BEPCⅡ逐束团测量系统的研制及应用研究

基于北京正负电子对撞机二期工程储存环,研制了一套逐束团束流测量系统。系统包括模拟前端、数据采集处理控制和显示软件三个部分。储存环束流位置探头的四路信号作为逐束团测量系统的输入,该系统宽带模拟前端完成信号幅度相位的调理,并保证束团间无干扰;四路500 MHz模数转换器对信号采样实现逐束团测量;基于现场可编程门阵列的数字信号处理逻辑计算得到每个束团的位置。系统在线实时束流位置测量分辨率优于4.5μm,同时该测量系统可实现实时逐束团振荡幅度和工作点的测量。系统还拥有存储大容量逐束团原始数据的功能,为日常的机器研究提供了有力的测量手段。     

合肥光源逐束团测量和横向束流反馈系统设计

 介绍了在合肥光源开展逐束团测量（横向和纵向）和横向束流反馈系统研究和研制的重要性,同时还介绍了设计思想。合肥光源高频频率为204 MHz，因此，系统至少需要100 MHz的带宽。还较详细地介绍了宽带部件和系统参数的选择原则。该系统不仅可用于研究由于高频腔中的高阶模和真空室的阻抗壁效应所引起的耦合束团不稳定性，而且还能抑制耦合束团不稳定性振荡、快速束流离子不稳定性和注入大幅度振荡等，从而将提高机器的运行性能。     

合肥光源逐束团相位测量及纵向不稳定性诊断

为了研究储存环束流多束团纵向运动特性,在合肥光源（HLS-II）上研制了一套逐束团相位测量系统。该系统利用示波器直接采集BPM和信号,采用过零点检测法、时间差分（Temporal Difference, TD）法相结合的方法从BPM和信号中提取出逐束团相位。介绍了逐束团相位测量系统的系统构架、相位提取方法以及在HLS-II上的一些实验结果。通过对该系统记录的5 ms时间长度的逐束团多圈相位数据的离线分析,得到多束团纵向运动的同步振荡的频率、纵向工作点、束团振荡的模式信息以及振荡模式增长率等特征信息,诊断出HLS-II在top-off恒流运行期间存在2个较强的纵向耦合束团不稳定模式,并提取出了2个振荡模式的增长率。该系统的逐束团相位测量结果及相关纵向不稳定性分析可为机器研究、纵向反馈系统调试评估及高频RF系统的性能评估等提供参考。     

改进的合肥光源逐束团流强测量方案

 对于多束团运行的储存环，逐束团流强的测量是研究注入填充和束流不稳定性阈值等的重要内容。介绍了加速器常用的一些逐束团监测手段，在此基础上，利用HLS（Hefei Light Source）现有的逐束团测量设备，并配合相应前端信号处理电路，进行了HLS储存环逐束团流强测量。实验线路方面，在传统的高频频率倍频信号检波的基础上，尝试了新的与同步方波信号检波的方法。分别在多束团和单束团情况下对HLS的束团流强进行了连续检测实验，对实验结果进行线性拟合，得到了定标结果，结果表明系统的1阶线性拟合标准偏差均在1%左右；最后对其中非线性部分的物理本质进行了解释。     

基于积分束流变压器的加速器束团电荷量测量系统

 为满足清华大学加速器实验室光阴极微波电子枪实验平台的发展需求，设计了束团电荷量测量系统，可以实现实时测量加速器束团电荷量的目标。这套测量系统基于积分束流变压器，包括前置放大器、门控积分器、模数转换和数据传输模块。利用信号发生器模拟束流，对整套系统进行了离线测量实验。当前置放大器放大倍数取200和20时，AD转换值和束流电荷的比值分别为2.181 PC-1和0.195 PC-1，与理论值2.070 PC-1和0.207 PC-1基本吻合；其对应的电荷量测量误差分别小于2 PC和15 PC。测量结果和模拟束流电荷量值的拟合曲线线性度好，相关系数的平方均大于0.999 0。该结果验证了系统的可行性。     

HIAF-BRing束团合并过程中的束流负载效应模拟

强流重离子加速器HIAF-BRing在加速完成后进行束团合并，为研究BRing中的束流负载效应对束团合并的影响，对238U35+束流进行了粒子跟踪模拟。模拟结果显示，在束团合并过程中，束流负载效应引起束团长度和束团中心位置的振荡，导致束流动量分散和束团长度的增长。束团合并过程中尾场电压以及不同束团间尾场的耦合导致的势阱畸变，是引起束团长度和束团中心振荡及束流发射度增长的原因。为了降低束流负载效应的影响，采用多谐波前馈系统进行补偿，达到了补偿束团合并过程中的束流负载效应的目的，从而确保了BRing中引出束流的品质，同时根据模拟结果确定了前馈系统需要覆盖的频率范围和需要补偿的最大尾场电压。     

用于HLS单束团运行模式的高频剔除系统

 介绍了主要用于实现合肥光源单束团运行模式的高频剔除（RFKO）系统。该系统完全基于仪器设备(分频器、波形发生器、宽带放大器和具有I/Q调制功能的矢量信号发生器)，无任何专门设计的电子线路。高频剔除的原理是激励粒子横向振荡而丢失。激励信号产生的过程是：将取自储存环高频系统的信号进行分频，得到束团同步信号；用束团同步信号触发波形发生器，生成窄脉冲；该窄脉冲调制信号发生器，输出高频剔除信号，放大后加在条带电极上，进行束团剔除。目前获得了18 mA的单束团最高流强。改变分频数和脉冲长度，可得到其它一些周期性填充模式，其中3串6束团以及非均匀填充模式得到了实验验证。     

