边界元法计算束流位置探测器的灵敏度系数

为满足高能同步辐射光源（High Energy Photon Source,HEPS）束流位置测量的需求,研制了各种类型的束流位置探测器（Beam Position Monitor,BPM）。位置灵敏度系数是BPM的一项重要参数,通过它可以精确计算束流的位置。使用边界元法计算束流位置探测器的灵敏度系数,适用于在无法使用天线模拟束流进行实际测量和有限元软件进行模拟的场合。以HEPS储存环BPM的参数为例,首先用边界元法分析计算了具有圆形横截面的BPM的位置灵敏度系数,在此基础上,分析了椭圆形（HEPS增强器）与八边形（BEPCⅡ储存环）管道的系数。将该方法应用于BPM的设计与分析中,确定了高能光源增强器BPM纽扣电极的方位角和北京正负电子对撞机BPM的纽扣电极间距。此外,计算了上述BPM的位置灵敏度系数分布Mapping图。圆形管道BPM的位置灵敏度系数结果与解析值接近,相对误差在1%左右,椭圆形与八边形管道BPM的计算结果与实际测量结果的偏差都在2%左右,证明了边界元法计算束流位置探测器的位置灵敏度系数是一种可靠的方法,可用于BPM的设计与相关问题的分析。     

上海光源储存环束流轨道联锁系统升级

针对上海光源机器故障分析的需求,对原有储存环束流轨道联锁系统进行升级,实现对储存环束流位置测量系统中140台束流位置监测器(Beam Position Monitor,BPM)电子学输出的联锁信号进行标记,同时锁存丟束过程中所有BPM电子学中的逐圈轨道数据。联锁信号的处理与锁存触发信号的输出在FPGA(Field Programmable Gate Array)内完成。该系统集成至储存环的物理实验与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)控制系统之中。束流检测实验表明,该系统能够准确区分不同BPM电子学输出的联锁信号,同时锁存丟束时逐圈轨道数据,并通过该系统观测到了储存环束流丢失过程中的逐圈轨道变化。     

HLS Ⅱ储存环逐束团流强测量系统研制

为进一步提升HLS Ⅱ储存环光源的性能以及为未来实现top-off注入打下基础,研制了新的逐束团流强测量系统。系统硬件部分主要由ADC、FPGA和USB构成,采样精度高、架构简单、成本低。由于BPM和信号的峰值含有束团流强信息,该系统利用峰值采样法测流强。在线测试结果表明,束流的纵向振荡对测量精度有较大影响,在开启纵向反馈抑制住纵向振荡时,该系统测量逐束团流强的精度较高,单束团流强的均方根误差值可达0.002 m A;关闭纵向反馈时,测量精度变差。该系统除了测量逐束团流强外,还实现了纵向工作点的测量,未来还可以测量逐束团寿命等,为合肥光源储存环性能提升,提供更多的束流诊断手段。     

基于BEPCⅡ数字束流位置测量系统电子学系统的设计与实现

BEPCⅡ加速器的束流位置测量系统（BPM）模拟电子学经过十余年的运行逐渐老化，故障率上升，亟需进行升级改造。本文根据该需求，自行设计了基于BEPCⅡ系统参数的数字BPM电子学系统，内容包括模拟信号处理电子学、数字信号处理电子学、BPM固件算法逻辑、数据获取软件以及系统测试等多个部分。设计的数字BPM电子学系统经实验板级性能测试、实验室系统测试以及在线束流测试，结果表明该系统能满足BEPCⅡ装置对束流位置测量的需求。     

CSNS RCS环BPM电子学实现

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步环(RCS)上需要束流位置检测器(BPM)来检测束流位置偏移。论文介绍该系统中读出电路的设计和实现。设计BPM读出电路的最大挑战就是接收和处理大动态范围(5.8 mV~32 V)和变化宽度(80~500 ns)的探头引出信号。文中介绍的模拟电路,采用由模拟运放和模拟开关构成可变增益放大器的结构,能够接收和处理该探头引出信号。另外,对于一个BPM系统,精确的实时束流位置检测是必须的。本设计基于FPGA,开发了计算逐束团位置信息和束流闭轨模式位置信息的实时算法。此外,设计实现了工程所需的各种功能,包括30 s逐束团位置缓存、基于VME总线的数据读出和控制、FPGA程序的在线加载等。初步测试显示,在最小信号10 mV时,逐束团位置分辨是0.9 mm,束流闭轨模式位置分辨为50μm。     

