合肥光源逐束团测量系统研制

 逐束团测量装置属于宽带和实时测量，足以分辨重复频率为204 MHz的相邻束团的信号，设计功能包括横向水平和垂直Beta振荡，纵向同步相位振荡，束团填充等信息的实时检测。对信号频谱分析，系统参数设计，前端射频检测，锁相环信号合成，高速数据采集以及基于PXI的整个系统作了详细介绍，分析了若干调试和实验结果，并讨论了合肥光源储存环目前存在的不稳定性及该测试手段在诊断中的应用。     

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。     

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。     

数字束流位置信号处理算法优化

在已有束流位置信号下变频算法的设计与实现的基础上,优化了算法时序,设计实现了数字自动增益控制、慢应用信号处理等模块功能,能获得逐圈、快应用及闭轨数据。上海光源储存环上的束流测试结果显示,处理器可正确获取包含束流真实运动的多速率位置数据。在174 mA储存环流强、500个束团的填充模式时,逐圈位置数据分辨力达到0.84 m,快应用位置数据分辨力达到0.44 m,闭轨位置数据分辨力达到0.23 m,性能满足设计要求。     

BEPC Ⅱ储存环逐束团丢束监测系统及应用

针对北京正负电子对撞机二期工程(BEPCⅡ)在高流强下运行经常出现的突然丢束问题,研制了基于逐束团测量的丢束监测系统。束流位置探头(BPM)的四路电极信号作为监测系统的信号源,四路高速模数转换器(ADC)和现场可编程门阵列(FPGA)进行模拟信号的数字化和数字信号的处理。通过获取丢束前每个束团的位置和流强等信息来分析引起丢束的原因。结合加速器硬件情况,长时间对丢束监测系统数据的分析,以及设计的对比实验,深入研究丢束问题。系统对高频系统故障、束流不稳定性和磁铁电源系统不稳定等原因引起的丢束现象可以做出准确的判断,进而为加速器稳定运行提供优化方向。     

微带传输线束流信号展宽处理设计

对束流信号进行展宽处理是储存环逐束团位置测量RF前端设计的重要工作之一。针对上海光源储存环束流信号的特点，对束流信号展宽进行分析，采用低通滤波器和包络检波联合的方法对信号进行展宽。考虑到实现过程需要对信号进行ps量级的延时，使用微带传输线对该方法进行了具体设计。对微带传输线等效为集总参数LC元件进行推导以进行低通滤波器设计，给出了阻抗匹配方案以实现宽带功率分配器与合成器。仿真和实测结果表明，所设计的电路能够对束流信号进行有效展宽处理。     

升级的合肥光源闭轨测量系统及其应用

 描述了合肥同步辐射光源二期工程中，电子储存环升级的闭轨测量系统及其在设备研制中的应用。介绍了性能稳定可靠的Bergoz束流位置监测电子学信号处理器。升级后的闭轨测量系统中处理电子学电路的束流位置分辨率可达1μm，系统误差小于10μm。整个测试系统的分辨率小于3μm。利用该高精度闭轨测量系统和基于束流准直系统完成了束流准直四极铁磁中心的测量，并和控制系统完成了储存环全环闭轨反馈校正试验。一个完整的束流位置监测系统已投入了在线运行，保障了为用户提供高稳定高品质的光源。     

BEPC横向阻尼时间的测量

 利用逐束团测量系统在BEPC储存环中跟踪单个束团得到其多圈位置振荡信息，获得BEPC储存环的横向阻尼时间与束流流强、色品、八极子和束流能量的关系，并通过分析得到了BEPC储存环辐射阻尼时间为52 ms。实验结果表明：流强越高、色品越大，阻尼率也就越大；束流流强为4.7 mA时八极子强度的变化对阻尼率没有影响；束流流强为5 mA时，阻尼率随束流能量升高而减小。     

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。     

基于导频技术的数字束流位置测量系统的研制

为改善传统的束流位置测量电子学系统受电子学通道非线性、温度漂移和系统噪声等因素对位置测量精度带来的影响,介绍了一种新型的基于导频技术的数字束流位置测量电子学系统。该系统硬件包括模拟信号采集电子学、数字信号处理电子学和PTC(导频信号耦合)模块;软件包括顶层应用软件和底层驱动,束流信号与导频信号在耦合电路中耦合后,经电子学处理,在FPGA中计算得到归一化后的束流位置信息。实验室测试结果分析,经导频信号归一化处理后能够有效改善各通道随温度变化的现象,束流位置漂移从4.5 μm改善至0.5 μm,分辨率从57.25 nm提升到13.37 nm,并且进行导频信号开关实验更加直观观测导频信号对束流位置测量的在线校正效果。设计的基于导频信号的数字束流位置测量（DBPM）电子学可以高效、实时地实现对加速器束流位置的在线校正,提升电子学系统的实时分辨率性能。     

基于FPGA的储存环束流轨道联锁系统设计

上海光源储存环束流轨道联锁系统是加速器机器联锁保护系统(MPS)的重要组成部分,针对日常供光和机器研究的需求,需要对束流位置测量系统前各Libera电子学输出的联锁信号进行标记,以区分联锁信号的先后顺序和误报的联锁信号,同时触发所有Libera电子学前锁存逐圈(TBT)数据。新的联锁系统将所有联锁信号通过光纤传输汇总至FPGA数据采集板卡进行甄别,并将该系统集成储存环EPICS控制系统中。实验室测试显示该系统能够能够分辨数十ns范围内模拟的联锁信号,同时输出特定的触发信号至对应的Libera电子学,表明该系统达到设计要求。     

