加速器逐束团数字反馈系统FIR滤波器研究

为了克服加速器中束流耦合束团不稳定性,新建的储存环必须采用逐束团数字反馈系统。数字反馈系统采用有限长单位冲激响应滤波器(Finite Impulse Response, FIR)来实现对束流信号滤波和90°移相,最终得到反馈信号。FIR滤波器可采用最小二乘法和选择滤波器法设计,本文在横向或纵向反馈系统中深入研究了这两种方法的差异。分析结果表明:采用选择滤波器法,设计简单,是较佳设计方法。随后,对选择滤波器法进行了优化,进一步分析了采用优化的选择滤波器法设计的FIR滤波器的工作可靠性以及滤波效果,对反馈系统FIR滤波器设计有一定的指导作用。     

HLS Ⅱ横向束流反馈系统条带激励器的设计与计算

合肥光源升级改造（HLS Ⅱ）将使用数字逐束团横向束流反馈系统来抑制束团耦合不稳定性。本文设计了条带型横向激励器,利用Poisson程序计算了横向激励器的特性阻抗和电场,采用回归方程及最小二乘法分析了特性阻抗随横截面结构参数的变化规律,并做了优化选择以匹配50 Ω的外部传输电缆。利用HFSS程序对横向激励器的分路阻抗及功率输入端口的反射系数进行了模拟计算。仿真和计算结果为横向激励器的设计提供了依据。     

BEPCII逐束团双反馈系统运行试验研究

逐束团反馈控制是抑制束流不稳定性最好的方法,未来的环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider,CEPC)等超大型装置的环周长为100 km,束流不稳定增长时间为毫秒量级,这要求束流振荡能在十几圈甚至几圈内被抑制,意味着反馈系统提供的阻尼时间要很短,传统的数字反馈系统显然难以实现。一些缩短阻尼时间的方法相继被提出,其中之一是在储存环中采用若干套束流反馈系统作用于同一束流上,通过阻尼效果的叠加以减少总系统阻尼时间。本文工作主要利用北京正负电子对撞机二期(Beijing Electron Positron Collider Ⅱ,BEPCⅡ)同步模式外环上两个条带kicker的有利条件,开展双反馈系统带束实验研究,一套是自行研制的逐束团数字横向反馈系统,另一套是Dimtel公司生产的商用逐束团数字反馈系统,分别测量各系统以及双系统的阻尼时间。实验测得商用系统的阻尼时间是0.93 ms,自研反馈系统的阻尼时间为2.98 ms,双反馈系统的阻尼时间为0.70 ms,验证双反馈系统能够有效缩短阻尼时间。     

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。     

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。     

FPGA横向反馈数字板在SSRF储存环的应用

上海光源（SSRF）正在构建基于数字信号处理模块的横向反馈系统。FPGA（Field Programmable Gate Array）结构可以调节数字板FIR滤波器的参数,具有较好的灵活性。图形用户界面（GUI,Graphical User Interface）程序用来实现滤波器设计,并生成供数字板下载的逗号分隔符.csv（Comma Separated Value）文件。我们通过调节横向工作点处增益和相位,使滤波效果达到最优化。本文介绍了SSRF横向反馈对单束团束流情况下的实验结果,已能够证明数字板调节的灵活性。系统在多束团情况下的研究将要进行。     

CSNS RCS环BPM电子学实现

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步环(RCS)上需要束流位置检测器(BPM)来检测束流位置偏移。论文介绍该系统中读出电路的设计和实现。设计BPM读出电路的最大挑战就是接收和处理大动态范围(5.8 mV~32 V)和变化宽度(80~500 ns)的探头引出信号。文中介绍的模拟电路,采用由模拟运放和模拟开关构成可变增益放大器的结构,能够接收和处理该探头引出信号。另外,对于一个BPM系统,精确的实时束流位置检测是必须的。本设计基于FPGA,开发了计算逐束团位置信息和束流闭轨模式位置信息的实时算法。此外,设计实现了工程所需的各种功能,包括30 s逐束团位置缓存、基于VME总线的数据读出和控制、FPGA程序的在线加载等。初步测试显示,在最小信号10 mV时,逐束团位置分辨是0.9 mm,束流闭轨模式位置分辨为50μm。     

