束流位置探测器自动标定系统研制

为满足高能同步辐射光源(High Energy Photon Source,HEPS)和北京正负电子对撞机重大改造工程(Upgrade of Beijing Electron Positron Collider,BEPCII)等工程需求,研制了一套束流位置探测器(Beam Position Monitor,BPM)自动...     

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。     

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。     

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。     

CEPC直线加速器束流垃圾桶初步设计

束流垃圾桶的材料、结构、尺寸的正确设计对于确保高能环形对撞机(Circular Electron Positron Collider,CEPC)直线加速器的安全运行有重要意义。采用蒙特卡罗程序FLUKA,研究了概念设计阶段的CEPC直线加速器束流垃圾桶的初步设计方案,给出了作为吸收体设计依据的射程的不同计算方法及验证过程,以及屏蔽体部分的材料选择与总体屏蔽厚度的关系;计算过程中引入减方差技巧提高了计算结果的精确程度。     

BESⅢ TOF前端读出电子学模块测试控制及分析软件系统的设计

为配合BEPCⅡ(Beijing Electron Positron Collider,即北京正负电子对撞机)的改造,目前北京谱仪(Beijing Spectrometer,简称 BES)正在进行第三期升级改造工程,称为BESⅢ.改造后的BESⅢ将大幅度提高探测器性能.TOF(Time of Flight),即飞行时间计数器,是BESⅢ的重要子系统,其负责时间和电荷测量的前端电子学读出模块(Front End Eletronics Module,简称FEE)要求时间分辨率好于25ps,电荷分辨率好于10bit.为了对FEE模块的性能进行测试,保证工程进度和质量,一个完备的测试控制/分析系统的建立是十分必要的.文章将简要论述其中测试控制及分析软件的设计.     

BESIII TOF前端读出电子学模块测试控制及分析软件系统的设计

为配合BEPC II（Beijing Electron Positron Collider,即北京正负电子对撞机）的改造,目前北京谱仪（Beijing Spectrometer,简称BES）正在进行第三期升级改造工程,称为BESIII。改造后的BESIII将大幅度提高探测器性能。TOF（Time of Flight）,即飞行时间计数器,是BESIII的重要子系统,其负责时间和电荷测量的前端电子学读出模块（Front End Electronics Module,简称FEE）要求时间分辨率好于25ps,电荷分辨率好于10bit。为了对FEE模块的性能进行测试,保证工程进度和质量,一个完备的测试控制／分析系统的建立是十分必要的。文章将简要论述其中测试控制及分析软件的设计。     

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。     

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。     

BEPCⅡ磁铁电源快速检测系统的实现

为使北京正负电子对撞机（BEPCⅡ）在运行时能快速找到磁铁电源引起的加速器束流不稳定或丢束的原因,研制了磁铁电源快速检测系统。该检测系统主要采用PXI系统,其8 h稳定度达0.005%,最快可在0.33 ms内采集一遍近500套磁铁电源电流值,所有历史数据均通过TCP/IP传输并实时写入远程MySQL数据库,从而可通过数据库的数据分析比对迅速排查电源电流稳定度问题。     

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.     

BEPCⅡ亮度监测系统前端电子学

针对北京正负电子对撞机第二期(BEPCⅡ)基于每个束团亮度监测的快速亮度监测系统对探测器前端电子学的性能要求,设计和实现了包括大动态输入范围的高速前放、程控高速信号甄别、双探头信号反符合,以及信号整形和传输在内的前端电子学系统.测试结果显示前端电子学能够满足4 ns间隔的bunch-by-bunch的快速亮度监测系统的应用要求.     

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。     

北京正负电子对撞机对环境辐射影响的分析

北京正负电子对撞机(Beijing Electron Positron Collider,简称 BEPC)建于西郊玉泉路高能物理所西侧,主体工程全部位于地下。BEPC 的直线加速器隧道顶部复盖3.5m 的土,贮存环隧道顶部复盖0.5m 的混凝土。对位于 BEPC 邻近的居民,加速器顶部屏蔽体泄漏的杂散辐射所产生的剂量水平不大于30μSv/a;在隧道中气体作连续排放这一最不利情况下,由短寿命放射性气体云所造成的浸没照射剂量小于40μSv/a,总剂量水平不超过0.1mSv/a。BEPC 在紧靠隧道的2—3m 的土层中所产生的放射性核素数量很少,增加的比活度在土壤中天然放射性核素本底的涨落范围内。在采取适当的防护措施以后,BEPC 不会对环境产生放射性污染。     

BEPCⅡ束损系统研究

为更好掌握储存环中的束流状态,在北京正负电子对撞机二期工程的储存环上建立了以二极管为探测器的束流损失探测系统。用蒙特卡罗软件对损失束流产生簇射电子的分布情况进行了模拟,为安装束损探测器位置提供了依据。搭建了包括探头、数据获取系统、数据传输系统在内的束损系统。对束损过程进行了详细的分析与描述。对北京正负电子对撞机多年的束损数据进行了整理分析,对其在丢束诊断、束流寿命研究等多个方面应用情况进行了总结。数据显示建立的束损系统工作状态稳定,是优化机器参数、改善束流寿命、分析丢束过程的有力工具。     

条形电极束流能散探测器

介绍了北京正负电子对撞机改造工程(BEPCⅡ)新安装的条形电极束流能散度探测器(BESM);对BESM无损束流能散度测量进行了理论分析以及对BESM进行了位置标定和灵敏度计算,并给出了该BESM位置灵敏度计算的误差分析.     

基于波形采样的CEPC电磁量能器读出单元测试系统

随着环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider,CEPC)方案的提出,由硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)和塑料闪烁体组成的读出单元作为电磁量能器的预研方案之一,逐渐成为研究热点。在探测器预研阶段需要对读出单元性能进行充分研究,因此我们设计了一套自动化测试系统用于对读出单元进行测试、分析并改善其性能。利用DT5751波形采样插件、SiPM驱动电路板、步进电机、低压电源、继电器等完成硬件搭建,以LabVIEW为开发平台完成了软件的串行协议接口之间的通信,实现了读出单元的自动化测试,编写了相应的数据处理程序。在此基础上进行了SiPM刻度、闪烁体发光均匀性以及反射材料对光输出影响的研究。测试结果表明,ESR反射膜包裹的塑闪条具有最高的光输出,塑闪条耦合10μm像素SiPM的光输出为耦合25μm像素SiPM的三分之一。     

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。     

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。     

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。