Libera Brilliance Single Pass束流位置处理器性能测试

在合肥光源(HLS)升级改造中,为了增强注入器的束流位置检测器(BPM)系统的整体性能,采用单次通过数字束流位置处理器(Libera Brilliance Single Pass)构成信号处理系统。首先对Libera Brilliance Single Pass进行了离线的性能测试,然后用它对条带BPM进行实验台标定,最后在合肥光源现有200 MeV直线加速器上进行了在线测试。结果显示其离线分辨力为4~17 m,优于原有对数比处理系统。在线水平和垂直分辨力分别好于26 m和19 m,优于原有系统的58 m和33 m。     

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。     

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。     

HLS新研制的束流位置探测器定标和误差分析

介绍了NSRL二期工程中,为存储环上注入段真空盒改造而新研制的8组束流位置探测器的定标和数据处理过程及其探头定标电场的拟合和误差计算结果.介绍了专门用于BPM信号处理模块的电子学系统以及它的运行性能.     

二维位置灵敏硅探测器的应用研究

对二维位置灵敏硅探测器进行了239Puα源刻度测试,并在弹性散射实验中使用了二维位置灵敏硅探测器.考察了两种定位方法在实验中与测试中的一致性.测量了二维位置灵敏硅探测器的能量分辨率、位置分辨率和位置畸变.对位置畸变进行了定性理论解释.     

改进后的BEPC储存环束流位置测量系统

介绍改进后的北京正负电子对撞机束流位置测量系统的软硬件结构和系统的性能.改进后系统的位置测量重复性优于10μm,测量一次闭轨的时间为11s,系统的动态范围大于81dB,最小可测束流强度低于0.5mA,测量结果的可信度是通过自洽检测来保证的.     

枕型二维位置敏感探测器的研制

证明了枕型二维位置敏感探测器设计的基本原理———Gear定理,并推导了适用于枕型二维位置敏感探测器的位置计算公式,此外还提出了枕型二维位置敏感探测器的制作工艺和测试结果。采用集成电路工艺所研制的枕型二维位置敏感探测器(光敏面为8 mm×8 mm)表现出良好的光电特性,当反偏为5 V时其暗电流约为15 nA,峰值时的光谱灵敏度超过了0.6 A/W。在所测量的 75%光敏区域内,均方根位置误差约为 0.135 mm,而以均方根位置误差表示的非线性度在1.1%左右,比四边形二维位置敏感探测器的位置线性度提高了近一个数量级。     

四边型位置敏感探测器位置公式的改进

四边形位置敏感探测器（PSD）的传统位置计算公式不能正确反映实际光斑位置,存在严重的枕形失真,需要进行复杂的修正.基于Lucovsky方程的解析解,提出了改进型的PSD计算公式,结果表明,采用改进型公式可以使用少量数据完成对PSD的非线性修正,极大地提高PSD中央大部区域的线性度.对于1×1 cm2的PSD,在60%光敏面的区域内均方根误差小于3 μm,非线性度小于0.05%,该公式适用于所有的四边形PSD,对于PSD的实际应用具有重要意义.     

HLS注入段束流位置探头定标电场的拟合和误差计算

 描述了束流位置探测器(BPM)探头定标、定标电场的拟合和误差计算。该定标系统采用了具有调节精度为10μm垂直放置真空管道的天线模拟定标装置和分辨率高达1μm外差式、窄带频域信号处理电子学线路。并推导出针对合肥光源（HLS）定标系统条件下的电场拟合函数及相关的BPM-Mapping图和误差计算结果,较精确地计算出该高精度定标系统误差。     

BEPCⅡ试验束束流位置探测器的研制

为实现试验束束流位置的非拦截测量,研制了3个条形电极束流位置探测器和一批真空定位子。利用高定位精度电控精度电控位移平台对这3个探测器分别进行了标定,随后进行了束流初步试验。探测器主要由位于真空管道内的4条1 mm厚不锈钢条带构成,条带上感应信号的大小反映束流位置的变化。给出了探测器的定标系数、系统特性阻抗和端口传输系数。     

BEPCⅡ试验束束流位置探测器的研制

 为实现试验束束流位置的非拦截测量,研制了3个条形电极束流位置探测器和一批真空定位子。利用高定位精度电控精度电控位移平台对这3个探测器分别进行了标定,随后进行了束流初步试验。探测器主要由位于真空管道内的4条1 mm厚不锈钢条带构成,条带上感应信号的大小反映束流位置的变化。给出了探测器的定标系数、系统特性阻抗和端口传输系数。     