基于示波器嵌入式IOC技术的逐束团位置监测系统研制

为研究尾场引起的束团不稳定性,本工作开发了基于高速宽带示波器嵌入式IOC的逐束团位置测量系统。该系统通过直接获取加速器储存环中钮扣型电极的原始束流信号,进行在线计算独立的水平和垂直方向的逐束团位置。介绍了此系统的需求分析、硬件结构以及嵌入式IOC软件结构。利用在上海光源储存环上获取的逐束团位置数据,对系统性能进行了评估。实验显示,不同束团感应到的工作点及横向振荡振幅与束团编号间的依赖关系,结果证明该系统是一个有效的机器研究工具。     

对数比电路在加速器束团位置监测中的应用及测量

详细介绍了在合肥同步辐射实验室(NSRL)二期工程中的束团位置监测(BPM)电子学系统中对数比电路的设计与应用。结合对数放大器自身的特性,介绍了此电路在BPM系统中的组成、工作原理、测量内容、方法和结果。     

电子储存环注入过程中补注电荷的三维位置信息提取

电子储存环的注入过程是特殊的瞬态过程，研究补注电荷和储存电荷的三维位置融合过程可在线评估注入器与储存环的匹配度，也可为下一代光源诊断系统的搭建奠定技术基础。目前，上海同步辐射光源束流检测组研发了一套基于纽扣电极拾取信号和高速采集板卡的三维逐束团诊断系统，可精确测量逐束团三维位置。注入过程中补注电荷的三维位置信息可通过电荷加权平均法和比例系数法分别提取。通过对补注电荷横向betatron振荡和纵向同步振荡的分析，可原位提取betatron振荡振幅、同步振荡振幅、初始到达时间、同步振荡阻尼时间等多个动态参数，不需提供特别的机器研究时间，为储存环动力学研究提供了有力工具。     

NSRL中的BPM前端电子学系统研究

介绍了国家同步辐射实验室二期工程中的束团位置监测的前端电子学系统原理、结构和实验结果。利用此系统可以把确定束团位置坐标的模拟信号引出。供数据采集分析。     

BEPCⅡ中束流位置测量系统的噪声分析

超低发射度光源要求束流位置测量系统(BPM系统)的分辨率达到亚μm量级。在实验室条件下，BPM系统电子学的测量分辨率可达亚μm，但在线机器运行时束流位置监测器（BPM）探头受到的机械振动（亚μm量级）将成为限制BPM系统测量分辨率达到亚μm的重要因素。为满足高能光源（HEPS）对BPM系统0.1 μm分辨率的要求，本文基于北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCⅡ）上的BPM系统，进行了功率谱方法的环境振动及束流数据的联合分析，以探究影响BPM系统分辨率的因素。首先从BPM系统分辨率的传统衡量标准与功率谱的关系出发，进而分析BPM系统的工作原理、安装环境，测量其周边的机械振动水平，获取束流的低频频谱。获取的BPM数据频谱成分及分析结果表明：电缆传输会产生频谱基线的上升；BPM探头真空室会直接受环境振动的影响；四极铁特征频率的机械振动经束流动力学造成了全环BPM数据特定频率的峰值增长。结合束流动力学，使用有限数量的BPM数据可推断出振动源点。     

Development of Bunch-by-bunch Beam Position Measurement Electronics for High Energy Photon Source

A bunch-by-bunch beam position measurement (BPM) electronics for High Energy Photon Source (HEPS) storage ring was designed. The hardware of electronics consists of analog signal acquisition board and digital signal processing board. The software consists of underlying firmware and application software. The sampling frequency is 500 MHz, and the bandwidth is 1 GHz. The electronics digitizes four analog signals from BPM probe of storage ring, and obtains the amplitude of beam signal. ZYNQ chip was used to process the beam data and calculate the position of each bunch. Electronics test results in the laboratory is that the nonlinearity of ADC channels is less than 1% when the peak-to-peak value of input signal is less than 1.8 V, and spurious-free dynamic range is about 60 dB. When the sensitivity coefficient is 8.26 mm, the beam position resolution is less than 10 μm. The test results meet the needs of HEPS.     

数字BPM电子学在束流位置测量中流强依赖性研究

在BPM测量系统中,流强依赖(BCD)是影响BPM测量精度和可靠性的一个重要因素,本文通过对BPM信号处理链路分析、BPM计算方法的研究,探索在BPM测量过程中产生流强依赖的主要原因;并利用Matlab模拟实验、实验室测试、实际束流测试,找到解决BPM测量流强依赖的方法。研究结果表明,BPM信号处理通道的非线性、ADC的直流偏置是产生BPM测量流强依赖的两个主要因素。本文经过对BPM射频信号处理电路改进,对BPM信号算理算法的优化工作,解决了自研数字BPM电子学的流强依赖性问题。     

束流位置探头用于束团电荷量测量的数值仿真研究

加速器常用的束流位置探头为电磁耦合型,其输出信号包括束流位置信息和束团电荷量信息.本文采用数值仿真方法研究探头电极和信号与束流位置之间的关系,基于Matlab开发一个用于仿真计算探头电荷量标定系数的软件包.对上海光源储存环束流位置探头的仿真结果表明,探头流强标定系数在2.5 mm半径内差值小于千分之二,在此精度范围内可认为流强标定系数为常数.     