小波分析方法在合肥光源逐束团测量系统中的应用

介绍了小波分析方法在逐束团束流位置测量系统中的应用。小波分析方法在高频处频率窗口较宽,具有较高的时间分辨力,使用小波分析可分离并提取信号的振荡成分及基线漂移成分,各成分在时间轴上的位置与原信号相同,原有的线性关系保持不变,在处理非平稳信号时不会造成信号明显劣化,如幅度失真和相位偏差。基于小波分解和重构的时间序列多分辨力滤波处理非平稳信号时不会造成信号明显劣化,保证了追踪束团振荡强度、相位、频率和振荡模式随时间变化的结果更真实可信。在合肥光源中,小波分析方法成功用于横向振荡振幅包络的提取及增长率、阻尼率的计算,也可用于提取横向振荡振幅包络及计算增长率和阻尼率,为机器研究、束流诊断和逐束团反馈系统调试提供了准确的依据。     

模拟低频反馈系统的初步尝试

 为了提高注入束流的积累，抑制由于注入系统误差引起较大的β残余振荡是非常有必要的。较系统地介绍了利用合肥光源逐圈测量（turn by turn）系统［１］，研究束流不稳定性，并给出了抑制注入β振荡的反馈系统设计原理和线路及初步实验结果。作为原理论证和预研，使用了一个相对简单的模拟滤波移相器对Kicker过程激发的β振荡进行反馈，得到了明显的对damping时间和振荡幅度的抑制作用，为以后低频和高频逐束团（bunch by bunch） 反馈系统研制和抑制束流的横向和纵向不稳定性的研究打下了良好的基础。     

基于对数比电路的HLS turn-by-turn系统

 较详细地介绍了合肥光源逐圈束流位置测量(turn-by-turn)系统设计思想和理论分析。该系统是为了判定二期工程升级后的注入系统的注入效率和Damping率,研究Beta振荡和轨迹瞬时变化以及其他束流动力学问题如工作点变化等的研究而研制。选择了新近受到广泛重视的对数比电路服务束流瞬时位置信号的处理。利用工作在204MHz的对数比电路完成被激励束的turn-by-turn位置测量和相空间检测。给出了该系统各部分性能和理论分析结果，介绍了快速多通道ADC在该系统的数据获取中的应用。     

中国散裂中子源快循环同步加速器壁电流探测系统

在中国散裂中子源工程中, 快循环同步加速器负责将剥离注入的能量为80MeV的质子束加速至1.6GeV后引出。在快循环同步加速器上共安装了两台壁电流探测器, 用来观测束流从注入至引出过程中束团在时域上的变化情况。详细介绍了壁电流探测器在陶瓷间隙、磁性材料和匹配电阻等方面的设计考虑, 以达到带宽满足百kHz到30 MHz的设计目标, 并对实际带束流测量结果进行分析讨论。经实际在线运行测试, 此壁电流探测器完全满足束流调试及运行需要。     

逐圈测量系统定标和新近实验结果

 主要介绍了合肥光源储存环上，正在应用和改进中的逐圈测量系统的定标和灵敏度；比较和分析了利用该系统获得的储存环200MeV 和 800MeV damping时间测量结果；在环注入调试中发现了束流积累限制的原因。它不仅可测到储存环的damping时间、beta振荡幅度和工作点瞬时变化，而且是研究抑制环的束流不稳定性和提高注入积累效率的重要测量手段。系统使用对数比电路完成位置信号处理，具有宽的动态范围和带宽以及好的线性度和稳定的运行性能，而且造价低廉，易实现。     

The stimulated Breit-Wheeler process as a source of background <Emphasis Type="Italic">e</Emphasis><Superscript>+</Superscript><Emphasis Type="Italic">e</Emphasis><Superscript>−</Superscript> pairs at the international linear collider

Passage of beamstrahlung photons through the bunch fields at the interaction point of the ILC determines background pair production. The number of background pairs per bunch crossing due to the Breit-Wheeler, Bethe-Heitler and Landau-Lifshitz processes is well-known. However, the Breit-Wheeler process also takes place in and is modified by the bunch fields. A full QED calculation of this stimulated Breit-Wheeler process reveals cross-section resonances due to the virtual particle reaching the mass shell. The one-loop electron self-energy in the bunch field is also calculated and included as a radiative correction. The bunch field is considered to be a constant crossed electromagnetic field with associated bunch field photons. Resonance is found to occur whenever the energy of contributed bunch field photons is equal to the beamstrahlung photon energy. The stimulated Breit-Wheeler cross-section exceeds the ordinary Breit-Wheeler cross-section by several orders of magnitude and a significantly different pair background may result.      

皮秒扫描相机在加速器研究中的应用──监测电子束团的纵向分布

本文描述了一台基于皮秒扫描机机的电子束团纵向分布(电子束团长度)测试系统,报道了应用这套系统在中科院高能物理所北京自由电子激光装置(BFFL)S波段射频直线加速器、正负电子对撞机(BEPC)和中国原子能科学研究院L波段注入器(LBINJ)上开展的测量工作.     

Bunch compression at the SPring-8 linac and successive generation of THz pulse train in the isochronous ring

We have demonstrated the idea of circulating a short, intense linac bunch for some tens of turns in an isochronous ring. We compressed a bunch from the SPring-8 linac to a few picoseconds rms by means of an energy compression system and a beam transport line from the linac to NewSUBARU. The NewSUBARU storage ring was set to a quasi-isochronous condition and the bunch circulated for about 50 turns after injection while maintaining the short bunch length. At the same time, a pulse train of strong coherent synchrotron oscillation from the short bunch was observed.