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。     

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。     

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。     

主成分分析方法在空间干涉仪图像处理中的应用

在干涉仪图像数据处理过程中,目前采用的多行平均图像处理算法会引入较大随机误差,且当CCD相机与狭缝之间存在小转角时,会引入较大系统误差。本文主要探究利用主成分分析（PCA）算法处理空间干涉仪图像的可行性与优势。利用MATLAB模拟空间干涉仪图像,并加入随机噪声和图像旋转,利用PCA方法和多行平均算法处理数据,比较两种算法的得到的结果误差大小。并设计CCD相机小转角实验和干涉图像弱信号实验,评估PCA算法在数据处理过程中纠正CCD相机小转角和重建弱信号图像中的效果。理论和实验均证明,PCA算法较目前多行平均算法,能更有效地降低噪声,分析弱信号图像及纠正CCD相机小转角,消除其带来的系统误差。     

Performance evaluation of BPM system in SSRF using PCA method

The beam position monitor (BPM) system is of most importance in a light source. The capability of the BPM depends on the resolution of the system. The traditional standard deviation on the raw data method merely gives the upper limit of the resolution. Principal component analysis (PCA) had been introduced in the accelerator physics and it could be used to get rid of the actual signals. Beam related information was extracted before the evaluation of the BPM performance. A series of studies had been made in the Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) and PCA was proved to be an effective and robust method in the performance evaluations of our BPM system.     

束流轨道与相关环境参数的同步诊断技术

粒子加速器由于受地基振动、环境温度、热效应等因素的影响,导致束流位置探头(BPM)所在真空盒的机械中心相对四极铁磁中心的漂移较大,因此很难提高束流轨道的绝对测量精度。探索利用电容式探头实时检测该漂移量的方法。首先分析了电容式探头的测量原理,并设计了轨道振动同步诊断方案,然后设计了专用探头,并利用数据采集设备对探头的线性度、精度和频率响应进行实验室测试。结果显示电容式探头能检测到2μm的相对位移,且可有效检测300Hz以下的振动频率,可用于束流轨道与相关环境参数的同步诊断。     

高重频束流采集处理器原型样机的设计

为了实现对高重频硬X射线自由电子激光装置(SHINE)条带型BPM(Beam Position Monitor)系统信号的数字化采样和处理,研制了高重频束流采集处理器原型样机。处理器拥有四通道输入,最高达1 GSps的采样率,16 bit采样位数,采用XILINX公司带有嵌入式CPU(Central Processing Unit)的ZYNQ系列FPGA(Field Programmable Gate Array),可以运行Linux系统,同时可以实现高速采样数据的缓存与读出。处理器采用子母板结构设计,子板为ADC(Analog To Digital Converter)采样板,母板为FPGA数字处理板,子母板通过FMC(FPGA Mezzanine Card)接口进行数据传输。ADC采用JESD204B协议进行数据传输,子母板间通过16对差分信号连接通道,最大总传输速率达到80 Gbps。ADC采样数据传入数字母板后,经过FIFO和DDR的缓存,最后通过TCP/IP协议由RJ45接口传输到上位机进行处理和分析,RJ45接口的数据传输速率约为900 Mbps。经过测试,ADC采集子板的带宽高于480 MHz,且在480 MHz带宽内有效位高于10位。FPGA数字母板运行经Petalinux编译的Linux系统,可以实现对连续或者触发模式下,四通道一百万个采样点的存储与数据传输。整个设计可以满足设计要求。     

用横向反馈系统对上海光源多束团不稳定性的诊断

在上海光源二期升级改造过程中，为了解和追踪由阻抗引起的多束团不稳定性变化以及升级后的横向反馈系统对这种不稳定性的抑制效果，在机器研究中利用新反馈处理器的诊断工具记录了束流不同状态下的横向运动过程，分析得到了最主要的横向多束团不稳定模式在束流稳态、注入瞬态以及增长-衰减过程中的变化情况，评估了横向反馈的作用效果，计算出该模式增长率/阻尼率以及增长率与束流的依赖关系。     

上海光源工作点在线监测系统

上海光源储存环运行在恒流注入(top-up)模式下每10min注入一次,注入引起的β振荡为测量工作点提供了有利条件。通过数字束流位置处理器采集储存环注入时的逐圈数据,对数据进行快速傅里叶变换计算获得工作点,以此搭建了刷新间隔为10min的工作点在线监测系统。2014年上半年的运行结果表明,该系统能够有效检测工作点变化并评估加速器工作点可达到的最优性能。利用该系统能够及时发现加速器运行异常,并结合各设备运行状态可有效定位异常原因。