PCA).     

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.     

BEPCⅡ中束流位置测量系统的噪声分析

超低发射度光源要求束流位置测量系统(BPM系统)的分辨率达到亚μm量级。在实验室条件下,BPM系统电子学的测量分辨率可达亚μm,但在线机器运行时束流位置监测器（BPM）探头受到的机械振动（亚μm量级）将成为限制BPM系统测量分辨率达到亚μm的重要因素。为满足高能光源（HEPS）对BPM系统0.1 μm分辨率的要求,本文基于北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCⅡ）上的BPM系统,进行了功率谱方法的环境振动及束流数据的联合分析,以探究影响BPM系统分辨率的因素。首先从BPM系统分辨率的传统衡量标准与功率谱的关系出发,进而分析BPM系统的工作原理、安装环境,测量其周边的机械振动水平,获取束流的低频频谱。获取的BPM数据频谱成分及分析结果表明：电缆传输会产生频谱基线的上升;BPM探头真空室会直接受环境振动的影响;四极铁特征频率的机械振动经束流动力学造成了全环BPM数据特定频率的峰值增长。结合束流动力学,使用有限数量的BPM数据可推断出振动源点。     

SSRF定时系统的温漂补偿系统设计

上海同步辐射装置(SSRF)的定时信号通过光纤由事件发生器EVG发送到事件接收器EVR,为各个分系统和设备提供精确时序信号,但光纤因SSRF复杂的局部环境而产生温度变化,从而引起EVR的输出信号与高频信号的相位漂移.因此需设计-套温漂补偿系统来补偿这种因光纤的温度变化而产生的相位漂移,本文详细阐述了温漂补偿系统的硬件架构及相位测量算法,最后给出了温漂补偿系统的测试结果.     

An on-line data acquisition system of oscilloscope-embedded input/output controller for cavity BPM measurement

Cavity beam position monitor(BPM) is widely used in a precise electron beam position measurement. Based on high performance oscilloscope-embedded EPICS input/output controller,we developed an on-line cavity BPM signal processing system for fast data acquisition solution when designing a cavity BPM.Also,methods for extracting the position information from cavity pickup signals and calibration algorithm are included in this solution.     

基于软件无线电的新型数字束流位置处理器

研究了基于软件无线电架构的新型数字束流位置处理器,介绍了处理器样机的射频、模数转换和数字处理模块的硬件架构和主要参数。针对处理器多通道的不对称性,提出了校准方案。测试结果表明,处理器逐圈位置电子学分辨率在输入大于–30 dBm时,优于1.5μm;输入大于–27 dBm时,电子学分辨率达到亚微米量级。处理器在上海光源储存环流强为150 mA条件下测试,逐圈位置分辨率优于2μm,并能够准确获取包含束流实时信息的逐圈位置信号。     

合肥光源钮扣型束流位置检测器的离线标定

为满足合肥光源重大维修改造项目对储存环束流位置测量的高精度要求,对钮扣束流位置检测器(BPM)电极进行了重新设计,本文对新设计的BPM进行特征阻抗、分布电容和标定系数等参数离线标定。采用时域反射计(TDR)测量其阻抗特性和分布电容,测量结果表明,50 Ω标准阻抗测试电缆与BPM Feedthrough连接处的阻抗一致性较好,说明其特性符合设计的50 Ω阻抗,计算得到分布电容约为2.9 pF,满足设计要求。通过天线法进行标定,分别采用差比和法与对数比法得到直观的mapping图,计算得到BPM的水平和垂直方向的灵敏度,差比和法与对数比法获得的灵敏度相对偏差在垂直方向小于0.5%,水平方向小于2.8%,离线标定获得的各项参数均满足要求。     

Simulation of higher order modes and loss factor of a new type of 500-MHz single cell superconducting cavity at SSRF

In this paper,higher order modes(HOMs) and loss factor of a new type of 500-MHz superconducting cavity is studied,by simulating its broadband HOMs damping at different positions of the ferrite HOM-absorber and different lengths of the ferrite.The results show that the impedance and Q value of the HOMs in transverse and longitudinal modes could be greatly reduced.The HOM longitudinal impedance could be damped to meet the requirement of SSRF beam instability threshold.The calculated loss factor of the new SC cavity was compared with cavities at SSRF.It was estimated that the HOM absorber could absorb a total power of 3.16 kW at 4-mm beam bunch length.     

合肥光源注入器条带检测器的设计与计算

根据合肥光源升级改造的要求,为进行合肥光源注入器的束流位置、发射度和能散的非拦截测量,设计了新的条带束流位置检测器（BPM）和八电极束流能散检测器（BESM）。计算了条带BPM和八电极BESM通过电信号提取x2－y2以及灵敏度的公式。通过条带电极的时域频率分析、阻抗匹配等计算确定了两个检测器的具体物理参数。在CSTmicrowavestudio中按照计算的物理结构进行建模仿真,得到了电极间的耦合且考虑了电极耦合对灵敏度的影响。计算了条带BPM的位置分辨率,符合设计要求。     

基于导频的储存环束流位置测量处理器研制

稳定的束流轨道对于同步辐射光源的性能至关重要,规划中的合肥先进光源是第四代衍射极限储存环,其亚微米级的束流轨道稳定度需要束流位置测量精度达到100 nm级别。本文基于国产化芯片,研制了带有导频补偿机制的束流位置测量处理器,主要包括导频模块、模拟前端模块、数字处理模块和嵌入式工控模块。输入信号经过导频模块和模拟前端模块调理,在数字处理模块通过带通欠采样原理实现模数转换,数字信号在现场可编程门阵列（FPGA）内经过下变频、滤波抽取、坐标旋转数字计算（CORDIC）模块以及差比和算法等处理后获得束流位置信息,嵌入式工控模块实时传输束流位置信号,与加速器控制系统通信。目前设计的束流位置处理器完成了实验室离线测试和束流测试,测试结果表明,当输入信号幅度在-55～5 dBm范围时,束流位置测量处理器的快获取数据（FA data）和慢获取数据（SA data）分辨率分别好于120 nm和70 nm,满足设计要求。     

Strip line beam position monitor for HLS LINAC

1 Introduction Beam position monitors at HLS LINAC and transfer line will deliver the information about the transverse positions and phases of beam passing by. Typical requirement for position resolution is within 1mm within 1/3 of half aperture rb (rb of HLS LINAC is 25mm). The HLS LINAC BPMs will also serve as beam phase detectors, which require a tough broad-band frequency response and impedance match for the BPMs. Additionally, space available for the BPMs at the HLS LINAC…     

束流位置探头的理论设计

加速器的束流位置通常采用四个纽扣形电极的束流位置探测器(BPM)进行测量。本文主要探讨了一种BPM的理论设计方法。首先利用有限元方法对BPM电极的感应电荷进行理论计算，得到四个电极感应的电信号与位置信号的理论关系；利用最小二乘法原理对此结果进行多项式拟合，求出标定系数。在此基础上通过更改BPM的几何参数，求出相应的标定系数，即可得到不同性能的BPM。经优化处理得到所需的束流位置探测器设计参数。