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。     

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。     

基于BEPCⅡ数据的数字束流位置测量器算法离线分析

介绍了数字BPM算法的原理和架构,并基于高能物理研究所自制的数字BPM硬件平台获取了BEPC Ⅱ束流流强为600 mA条件下的ADC采样数据。然后在MATLAB环境中设计了NCO模块、CIC滤波器、FIR滤波器以及BEPC Ⅱ束流逐圈位置数据计算模块,并给出了各模块的具体设计参数。最后通过实际ADC数据对各算法模块进行检验,给出了各模块处理后的频域分析结果,并得到了实际束流下水平方向和垂直方向上的逐圈位置分辨率分别为4.55 μm和4.28 μm,为FPGA在线算法的实现与优化提供了可靠的理论依据。     

用于激光驱动质子束测量的腔式束流位置探测器模拟研究

根据激光驱动质子束流低发射度、短脉冲、单束团低电量的性质,研究腔式束流位置探测器(BPM)测量激光加速器产生的质子束团横向位置的可行性问题。针对质子束团的大横向分布和发散角问题,推导了其通过腔式BPM的输出信号,结果表明该信号与集中从束团对称中心、倾斜一定角度通过的束流产生的输出信号相同。依据上述原理,使用CST软件进行了腔式BPM的设计和仿真,确定了矩形谐振腔波导耦合的方案。讨论了该方案的腔式BPM对于激光加速束流的适用性和不同激光驱动质子束流参数的分辨率,并针对PW级激光加速系统进行了分辨率估算。     

加速器束流测量中的数字系统设计

加速器柬流测量系统中的数字技术主要是处理安装在真空管道里的探测器感应出的束流电信号,这个电信号包含丰富的束流信息,如柬流位置,工作点,束团长度等,所以采用一套数字化平台,经过不同的软件分析,就可得到许多的加速器束流参数.本论文为建立这样一套数字化平台做了一些尝试,设计了高速高精度采样处理系?它采用软件无线技术,包含独立的四通道高速中频采样处理电路.本系统已经在HLS上采用频率谐波法测量了束团长度,另外在实验室配以RF前端模块模拟了BPM测量.达到了预先的设计目标.最后提出了对系统的改进,可以采用Ethernet代替VME总线,在500MHz直接采样,及使用FPGA来实现DDC,SP,IFO,thernet等功能,这些将是下一步设计目标,最终实现.商业化产品的目的.     

数字BPM时钟锁相电路的设计与实现

为实现数字BPM时钟系统的锁相,设计了一种基于锁相环同步原理的低抖动、低相位噪声的时钟同步系统。根据锁相环电路工作原理,对数字BPM时钟同步系统的硬件及固件程序进行了设计,实现了外部输入时钟信号与系统内部产生的主工作时钟信号的锁相,并且时钟信号输出的频率及相位均可调整以满足后端ADC采样的要求。测试结果表明,设计可以完成对一定频率范围内变化的外部输入时钟信号的锁相,输出时钟信号抖动满足束流实验要求,为数字BPM后续算法研究提供了基础。     

数字BPM时钟锁相电路的设计与实现

为实现数字BPM时钟系统的锁相,设计了一种基于锁相环同步原理的低抖动、低相位噪声的时钟同步系统。根据锁相环电路工作原理,对数字BPM时钟同步系统的硬件及固件程序进行了设计,实现了外部输入时钟信号与系统内部产生的主工作时钟信号的锁相,并且时钟信号输出的频率及相位均可调整以满足后端ADC采样的要求。测试结果表明,设计可以完成对一定频率范围内变化的外部输入时钟信号的锁相,输出时钟信号抖动满足束流实验要求,为数字BPM后续算法研究提供了基础。     

直接中频采样PCM／FM数字接收机的设计与实现

近年来，随着软件无线电技术，数字信号处理技术以及大规模可编程器件、高速ADC芯片的长足发展和进步，数字接收机设计已成为接收机技术的发展方向。理想软件无线电技术要求对射频信号进行直接采样，而将尽可能多的通信功能用软件加以实现，但目前的技术要实现这一目标还存在不小的困难，一种比较切实的方案是对中频信号进行采样，而将信号的解调、解扩、均衡、判决等处理任务用DSP或FPGA加以实现，从而构成直接中频采样的数字接收机。     

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。     

自发参量下转换双光子场绝对校准光电探测器的方法研究

讨论了一种基于自发参量下转换双光子场绝对校准光电探测器灵敏度的新方法,着重推导了对自发参量下转换过程中产生的单光子的探测概率和双光子的符合速率,从而阐明了绝对测量光电探测器量子效率的原理.基于这一方法对光子计数型光电倍增管的响应灵敏度进行了测量,并将实验结果与常规方法测得的结果进行了比较. 关键词：     

A new measurement method for electrode gain in an orthogonally symmetric beam position monitor

The new beam position monitor (BPM) system of the injector at the upgrade project of the Hefei Light Source (HLS Ⅱ) has 19 stripline beam position monitors. Most consist of four orthogonally symmetric stripline electrodes. Differences in electronic gain and mismachining tolerance can cause changes in the beam response of the BPM electrodes. This variation will couple the two measured horizontal positions, resulting in measuring error. To alleviate this effect, a new technique to measure the relative response of the four electrodes has been developed. It is independent of the beam charge, and the related coefficient can be calculated theoretically. The effect of electrode coupling on this technique is analyzed. The calibration data is used to fit the gain for all 19 injector beam position monitors. The results show the standard deviation of the distribution of measured gains is about 5%.     

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。     

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。     

用束流位置监测器精确测量储存环流强

束流位置监测器（BPM）是粒子加速器束测系统中最为常见的元件,该探头输出信号中除包含束流位置信息外还包含电荷量等其它信息,可作为多参数束流诊断设备。采用BPM理论分析和数值仿真分析相结合的方法讨论了该种探头同时用于束流流强测量的可行性。在上海光源储存环上进行了束流试验,测定了全环140个BPM的流强标定系数,对BPM用于流强测量的分辨率、束流位置依赖性、频率依赖特性进行了测试,根据实验结果讨论了该方法在当前技术条件下所能达到的性能及其局限性。     

强流脉冲电子束位置测量探头标定结果不确定度分析

根据探测器测量原理和标定方法、特点,分析其位置测量的不确定度主要来源于测量过程的A类不确定度、B类不确定度和最小二乘法引入的拟合不确定度,确定了各个不确定度的计算方法,得到了探测器的合成不确定度,对于应用于神龙二号直线感应加速器的电阻环和磁探测器,其合成不确定度约为0.1 mm。     

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。     

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。     

采用对数比处理技术的同步光位置测量系统

 对于双丝型同步光位置检测器，对数比处理技术较差比和处理技术具有更宽的线性范围和动态范围。利用美国BB公司的高精度对数运算放大器LOG112实现电流电压转换，研制了一种采用对数比处理技术的同步光位置测量系统，垂直方向光位置测量分辨率约为1 μm，线性范围大于±3 mm。与合肥同步辐射光源原有同步光位置测量系统相比，具有较高的性价比。     

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.