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。     

束流尾场效应对消色差系统的影响

在双粒子模型假定下讨论了短程束流尾场效应。该效应在脉冲积分近似下,等价于在消色差系统中央平面上对束团施加一个附加的纵向和横向动量增量。通过传输矩阵变换运算.推得了包括束流尾场引起的束流纵向和横向位移在内的束流纵向和横向传输表达式,藉以考察束流尾场效应对消色差系统的影响。     

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。     

利用数字束流位置处理器Libera测量BEPCII储存环束流阻尼时间和残余振荡

数字束流位置处理器Libera可以直接用来测量宽带的束流位置信号,由于其出色的硬件和软件性能,它可以在束流参数测量与诊断中得到广泛的应用.文章介绍了利用Lribera在BRPCⅡ储存环上进行的一些实验:利用逐圈(Turm-by-turm)束流位置测量数据计算横向阻尼时间和测量注入冲击磁铁引起的柬流位置残余振荡,实验主要目的是使BEPCⅡ储存环的束流调试和参数优化更方便快捷,并取得了初步的成效.     

基于PID控制的加速器束流闭轨反馈

束流闭轨反馈是提高束流轨道稳定性的有效措施,好的反馈算法可大幅提高束流轨道的稳定性。本文介绍了束流闭轨反馈校正理论和PID控制原理,以及应用PID控制进行储存环束流闭轨的反馈校正,并给出了模拟结果。结果表明,应用PID控制后,反馈系统的稳态误差更小,反馈精度更高,进一步提高了束流轨道的稳定性。     

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。     

基于腔式探头的束团到达时间测量算法优化

腔式探头具有高信噪比和高灵敏度的特性,TM010模式下在近轴附近的腔体输出信号与束流横向位置无关,信号幅度与电荷量呈正比,信号相位由束团到达时间决定,因此非常适用于高分辨率的束团到达时间测量。上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）对束团到达时间的测量精度要求非常高,期望运用基于谐振腔的束团到达时间监测系统,可实现在100 pC电荷量下分辨率好于25 fs的技术指标。对于高Q的谐振腔信号,单点采样的信噪比随信号的衰减而降低,因此肯定存在一最佳的信号处理窗口。为分析最佳处理窗口与相关参数的定量关系,采用数值仿真和束流实验相结合的办法来研究这个问题。分析发现,存在最佳数据处理时间窗口,该参数只与信号衰减时间常数有关,而与系统采样率、系统信噪比、系统模拟带宽无关。在最佳数据处理时间窗口条件下,束流到达时间测量不确定性可获得最佳值。     

腔体带通滤波器设计

在上海光源(SSRF)零模束流反馈系统中,腔体带通滤波器用来提取束流信号中的零模振荡信号,通过处理和反馈束流信号来控制高频系统对束流的作用.本文就是以Superfish为仿真软件,给出腔体带通滤波器的设计方法及其设计尺寸.并对腔体带通滤波器的参数进行了优化.最后给该滤波器的测试结果.     

电荷束团非均匀密度分布引起的发射度增长

直线加速器中电荷束团的非线性效应是导致束流发射度增长的一个重要原因。文中给出了直线加速器中几种常见的非均匀密度分布的有限长空间电荷束团所具有的非线性自场能，即纵向非均匀电荷密度分布分别为水袋型，抛物线型，而横向密度分布为均匀型，水袋型，抛物线型及高期型等各种组合非均匀密度分布的自场能公式，并得到了由束团非线性的均匀电荷密度分布引起的束流发射度增长。     

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。     

"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。     

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。