基于BEPC Ⅱ的数字束流位置探测器信号处理算法的FPGA实现

数字束流位置探测器(BPM)算法是数字BPM系统最核心的部分,其对束流位置测量的精度起决定作用。本文在完成数字BPM算法MATLAB模拟工作的基础上,将模拟优选出的数字BPM算法在自制的电子学硬件上进行FPGA实现。首先介绍了数字BPM算法的总体设计和实现方案;其次介绍了数字BPM算法各功能模块的设计原理及其在FPGA中的具体实现方法;最后在输入信号频率499.8 MHz、强度-10 dBm、BPM探头灵敏度系数23的条件下进行了实验室测试。实验结果显示：逐圈位置分辨达2.96 μm,快响应位置分辨达0.65 μm,闭轨位置分辨达0.33 μm,验证了本算法在束流位置测量中具有良好性能。     

数字BPM系统中模拟调理电路的研究

全数字化束流位置测量系统(Digital Beam Position Monitor,DBPM)将应用于上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF),其中模拟调理电路是DBPM系统重要组成部分。BPM探头输出的4路高频窄脉冲信号(重复频率499.654 MHz,脉宽200 ps)通过模拟调理电路进行滤波及自动增益调整,然后送至ADC进行模数变换,在系统中的数字处理模块进行处理后最终得到束流X、Y方向位置信息。系统电子学测试表明:此DBPM系统在输入信号动态范围为-40～10 dBm情况下,X、Y方向位置分辨率好于10μm,满足逐圈(694 kHz数据更新率)位置分辨要求。     

CSNSRCS环BPM读出电路的研究

未来的中国散裂中子源(CSNS)快循环质子同步加速器(RCS)需要束流位置探测器(BPM)来计算和记录位置信息.文章介绍了BPM读出电子学功能样机的实现,其中包括系统总体结构,模拟前端(AFE)和数字前端(DFE)的设计,以及FPGA中的固件开发.不断变化的RCS束流参数使得系统中的模拟部分尤为重要且设计难度大,并且需...     

高能同步辐射光源逐束团束流位置测量电子学研制

基于高能同步辐射光源（HEPS）储存环,研制了一套逐束团束流位置测量（BPM）电子学系统,电子学的硬件部分由模拟信号采集板卡和数字信号处理板卡组成,软件部分由底层固件和顶层应用软件组成。系统的采样频率为500 MHz,带宽为1 GHz,对来自储存环BPM探头的4路模拟信号进行数字化,得到束团幅度数据,利用ZYNQ芯片计算出每个束团在真空管道中的位置。逐束团BPM电子学在实验室的测试结果为：输入信号峰峰值小于1.8 V时ADC通道非线性度小于1%,无杂散动态范围约60 dB,灵敏度系数取8.26 mm时位置分辨率优于10 μm,测试结果满足HEPS逐束团BPM的需求。     

基于EPICS的CSNS束流位置读出系统

从973-RFQ束流传输线上束流位置(BPM)测试需求出发,开发了一套完整的束流位置读出系统,其将移植到CSNS工程的束流位置测量系统中。该系统由信号采集、处理和显示模块组成。BPM读出系统采用EPICS作为软件开发平台,并选用Motorola公司的MVME5100作为IOC;硬件采用Hytec公司的ADC8411U卡实现对束流位置信号100 kHz的同步触发采样。信号处理模块对采集到的信号进行数值平均滤波,并实现到束流位置的转换。信号显示模块选用EPICS客户端软件EDM实现对束流位置信息2种不同方式的显示。经测试,整个系统最终读出的束流位置分辨率远好于0.2 mm,符合设计要求。     

上海光源储存环束流轨道联锁系统升级

针对上海光源机器故障分析的需求,对原有储存环束流轨道联锁系统进行升级,实现对储存环束流位置测量系统中140台束流位置监测器(Beam Position Monitor,BPM)电子学输出的联锁信号进行标记,同时锁存丟束过程中所有BPM电子学中的逐圈轨道数据。联锁信号的处理与锁存触发信号的输出在FPGA(Field Programmable Gate Array)内完成。该系统集成至储存环的物理实验与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)控制系统之中。束流检测实验表明,该系统能够准确区分不同BPM电子学输出的联锁信号,同时锁存丟束时逐圈轨道数据,并通过该系统观测到了储存环束流丢失过程中的逐圈轨道变化。     

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.     

