数字束流位置探测器系统的信噪比需求分析

以高能同步辐射光源（HEPS）对BPM提出的位置测量分辨率要求为出发点,介绍了BPM系统的整体架构并推导出BPM系统的信号链路中各级信号所需达到的信噪比;并根据ADC采样数据的信噪比需求,计算出ADC采样时钟的抖动需求;最后介绍了能够测量BPM信号信噪比和采样时钟抖动的BPM测试平台。各项结论可以作为判断BPM系统各部分能否达到HEPS工程要求的标准。     

波导型钯(Pd)膜氢传感器数值模拟及优化

基于离子交换波导的集成型器件是氢敏传感器中很有发展潜力的一种. 传感区域由离子交换波导及其表面的金属钯膜组成, 通过有限差分法（FDM）计算了这种波导结构中的导模及表面等离子模的模场分布, 分析了其传播特性与钯膜光学常数的关系, 并结合束传播方法（BPM）对钯膜的厚度进行了优化, 使其具有最高的灵敏度.     

通过响应矩阵计算横向振荡的振幅函数和相位

 响应矩阵反映了束流位置监测器（BPM）位置处观察到的束流在校正铁磁场空间中的运行规律。根据电子储存环理论模型,采用迭代方法从实测响应矩阵计算束流横向振荡的振幅函数和相位。计算结果的精度主要受响应矩阵测量误差、BPM测量误差和校正铁电源刻度误差影响。计算响应矩阵的误差代表了迭代所采用的工作点的正确度,实际的工作点对应于计算响应矩阵的最小均方差,以此可推导实际的工作点。     

单次通过型束流位置探测器的束流位置测量方法

针对当前单次通过型数字束流位置探测器（BPM）有效采样点数少、数据信噪比低、测量分辨率差的问题，提出了一种基于“束流单次通过”的数字BPM测量改进算法。该算法通过模拟信号的功分-延迟-合成，增加了有效采样数据，并通过采样数据的截取与数据拼接、数字滤波等数据处理方式，提高了采样数据的信噪比，并最终实现了BPM测量分辨率的提高。实验结果表明，该算法在不改变模数转换器（ADC）采样率的情况下，将单次通过型BPM的测量分辨率提高了约2倍。该测量方法为提高单次通过型BPM的测量分辨率提供了一种新的解决方案，已成功应用于北京正负电子对撞机（BEPCII）和高能同步辐射光源（HEPS）直线加速器项目中。     

HLS Ⅱ储存环条带束流位置检测器的离线标定

针对合肥光源二期改造工程设计了一条带束流位置检测器(BPM), 用于储存环中束流参数在线测量。对条带BPM进行了位置信号的离线标定,采用差比和法和对数比法进行计算,获得了灵敏度系数、映射图和拟合经验多项式,发现采用对数比法得到的灵敏度大小和线性范围好于差比和法。对和信号进行离线标定,发现和信号相对中心位置处的归一化值在(-5 mm, -5 mm)到(5 mm, 5 mm)范围内变化不超过6%。该条带BPM也用来测量合肥光源储存环上束团横向四极振荡,所以需对横向四极分量进行标定。采用二维网格结构高斯加权法模拟高斯束团,使用差比和法进行计算,并将测量结果与模拟结果比较,发现横向四极分量随 (x2-y2)线性变化的灵敏度与模拟结果相同,均为0.001 1 mm-2。得到的拟合经验公式用于在线测量。     

上海软X射线自由电子激光束流准直

上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）对束流发射度增长的幅度有着较为严格的限制,传统的光学准直已经不能满足其要求。采用基于束流的准直方法可以实现更为精密的准直,使得直线加速器的准直误差进一步降低,以满足自由电子激光装置的要求。通过对不同条件下束流位置检测器（BPM）测得的数据采用最小二乘法算法进行计算分析,可以计算得到四极磁铁和BPM的准直误差,进而进行束流准直和轨道校正。基于以上原理,计算了各种元件误差对轨道和发射度造成的影响,同时基于Matlab平台设计了控制软件,模拟结果表明轨道偏离量可减少一个数量级。     