Turn-by-turn system and its primary experiment at HLS

During the Phase II project of NSRL, a turn by turn BPM (Beam Position Monitor) system is proposed for storage ring diagnostics which engages log-ratio electronics circuit to measure machine properties of the HLS (Hefei Light Source) storage ring. The log-ratio processor works at 408 MHz, twice the RF frequency of HLS. Modern logarithmic amplifiers with wide dynamic range, great bandwidth, good logarithmic conformance, and low cost are attractive for beam position measurements. Injection kicker and the stripline-electrode resonant exciting methods are used to excite beam for nonlinear beam dynamics and phase space studies of stored beam. Up to 2 seconds of data acquisition is ensured. In this paper we present the performance of each component and preliminary test results of the turn-by-turn BPM system.     

合肥光源钮扣型束流位置检测器的离线标定

为满足合肥光源重大维修改造项目对储存环束流位置测量的高精度要求,对钮扣束流位置检测器(BPM)电极进行了重新设计,本文对新设计的BPM进行特征阻抗、分布电容和标定系数等参数离线标定。采用时域反射计(TDR)测量其阻抗特性和分布电容,测量结果表明,50 Ω标准阻抗测试电缆与BPM Feedthrough连接处的阻抗一致性较好,说明其特性符合设计的50 Ω阻抗,计算得到分布电容约为2.9 pF,满足设计要求。通过天线法进行标定,分别采用差比和法与对数比法得到直观的mapping图,计算得到BPM的水平和垂直方向的灵敏度,差比和法与对数比法获得的灵敏度相对偏差在垂直方向小于0.5%,水平方向小于2.8%,离线标定获得的各项参数均满足要求。     

高能同步辐射光源低能束流输运线设计研究

高能同步辐射光源（HEPS）是计划在北京建造的发射度小于60 pm•rad的超低发射度光源。它由1台500 MeV直线加速器、1条500 MeV低能束流输运线、1台500 MeV～6 GeV的能量增强器、2条6 GeV的高能束流输运线、1台6 GeV的储存环以及同步辐射光束线和实验站组成。本文进行低能束流输运线的设计研究。低能束流输运线是连接直线加速器和增强器的束流传输线，在考虑建设布局限制的基础上，对两端的束流包络进行匹配，并将直线加速器产生的束流高效传输到增强器注入点。HEPS低能束流输运线设计时采用了功能分区的设计策略，设计有3个功能区，分别是消色散注入匹配区、光学参数匹配区、输出匹配区。为校正误差对束流的影响，HEPS低能束流输运线设置了8个BPM，水平和垂直各6块校正磁铁用于束流轨道校正，校正后的轨道满足束流传输要求。     

基于软件无线电的新型数字束流位置处理器

研究了基于软件无线电架构的新型数字束流位置处理器,介绍了处理器样机的射频、模数转换和数字处理模块的硬件架构和主要参数。针对处理器多通道的不对称性,提出了校准方案。测试结果表明,处理器逐圈位置电子学分辨率在输入大于–30 dBm时,优于1.5μm;输入大于–27 dBm时,电子学分辨率达到亚微米量级。处理器在上海光源储存环流强为150 mA条件下测试,逐圈位置分辨率优于2μm,并能够准确获取包含束流实时信息的逐圈位置信号。     

基于导频的储存环束流位置测量处理器研制

稳定的束流轨道对于同步辐射光源的性能至关重要,规划中的合肥先进光源是第四代衍射极限储存环,其亚微米级的束流轨道稳定度需要束流位置测量精度达到100 nm级别。本文基于国产化芯片,研制了带有导频补偿机制的束流位置测量处理器,主要包括导频模块、模拟前端模块、数字处理模块和嵌入式工控模块。输入信号经过导频模块和模拟前端模块调理,在数字处理模块通过带通欠采样原理实现模数转换,数字信号在现场可编程门阵列（FPGA）内经过下变频、滤波抽取、坐标旋转数字计算（CORDIC）模块以及差比和算法等处理后获得束流位置信息,嵌入式工控模块实时传输束流位置信号,与加速器控制系统通信。目前设计的束流位置处理器完成了实验室离线测试和束流测试,测试结果表明,当输入信号幅度在-55～5 dBm范围时,束流位置测量处理器的快获取数据（FA data）和慢获取数据（SA data）分辨率分别好于120 nm和70 nm,满足设计要求。