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。     

基于BEPC Ⅱ的数字束流位置探测器信号处理算法的FPGA实现

数字束流位置探测器(BPM)算法是数字BPM系统最核心的部分，其对束流位置测量的精度起决定作用。本文在完成数字BPM算法MATLAB模拟工作的基础上，将模拟优选出的数字BPM算法在自制的电子学硬件上进行FPGA实现。首先介绍了数字BPM算法的总体设计和实现方案；其次介绍了数字BPM算法各功能模块的设计原理及其在FPGA中的具体实现方法；最后在输入信号频率499.8 MHz、强度-10 dBm、BPM探头灵敏度系数23的条件下进行了实验室测试。实验结果显示：逐圈位置分辨达2.96 μm，快响应位置分辨达0.65 μm，闭轨位置分辨达0.33 μm，验证了本算法在束流位置测量中具有良好性能。     

BEPCⅡ直线加速器束流位置探测器零点误差的测量

本工作测量了BEPCⅡ直线加速器条形束流位置探测器(BPM)的电中心与四极铁中心的偏差。简述了BEPCⅡ直线加速器的轨道校正系统及其在束流轨道校正在线反馈控制中的作用,说明了BPM零点误差的意义,叙述了利用在线束流进行BPM零点误差测量的原理和方法,并给出测量结果,说明这种测量方法是行之有效的。     

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。     

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0.1μm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。     

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。     

高精度稳流电源的网络化检测系统

利用24位高精度宽动态范围Δ-Σ模数转换器ADS1210和CAN总线技术，研制了高精度稳流电源网络化检测系统。应用该系统测试了北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCⅡ）的电源工程样机，并与数字电压表的测试结果进行了比较。试验结果表明，该系统能够满足测试BEPCⅡ高精度稳流电源的需求。     

BEPCⅡ直线加速器束流能量反馈系统设计

为满足BEPCⅡ储存环对注入束流的要求,BEPCⅡ直线加速器末增设了束流能量反馈系统。该系统由束流能量在线测量单元,图形界面应用软件和相控执行单元构成。束流能量测量单元使用3个BPM对束流能量进行在线非阻拦式测量,测量结果实行人机交互与控制逻辑输出,相控执行单元使用消除回程差的控制方法。该系统束流中心能量调节频率为2 Hz,注入速率波动小于10m A/min,束流中心能量稳定度不大于±0.1%。     

中国散裂中子源快循环同步加速器环斜切型束流位置探测器设计

束流位置探测器(BPM)是加速器束流测量系统的重要组成部分。本文通过在斜切型BPM的差和比计算式中引入相对电极间的耦合电容及电容差,解释实测灵敏度偏小、存在零点偏移量的原因。结合模拟软件CST的仿真结果及推得的计算式,得到BPM几何结构与电子学参数的关系。最后,基于CSNS-RCS环上参数及电子学要求,得到优化的BPM几何结构及其电子学参数值。     

100MeV直线加速器束流位置探测器系统设计

100MeV直线加速器束流位置探测器系统包括BPM(Beam position monitor)、BPM前端电子学、基于束流的准直模块(Beam based calibration,BBC)、高频信号切换模块和AD模块.本文详细介绍了BPM前端电子学和数据采集系统设计.最后给出了在100MeV直线加速器中测试的BPM系统性能.     

CSNSRCS环BPM读出电路的研究

未来的中国散裂中子源(CSNS)快循环质子同步加速器(RCS)需要束流位置探测器(BPM)来计算和记录位置信息.文章介绍了BPM读出电子学功能样机的实现,其中包括系统总体结构,模拟前端(AFE)和数字前端(DFE)的设计,以及FPGA中的固件开发.不断变化的RCS束流参数使得系统中的模拟部分尤为重要且设计难度大,并且需...     

基于EPICS的CSNS束流位置读出系统

从973-RFQ束流传输线上束流位置(BPM)测试需求出发,开发了一套完整的束流位置读出系统,其将移植到CSNS工程的束流位置测量系统中。该系统由信号采集、处理和显示模块组成。BPM读出系统采用EPICS作为软件开发平台,并选用Motorola公司的MVME5100作为IOC;硬件采用Hytec公司的ADC8411U卡实现对束流位置信号100 kHz的同步触发采样。信号处理模块对采集到的信号进行数值平均滤波,并实现到束流位置的转换。信号显示模块选用EPICS客户端软件EDM实现对束流位置信息2种不同方式的显示。经测试,整个系统最终读出的束流位置分辨率远好于0.2 mm,符合设计要求。     