一种非正交对称条带束流位置监测器设计

介绍了一种条带束流位置监测器(BPM)的设计与仿真方法。在国家同步辐射实验室"太赫兹近场高通量材料物性测试系统"工程项目中,针对波荡器出口处真空室非正交对称性的问题,设计了矩形真空室和跑道形真空室下的两种非正交对称性条带BPM,并与传统的圆形真空室下条带BPM进行对比。基于边界元法,利用MATLAB软件分别对三种真空室下的条带BPM进行建模和仿真。仿真结果表明:相对于传统的圆形真空室下条带BPM,矩形和跑道形真空室下条带BPM灵敏度提高了30%,阻抗匹配误差相对降低了20%,束流位置拟合误差降低了80%。考虑加工精度,矩形真空室下的条带BPM更适用于该工程。     

合肥光源直线加速器BPM系统的研制和测量

合肥光源直线加速器新改造的BPM系统已经安装, 并做了在线的束流位置测量实验. 本文介绍该BPM系统的结构、作为系统核心部分的信号处理模块以及离线标定的实验结果和在线应用的实验结果, 表明该BPM系统具有不小于40dBm的动态范围, 不大于100μm的束流位置分辨率, 水平方向和垂直方向分别具有1.61dB/mm和1.51dB/mm的灵敏度. 校正铁强度与BPM读数关系的实验, 表明该BPM系统能正确地反映束流的位置变化情况, 并且确定了校正铁在水平方向和垂直方向的校正系数分别为0.46mm/A和0.58mm/A, 校正铁设置为默认值时该BPM处的束流中心水平位置和垂直位置分别为0.83mm和－0.57mm.     

用束流位置监测器测量上海光源束流寿命

通过理论分析研究了电磁耦合型束流位置探测器（BPM）用于束流寿命测量的可行性,并在上海光源储存环上进行了束流实验,对其性能进行了评估。实验结果表明,与目前常用的直流流强变压器（DCCT）系统相比,BPM给出的束流寿命具有更高的带宽和分辨力,有利于进行不同时间尺度的束流寿命评估,而且可以通过多个平均的方式来进一步提高测量精度。     

用极坐标下的广角光束传播法计算分析弯曲波导

采用了极坐标下的广角BPM(Beam Propagation Method)对弯曲波导进行了计算模拟,并与极坐标下近轴BPM方法进行了比较,取得很好的结果.     

强流脉冲束流位置探测器标定装置物理设计

从强流脉冲电子直线感应加速器电子束流位置探测器测量原理出发,进行了标定装置物理设计,确定标定装置采用同轴结构,对束流探测器位置测量精度和测量范围、偏心同轴线对位置标定结果的影响进行了理论分析,并根据分析结果确定同轴结构内外导体相对位置调节范围、同轴线长度和特性阻抗。电路模拟和实验测量结果验证了在非匹配传输条件下可以得到满足位置标定要求的快脉冲信号波形。     

Design and simulation of a beam position monitor for the high current proton linac

In this paper, the 2-D electrostatic field software, POISSON, is used to calculate the characteristic impedance of a BPM (beam position monitor) for a high current proton linac. Furthermore, the time-domain 3-D module of MAFIA with a beam microbunch at a varying offset from the axis is used to compute the induced voltage on the electrodes as a function of time. Finally, the effect of low 13 beams on the induced voltage, the sensitivity and the signal dynamic range of the BPM are discussed.     

Improving the beam propagation method for TM polarization

The beam propagation method (BPM) has been widely used in numerical simulations of optical waveguides that vary slowly in the propagation direction. However, when BPM is used over a large propagation distance, a significant amplitude error in the coefficient of the leading propagating mode can be observed. Energy-conserving corrections and the single scatter approximation have been used to improve the accuracy of the BPM.     

Improved first Rayleigh-sommerfeld method for analysis of cylindrical microlenses with small f-numbers

An improved first Rayleigh-Sommerfeld method (IRSM1) is proposed and applied to the analysis of cylindrical microlenses with small f-numbers. Numerical results obtained by both the IRSM1 and the original Rayleigh-Sommerfeld method (ORSM1) are compared with those obtained by the rigorous boundary element method (BEM). For both refractive and diffractive lenses, the results obtained by the IRSM1 are close to those obtained by the BEM even for small f-numbers; by contrast, the results by the ORSM1 differ significantly from those obtained by the BEM. Moreover, the IRSM1 uses much less time and computer memory in the computations than the BEM.     

