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。     

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。     

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。     

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。     

合肥光源逐圈束流位置监测系统中的定时系统

定时系统是合肥光源逐圈束流位置监测和相空间测量系统中的重要组成部分，其主要目的是为数据采集卡提供与环内电子束团同步的时钟信号。该系统包含高速ECL时钟成形、分频电路、程控延时电路、控制模块等部分。可实现延时范围0～220ns，最小延时步距0.5ns，调整精度0.1ns，时钟抖动小于200ps。系统控制软件基于客户/服务器结构，操作灵活、方便。     

合肥光源逐圈束流位置监测系统中的定时系统

 定时系统是合肥光源逐圈束流位置监测和相空间测量系统中的重要组成部分,其主要目的是为数据采集卡提供与环内电子束团同步的时钟信号。该系统包含高速ECL时钟成形、分频电路、程控延时电路、控制模块等部分。可实现延时范围0～220ns,最小延时步距0.5ns,调整精度0.1ns,时钟抖动小于200ps。系统控制软件基于客户/服务器结构,操作灵活、方便。     

合肥光源逐圈束流位置监测系统中的定时系统

定时系统是合肥光源逐圈束流位置监测和相空间测量系统中的重要组成部分,其主要目的是为数据采集卡提供与环内电子束团同步的时钟信号。该系统包含高速ECL时钟成形、分频电路、程控延时电路、控制模块等部分。可实现延时范围0～220ns,最小延时步距0.5ns,调整精度0.1ns,时钟抖动小于200ps。系统控制软件基于客户/服务器结构,操作灵活、方便。     

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。     

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。     

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。     

一种带有弹簧的丝型同步光位置检测器

介绍了合肥光源机器诊断光束线上具有弹簧系统的丝型光位置检测器,经过标定该检测器的线性范围大于4 mm,灵敏度约为0.197 9 mm-1。通过不同束流流强下同步光垂直尺寸的测量,发现束流流强对同步光垂直尺寸的影响不大,不需要对灵敏度进行修正。进行了无氧铜板施加正偏压的测量,在施加正偏压时能够提高线性范围和略改善信噪比。     

一种带有弹簧的丝型同步光位置检测器

 介绍了合肥光源机器诊断光束线上具有弹簧系统的丝型光位置检测器，经过标定该检测器的线性范围大于4 mm，灵敏度约为0.197 9 mm^-1。通过不同束流流强下同步光垂直尺寸的测量，发现束流流强对同步光垂直尺寸的影响不大，不需要对灵敏度进行修正。进行了无氧铜板施加正偏压的测量，在施加正偏压时能够提高线性范围和略改善信噪比。     

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。     

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。