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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

西安质子应用装置BPM设计及测试结果

西安质子应用装置(XiPAF)中能传输段设有6个束流位置探测器(BPM)用于测量束流位置及相位,要求位置和相位测量分辨率分别好于0.1 mm和1°,绝对位置测量准确度好于±0.5 mm。本文从理论上分析了纽扣型BPM位置测量分辨率与电极长度及电极张角的关系,并结合CST模拟得到最优值,设计分辨率达24.5 μm。离线测试结果表明,BPM样机的电极电容、灵敏度及电极间耦合度均与设计值相符。利用旋转法测量得到BPM样机水平和竖直方向电中心与机械中心的偏差分别为（0.04±0.05） mm和（-1.53±0.05） mm。样机安装在清华大学微型脉冲强子源（CPHS）高能传输段进行测试,测试结果表明,XiPAF BPM位置测量分辨率好于60 μm,相位测量分辨率好于0.74°,绝对位置测量准确度为±0.35 mm。该设计满足西安质子应用装置的要求。     

BEPCⅡ直线加速器束流位置探测器零点误差的测量

本工作测量了BEPCⅡ直线加速器条形束流位置探测器(BPM)的电中心与四极铁中心的偏差。简述了BEPCⅡ直线加速器的轨道校正系统及其在束流轨道校正在线反馈控制中的作用,说明了BPM零点误差的意义,叙述了利用在线束流进行BPM零点误差测量的原理和方法,并给出测量结果,说明这种测量方法是行之有效的。     

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。     

BRIF—ISOL系统束流剖面仪（BPM）实验研究

在串列升级工程中，放射性核束束流强度很弱，一般强度为10^4-10^10s^-1，束流参数和束流品质无法用常规的电子学方法测量，需要特别的方法测量。为了解决这个问题进行顺利的调束工作，设计了一种利用闪烁晶体受激发射荧光获取束流信息的剖面仪（BPM），其工作原理示于图1。     

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。     

HLS直线加速器条带束流位置检测器基于对数比方法的标定

对合肥光源（HLS）直线加速器（LINAC）的束流位置测量系统进行改造，设计并加工了非拦截型、高精度的条带电极束流位置检测器（BeamPositionMonitor,BPM）。安装前，通过定位精度小于5μm的电控位移平台，采用具有更大动态范围和线性度的对数比而非传统的差和比的处理方法，对条带束流位置检测器进行标定。本文介绍了标定平台、对数比处理系统以及自动控制标定程序，给出了基于对数比方法的标定结果。该条带电极束流位置检测器的水平方向和垂直方向的灵敏度分别为1.55dB/mm和1.48dB/mm，束流位置分辨率为42μm，电中心相对于机械中心的偏差为（0.212，0.450）mm。     

合肥光源钮扣型束流位置检测器的设计计算

对合肥光源中使用的钮扣型束流位置检测器进行了相关参数的计算,计算了水平和垂直方向的灵敏度。对内在分辨率和传输功率进行了估算。用优化后的检测器安装位置参数对束流位置进行了高精度数值仿真,对测量数据用差比和和对数比方法进行处理,得到直观的mapping图和拟合多项式。对束流和信号进行仿真拟合,当束流位移从（0mm,0mm）到（4mm,4mm）时,归一化和信号的变化小于5×10－3。     

Libera Photon在合肥光源同步光位置测量系统中的应用

合肥光源新引进了IT公司的新一代光位置信号处理器Libera Photon,其采用嵌入式EPICS IOC,极大地提高了数据的传输效率,经测试,该处理器的分辨率好于0.07 μm。同时,自主研制开发了相配套的时钟分配器以及远程软件控制程序,并将新同步光位置信号处理系统用于原有的双丝型光位置探测器进行了初步的应用研究,测试得到的同步光位置信息与相近的BPM Q8E所测得的束流位置信息变化趋势一致,说明Libera Photon能够很好地进行同步光位置信息的测量。     

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。