数字束流位置探测器通道自动增益校准方法的研究与实现

在现有硬件基础上,基于BPM测量准确度的需求,在自制的电子学FPGA芯片内,通过Verilog语言实现了一种数字BPM采样数据增益自动校准的设计。首先介绍了自动增益校准模块的系统总体设计;然后对模块的实现方法做了详细说明,设计并搭建了ADC数据自动增益校准测试平台以验证自动增益较准模块的功能;最后介绍了该设计在BPM通道标定中的应用。实验结果表明,该方法可以实现4通道增益一致,使ADC采样后的数据幅度相同,有效解决了由通道增益不一致引起的测量偏差,以及工程应用中ADC数据幅度校准工作量大且难于操作的问题,将在BPM系统通道自动标定中发挥重要作用。     

边界元法分析二维线弹性裂纹扩展

用边界元法研究裂纹扩展过程.首先将尖端区域Williams渐近展开的特征分析法与边界积分方程结合,解出切口尖端附近应力奇异性区域的各应力场渐近展开项系数,获得平面切口/裂纹结构完整的位移和应力场.再基于考虑非奇异应力项贡献的最大周向应力脆性断裂准则,运用边界元法分析边缘含裂纹半圆形弯曲试样在荷载作用下的启裂方向,对裂纹扩展过程给出自动跟踪方法,通过算例证明边界元法模拟裂纹扩展过程的正确性和有效性.     

Shape design sensitivity analysis for the radiated noise from the thin-body

Many industrial applications generally use thin-body structures in their design. To calculate the radiated noise from vibrated structure including thin bodies, the conventional boundary element method (BEM) using the Helmholtz integral equation is not an effective resolution. Thus, many researchers have studied to resolve the thin-body problem in various physical fields. No major study in the design sensitivity analysis (DSA) fields for thin-body acoustics, however, has been reported.A continuum-based shape DSA method is presented for the radiated noise from the thin-body. The normal derivative integral equation is employed as an analysis formulation. And, for the acoustic shape design sensitivity formulation, the equation is differentiated directly by using material derivative concept. To solve the normal derivative integral equation, the normal velocities on the surface should be calculated. In the acoustic shape sensitivity formulation, not only the normal velocities on the surface are required but also derivative coefficients of the normal velocities (structural shape design sensitivity) are also required as the input. Hence, the shape design sensitivity of structural velocities on the surface, with respect to the shape change, should be calculated. In this research, the structural shape design sensitivities are also obtained by using a continuum approach. And both a modified interpolation function and the Cauchy principle value are used to regularize the singularities generated from the acoustic shape design sensitivity formulation.A simple annular disk is considered as a numerical example to validate the accuracy and efficiency of the shape design sensitivity equations derived in this research. The commercial BEM code, SYSNOISE, is utilized to confirm the results of the developed in-house code based on a normal derivative integral equation. To validate the calculated design sensitivity results, central finite difference method (FDM) is employed. The error between FDM and the analytical result are less than 3%. This comparison demonstrates that the proposed design sensitivities of the radiated pressure are very accurate.     

采用三维波束传输法的多模干涉耦合器成像位置的数值计算

多模干涉(MMI)耦合器需要精确定位成像位置,以便器件的设计制作。针对强限制和弱限制的三维多模波导干涉耦合器,采用三维交替方向隐式有限差分光束传输法(BPM),数值计算得出多模波导长度、输入波导和输出波导位置。首先通过对对称干涉多模干涉耦合器的数值分析求得多模干涉耦合器的等效宽度Weq及最低二阶模之间的拍长Lc,然后将这些参量结合光束传输法直接用于器件设计。计算显示该方法得到的成像位置和导模传输分析法(MPA)的理论预测比较接近,但Weq和Lc却是由光束传输法计算得到的,导模传输分析法理论只能在得到Weq和Lc的前提下才能得到成像位置。该方法直接针对三维波导进行,没有采用基于等效折射率方法的从三维波导到二维波导的简化处理,并且也没有采用导模传输分析法所采用的近似,保证了计算精度,对于实际多模干涉器件的设计制作可起参考作用。