上海软X射线自由电子激光装置直线加速器束流位置测量系统研制

上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）作为中国第一台工作在软X射线波段的第四代光源,其产生的激光具备短波长、全相干、超高亮度、超短脉冲长度等优点,预期将会在基础科学研究领域中发挥出重要的作用。基于直线加速器的特点和需求,在SXFEL的注入器与直线加速段上选择了条带型束流位置测量系统（SBPM）作为束团位置测量工具。该系统由SXFEL束测团队自主研发设计,由条带探头、前端信号调理电子学与专用数字信号束流位置处理器（DBPM）组成,系统设计上借鉴上海同步辐射光源（SSRF）的同类型设备,并根据SXFEL的特点做了进一步的优化,束流实验结果表明该系统位置测量系统分辨率好于5.7 μm@188 pC,达到国际先进水平,满足了SXFEL注入器和直线加速器段对束流位置测量分辨率的设计要求。     

BEPCⅡ束流损失探测系统及其初步应用

束流寿命是衡量储存环性能的重要参数, 它直接影响到储存环能否正常运行. 采用束流损失探测系统通过探测束流损失的地点, 可以为分析束损原因、优化机器参数和提高束流寿命提供依据. 介绍了北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)束流损失探测系统的基本情况: 前端束流损失探测器输出的脉冲信号送到下位机进行处理, 通过CAN总线将所有的下位机连接到位于本地站的前端PC机, 此PC机再通过以太网与中控室的PC机或工作站进行数据通讯, 最终实现对束流损失的实时监测、数据存储, 并能对历史数据进行处理, 达到实时显示全环束损分布的目的. 文章最后还简要介绍了整个系统在BEPCⅡ调束过程中的初步应用.     

加速器束流诊断技术的新进展

介绍了加速器束流诊断技术的新进展, 包括束流位置测量技术、束团横向尺寸测量技术和束团长度测量技术. 束流位置测量技术主要介绍具有高位置分辨率的腔型束流位置检测器和数字束流位置处理技术. 束团尺寸测量技术主要介绍高空间分辨率的激光丝扫描器、光学渡越辐射和光学衍射辐射技术. 束团长度测量技术主要介绍高时间分辨率的相干辐射光谱技术、RF横向偏转腔、RF零相位技术和电光采样技术.     

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。     

一种测量电子束微脉冲时间抖动的新方法

 提出了一种高灵敏度电子束微脉冲时间抖动的测量方法。该方法采用传统的测量束团位置及电荷量的四条带束流位置探头，用混合环对感应信号进行处理，对共振频率为2.856GHz的谐波分量用MIXER与2.856GHz的参考信号进行相位比较，并由此得到电子束团微脉冲时间抖动值。     

HLS-Ⅱ直线加速器能量调节及应用

为了高效地对直线加速器输出束流能量进行调节,设计了合肥光源（HLS-II）直线加速器束流能量调节方案。该方案在调试阶段通过能谱分析系统观察束团状态并测量束流能量,储存环注入阶段使用3个束流位置探测器（BPM）对束流能量进行在线测量;使用自动相位扫描程序对速调管输出相位进行扫描,获得各加速段的能量增益公式;定量调节速调管的输出相位和高压,实现直线加速器输出束流能量的快速调节。在线应用结果表明,该方案能快速实现束流能量调节,调节后的束流具有良好品质,束流横向能散小于0.22%,注入速率明显改善。     

基于束流位置探测器的束团长度测量

分析了驱动电子束团的频域特性,研究了基于该特性进行长度测量的理论基础;使用三维模拟软件对束流位置探测器(BPM)进行建模,用模拟的方法对传输阻抗进行了数值计算;对不同长度的束团进行了测量和计算,并且分析了束团位置在真空管道中偏移对束团长度测量的影响。由测量结果可见,电子束团长度在10~100 ps(3~30 mm)时,测量误差均小于2%,满足中国工程物理研究院高平均功率自由电子激光太赫兹实验测量的使用要求。     

模式独立分析方法在加速器逐束团研究中的应用

在加速器束流诊断中,为了对获取到的逐束团位置数据降噪处理,以获得测量精度更高的数据用于进一步研究,上海光源束测组在束流注入阶段位置数据分析中引入并扩展了模式独立分析方法。将此方法中的数据处理对象由多个束流位置探头获取到的逐圈位置数据矩阵更改为单探头逐束团多圈位置矩阵,通过对矩阵进行奇异值分解提取其主要运动模式。此方法有效地将随机噪声与具有物理意义的真实信号分离开来,提取出加速器物理学家真正关注的束流运动模式,便于后续的束流不稳定性分析。     

上海光源储存环轨道噪声分析

利用上海光源束流位置测量系统Libera电子学对储存环轨道数据进行了测量,分析了Libera对束流位置测量系统探头信号的处理过程,应用MATLAB软件对数据进行了处理,采用Welch方法对轨道噪声数据进行了功率谱和积分功率谱分析,获得了主要噪声源的相关信息,为消除噪声、提高轨道稳定性提供了依据。实验结果表明:在储存环的不同位置,噪声功率谱的结构具有相似性;尽管不同频段噪声对功率谱影响不同,但是噪声源主要来自于低频段的地基振动、支架共振和磁铁电源。