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。     

用于合肥光源200 MeV直线加速器束流位置测量的信号处理系统

 合肥光源(Hefei Light Source,HLS)200 MeV直线加速器的束流横向位置是一个重要的运行参数,直接决定注入的效率,为此新开发了一种非拦截型、高精度、易于将测量结果数字化的条带电极束流位置测量系统（beam position monitor, BPM）,该系统由条带电极和信号处理系统组成。信号处理系统选用对数比的信号处理方法,由带通滤波器（BPF）、对数检波模块、信号放大器、模数转换模块和上位机组成。带通滤波器选用中心频率为2.856 GHz、带宽为10 MHz的腔体滤波器,对数检波模块采用对数放大器AD8313芯片,模数转换模块采用NI公司的PXI-5102,上位机的数据采集程序采用Labview编写。本系统有效地采用了虚拟仪器（VI）的技术,具有模块化、开放性、易于交互、可扩展的特点,测试结果表明,其分辨率达到0.1 mm,符合设计要求。     

用于合肥光源200 MeV直线加速器束流位置测量的信号处理系统

合肥光源(Hefei Light Source,HLS)200 MeV直线加速器的束流横向位置是一个重要的运行参数,直接决定注入的效率,为此新开发了一种非拦截型、高精度、易于将测量结果数字化的条带电极束流位置测量系统（beam position monitor, BPM）,该系统由条带电极和信号处理系统组成。信号处理系统选用对数比的信号处理方法,由带通滤波器（BPF）、对数检波模块、信号放大器、模数转换模块和上位机组成。带通滤波器选用中心频率为2.856 GHz、带宽为10 MHz的腔体滤波器,对数检波模块采用对数放大器AD8313芯片,模数转换模块采用NI公司的PXI-5102,上位机的数据采集程序采用Labview编写。本系统有效地采用了虚拟仪器（VI）的技术,具有模块化、开放性、易于交互、可扩展的特点,测试结果表明,其分辨率达到0.1 mm,符合设计要求。     

基于BEPCⅡ的腔式束流位置探测系统设计优化与线下测试

研究了基于BEPCⅡ直线加速器的腔式束流位置探测系统（CBPM）的设计。本方案给出的CBPM探头工作频率为S波段,束流管道半径23 mm,参考腔TM₀₁₀工作频率和位置腔TM₁₁₀的工作频率一致。由线下测试结果可知,CBPM实物特征参数与仿真结果一致,CBPM水平和垂直方向工作频率分别为2502 MHz和2503 MHz;垂直和水平的四个端口交叉隔离度均优于−44.7 dB;测量线性区域好于10 mm。射频前端电子学负责对CBPM探头的模拟信号进行滤波、放大和下变频等调制。将CBPM探头置于标定平台,对经过CBPM信号进行时域和频域分析,通过计算得到CBPM水平、垂直方向线下分辨率分别为2.87 μm、2.16 μm。     

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。     

加速器束流诊断技术的新进展

介绍了加速器柬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.柬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问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。     

面向脉冲星导航的聚焦型X射线探测器测试标定方法研究

通过脉冲星辐射信号特征研究和空间观测需求分析,提出了一种面向导航应用的X射线探测器测试方法.首先推导了X射线光子欠探测概率公式,分析了不同星源流量及不同探测器时间分辨率下对光子探测能力的影响.通过数值模拟方法建立了脉冲到达时间与脉冲轮廓相似度的关系.处理了我国硬X射线调制望远镜的Crab脉冲星观测数据,研究了不同能段脉冲轮廓差异.其次,系统地研究了面向导航应用的X射线探测器测试及处理方法,并利用地面测试系统完成了一款自主研发的聚焦型X射线探测器测试工作.通过数据分析得到,聚焦型探测器本底噪声为3.63×10-5ph/(cm~2·s~(-1)),工作能区为0.2～22.7keV,时间分辨率为4.17μs,空间响应约为5′,能量非线性为0.52%,能量分辨率优于200eV@5.7keV,典型探测效率为39.18%@4.51keV.聚焦型X射线探测器在弱脉冲信号及强背景噪声下,均能还原出Crab脉冲星脉冲轮廓,在2 400s内能够探测到辐射流量弱于背景噪声10倍的脉冲信号.结果表明,该款聚焦型探测器性能优秀,能够满足导航脉冲星(如PSR B1509)的空间观测需求,也验证了测试方法的可行性.