数字BPM信号处理算法研究

束流位置检测器(BPM)系统是加速器监测系统的重要组成部分,其中涉及的信号处理算法是该系统的关键,因而该算法的研究对研制数字BPM系统有极其重要的意义。本文采用GE公司开发的商业数字信号处理板ICS-1554A-002,采集实验室信号发生器和储存环原始的A、C两路数据,基于软件无线电原理,利用Matlab对数据进行离线分析。重点设计并讨论了获取逐圈(TBT)束流位置信号的三种数字信号处理算法:多级滤波抽取算法、单级抽取算法,以及应用快速傅里叶变换(FFT)算法。对各算法的原理、结果及优劣进行了分析,找到性能及FPGA实现都较好的信号处理方法。     

HLS Ⅱ储存环逐束团流强测量系统研制

为进一步提升HLS Ⅱ储存环光源的性能以及为未来实现top-off注入打下基础,研制了新的逐束团流强测量系统。系统硬件部分主要由ADC、FPGA和USB构成,采样精度高、架构简单、成本低。由于BPM和信号的峰值含有束团流强信息,该系统利用峰值采样法测流强。在线测试结果表明,束流的纵向振荡对测量精度有较大影响,在开启纵向反馈抑制住纵向振荡时,该系统测量逐束团流强的精度较高,单束团流强的均方根误差值可达0.002 m A;关闭纵向反馈时,测量精度变差。该系统除了测量逐束团流强外,还实现了纵向工作点的测量,未来还可以测量逐束团寿命等,为合肥光源储存环性能提升,提供更多的束流诊断手段。     

对数比电路在加速器束团位置监测中的应用及测量

详细介绍了在合肥同步辐射实验室(NSRL)二期工程中的束团位置监测(BPM)电子学系统中对数比电路的设计与应用。结合对数放大器自身的特性,介绍了此电路在BPM系统中的组成、工作原理、测量内容、方法和结果。     

BEPCⅡ快亮度监测系统的信号处理

针对北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)逐束团（bunch-by-bunch）亮度监测系统需求,设计了高速亮度信号的采集、存储和显示系统。实现了4ns束团间隔亮度信号的放大甄别、远距离传输、反符合判别,以及对应束团亮度信号的累加,利用乒乓存储技术解决了高数据产生率和CAMAC低数据读出率间的矛盾。测试结果表明,该设计能够满足BEPCⅡ4ns间隔的逐束团亮度监测系统的要求。     

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。     

逐束团位置对束流横向反馈的影响分析

为了提升上海光源储存环横向反馈系统的性能,进一步优化抑制束团串内部横向耦合不稳定性,需要更深入了解现有束流反馈系统模式下的工作状态。用逐束团位置在线采集的方法,在束流诊断实验中获取横向反馈系统不同反馈作用力条件下的逐束团位置信息。通过离线频谱分析,得到束团串横向不稳定振荡振幅随反馈作用力及束团分布的变化规律,表明了横向反馈作用力对束流的整体作用具有正相关性,但对不同束团及束团串的作用效果具有较大差异。为更深入的研究束流不稳定性及束流优化提供了数据支持。     

基于示波器嵌入式IOC技术的逐束团位置监测系统研制

为研究尾场引起的束团不稳定性,本工作开发了基于高速宽带示波器嵌入式IOC的逐束团位置测量系统。该系统通过直接获取加速器储存环中钮扣型电极的原始束流信号,进行在线计算独立的水平和垂直方向的逐束团位置。介绍了此系统的需求分析、硬件结构以及嵌入式IOC软件结构。利用在上海光源储存环上获取的逐束团位置数据,对系统性能进行了评估。实验显示,不同束团感应到的工作点及横向振荡振幅与束团编号间的依赖关系,结果证明该系统是一个有效的机器研究工具。     