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。     

高能同步辐射光源逐束团束流位置测量电子学研制

基于高能同步辐射光源（HEPS）储存环，研制了一套逐束团束流位置测量（BPM）电子学系统，电子学的硬件部分由模拟信号采集板卡和数字信号处理板卡组成，软件部分由底层固件和顶层应用软件组成。系统的采样频率为500 MHz，带宽为1 GHz，对来自储存环BPM探头的4路模拟信号进行数字化，得到束团幅度数据，利用ZYNQ芯片计算出每个束团在真空管道中的位置。逐束团BPM电子学在实验室的测试结果为：输入信号峰峰值小于1.8 V时ADC通道非线性度小于1%，无杂散动态范围约60 dB，灵敏度系数取8.26 mm时位置分辨率优于10 μm，测试结果满足HEPS逐束团BPM的需求。     

数字BPM系统中模拟调理电路的研究

全数字化束流位置测量系统(Digital Beam Position Monitor,DBPM)将应用于上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF),其中模拟调理电路是DBPM系统重要组成部分。BPM探头输出的4路高频窄脉冲信号(重复频率499.654 MHz,脉宽200 ps)通过模拟调理电路进行滤波及自动增益调整,然后送至ADC进行模数变换,在系统中的数字处理模块进行处理后最终得到束流X、Y方向位置信息。系统电子学测试表明:此DBPM系统在输入信号动态范围为-40～10 dBm情况下,X、Y方向位置分辨率好于10μm,满足逐圈(694 kHz数据更新率)位置分辨要求。     

加速器数字束流位置测量系统数控振荡器设计

有鉴于高品质NCO是数字BPM系统重要设计内容之一,利用CORDIC完成了NCO的设计与实现,内容包括NCO参数的设计,系统框架设计、控制流程设计、结果检验和资源占用情况分析等。结果检验是在XC5VSX95T硬件平台上利用Chip Scope工具来完成的。结果表明,该方法能够有效设计出满足数字BPM系统需求的NCO,并在束流位置测量系统建设中发挥积极作用。     

上海光源增强器工作点测量数据采集系统

介绍上海光源(SSRF)增强器工作点(Tune值)测量系统的数据采集与处理方法.该系统选用新一代数字BPM处理器Libera处理激励后的束流位置信号,在Soft IOC中进行快速傅里叶(FFT)变换,以得到束流横向振荡频率,进而实现工作点的实时测量.测试表明,该系统能够满足高精度、快速测量的要求.     

西安质子应用装置BPM设计及测试结果

西安质子应用装置(XiPAF)中能传输段设有6个束流位置探测器(BPM)用于测量束流位置及相位，要求位置和相位测量分辨率分别好于0.1 mm和1°，绝对位置测量准确度好于±0.5 mm。本文从理论上分析了纽扣型BPM位置测量分辨率与电极长度及电极张角的关系，并结合CST模拟得到最优值，设计分辨率达24.5 μm。离线测试结果表明，BPM样机的电极电容、灵敏度及电极间耦合度均与设计值相符。利用旋转法测量得到BPM样机水平和竖直方向电中心与机械中心的偏差分别为（0.04±0.05） mm和（-1.53±0.05） mm。样机安装在清华大学微型脉冲强子源（CPHS）高能传输段进行测试，测试结果表明，XiPAF BPM位置测量分辨率好于60 μm，相位测量分辨率好于0.74°，绝对位置测量准确度为±0.35 mm。该设计满足西安质子应用装置的要求。     

BEPCⅡ电子环损失参数检测系统设计

采用数字化相位检测技术,设计了一套高精度相位检测系统,将其应用于BEPCⅡ电子环束流相位和腔相位的检测,测量了BEPCⅡ电子环损失参数。测试结果表明:该系统的分辨率为±0.001°。该系统实现了实验数据的快速存储和检索,获取、处理相关数据更加高效、快捷。     

利用数字束流位置处理器Libera测量BEPCII储存环束流阻尼时间和残余振荡

数字束流位置处理器Libera可以直接用来测量宽带的束流位置信号,由于其出色的硬件和软件性能,它可以在束流参数测量与诊断中得到广泛的应用.文章介绍了利用Lribera在BRPCⅡ储存环上进行的一些实验:利用逐圈(Turm-by-turm)束流位置测量数据计算横向阻尼时间和测量注入冲击磁铁引起的柬流位置残余振荡,实验主要目的是使BEPCⅡ储存环的束流调试和参数优化更方便快捷,并取得了初步的成效.