中国散裂中子源快循环同步加速器束团长度研究

束团长度是中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)束流动力学的关键参数,通过对束团长度的研究,可了解RCS的机器性能并进一步指导机器优化研究。本文对RCS 100 kW时的束团长度进行精确测量,100 kW引出时的束团长度为105 ns。RCS 500 kW时束团长度可能超过无损引出允许值,需压缩束团长度。理论上提高腔压可压缩束团长度,本文模拟研究500 kW时束团长度随腔压曲线的变化规律,模拟结果表明提高加速后半阶段的腔压可压缩束团长度,给出了500 kW时无束流损失引出的腔压曲线。基于100 kW束流条件实验验证了通过提高加速后半阶段腔压来压缩束团长度的有效性和可行性,实验测量结果与模拟结果一致。因此,提高加速后半阶段腔压是500 kW时无损引出束流的有效方法。     

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。     

加速器束团长度频谱法测量系统设计

主要介绍一种基于束流频谱的柬团长度测量系统的设计,它通过拾取条带上的束流频谱,分析得到束团频谱中的两个频率成分的幅度比,从而求出束团长度.整个系统结构类似数字位置探测器(DBPM),采用软件无线电的技术,利用高速高精度ADC直接中频带通采样,以省掉一部分模拟器件,减少模拟部分带来的误差.这种柬团长度测量系统最大的好处就是可以在线实时的测量束团长度,为加速器研究提供重要的参考.     

上海光源数字化束流位置信号处理器测试平台研制

数字化束流位置信号处理器(Digital Beam Position Monitor Processor,DBPM)是上海光源自主研发作为束流位置监测(Beam Position Monitor,BPM)的主要设备。针对DBPM电子学处理器产品化测试需求开发了一套基于MATLAB和程控技术的自动化测试平台,用于处理器批量测试验收和性能评估。平台使用Agilent MXG信号源和一分四功分器模拟4路真实探头信号,经过处理器采集处理后被上位机接收。测试仪器的设置和实验数据的获取,整个系统是基于客户端和服务器架构实现的。采用物理实验与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)的通道访问Lab CA接口实现数据的实时采集。目前该测试平台已经成功应用于大连自由电子激光装置和上海软X射线自由电子激光装置的DBPM处理器验收测试,处理器幅频响应曲线,不同衰减下模数变换器(Analog to Digital Converter,ADC)噪声水平测试、衰减步长一致性、通道间串扰及信噪比测试结果均达到设计指标。     

基于BEPCⅡ数字束流位置测量系统电子学系统的设计与实现

BEPCⅡ加速器的束流位置测量系统(BPM)模拟电子学经过十余年的运行逐渐老化,故障率上升,亟需进行升级改造。本文根据该需求,自行设计了基于BEPCⅡ系统参数的数字BPM电子学系统,内容包括模拟信号处理电子学、数字信号处理电子学、BPM固件算法逻辑、数据获取软件以及系统测试等多个部分。设计的数字BPM电子学系统经实验板级性能测试、实验室系统测试以及在线束流测试,结果表明该系统能满足BEPCⅡ装置对束流位置测量的需求。     

边界元法计算束流位置探测器的灵敏度系数

为满足高能同步辐射光源（High Energy Photon Source,HEPS）束流位置测量的需求,研制了各种类型的束流位置探测器（Beam Position Monitor,BPM）。位置灵敏度系数是BPM的一项重要参数,通过它可以精确计算束流的位置。使用边界元法计算束流位置探测器的灵敏度系数,适用于在无法使用天线模拟束流进行实际测量和有限元软件进行模拟的场合。以HEPS储存环BPM的参数为例,首先用边界元法分析计算了具有圆形横截面的BPM的位置灵敏度系数,在此基础上,分析了椭圆形（HEPS增强器）与八边形（BEPCⅡ储存环）管道的系数。将该方法应用于BPM的设计与分析中,确定了高能光源增强器BPM纽扣电极的方位角和北京正负电子对撞机BPM的纽扣电极间距。此外,计算了上述BPM的位置灵敏度系数分布Mapping图。圆形管道BPM的位置灵敏度系数结果与解析值接近,相对误差在1%左右,椭圆形与八边形管道BPM的计算结果与实际测量结果的偏差都在2%左右,证明了边界元法计算束流位置探测器的位置灵敏度系数是一种可靠的方法,可用于BPM的设计与相关问题的分析。