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自由电子激光装置数字化束流位置信号处理器研制及应用 被引量:7
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作者 赖龙伟 冷用斌 +4 位作者 阎映炳 陈方舟 陈健 周伟民 张宁 《核技术》 CAS CSCD 北大核心 2018年第7期39-45,共7页
针对自由电子激光装置(Free Electron Laser,FEL)对束流位置测量的需求,研制了可同时用于条带束流位置检测器(Stripline Beam Position Monitor,SBPM)和腔式束流位置检测器(Cavity Beam Position Monitor,CBPM)信号处理的数字化束流位... 针对自由电子激光装置(Free Electron Laser,FEL)对束流位置测量的需求,研制了可同时用于条带束流位置检测器(Stripline Beam Position Monitor,SBPM)和腔式束流位置检测器(Cavity Beam Position Monitor,CBPM)信号处理的数字化束流位置信号处理器(Digital Beam Position Measurement processor,DBPM)。该处理器为一体化的嵌入式结构,以现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)为系统核心,采用分布式的实验物理及工业控制系统(Experiment Physics and Industrial Control System,EPICS)进行远程数据交互。处理器对SBPM和CBPM系统的测试分辨率在0.5 n C流强时分别达到4μm和0.4μm,达到设计指标,成功应用于大连相干光源(Dalian Coherent Light Source,DCLS),并将应用于上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai X-ray Free Electron Laser,SXFEL),是国内首台自主研制成功并实现工程应用的DBPM处理器。 展开更多
关键词 自由电子激光 束流位置信号处理器 条带束流位置检测器 腔式束流位置检测器 大连相干光源 上海软X射线自由电子激光装置
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上海软X射线自由电子激光腔式束流位置测量系统 被引量:3
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作者 陈健 袁任贤 +2 位作者 俞路阳 赖龙伟 冷用斌 《原子能科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第10期1931-1939,共9页
上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser,SXFEL)需1个分辨率达到亚μm量级的束流位置测量系统,并采用基于束流准直的方法实现波荡器段电子束与光子束的紧密重合。为此设计研制了1个由C波段腔式探头、单... 上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser,SXFEL)需1个分辨率达到亚μm量级的束流位置测量系统,并采用基于束流准直的方法实现波荡器段电子束与光子束的紧密重合。为此设计研制了1个由C波段腔式探头、单路混频至低中频的射频前端以及自主研发的专用数字信号束流位置处理器(digital beam position monitor processor,DBPM)构成的腔式束流位置测量(cavity beam position monitor,CBPM)系统。本文对系统的设计、软硬件结构、系统搭建进行了介绍,并基于漂移段搭建的3个紧邻的CBPM阵列完成了在线系统性能评估。束流实验结果表明,在束团电荷量为500 pC、系统动态范围在±800μm的条件下,位置分辨率可达880 nm,这也是国内首次研制成功可在线运行的具有亚μm位置分辨率的CBPM系统。此外,采用CBPM的相位腔进行相对束团电荷量、束团到达时间的测量,其性能评估结果也均优于SXFEL设计要求。 展开更多
关键词 上海软X射线自由电子激光 腔式束流位置测量系统 性能评估
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基于腔式探头的高分辨率束团电荷量测量方法研究 被引量:4
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作者 曹珊珊 冷用斌 +2 位作者 袁任贤 赖龙伟 陈健 《核技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期1-7,共7页
束团电荷量是粒子束流最基本的特征参数,精确的电荷量测量和控制对于装置的运行以及束损的监测和安全联锁具有非常重要的作用。上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Device,SXFEL)中加入了电荷量反馈... 束团电荷量是粒子束流最基本的特征参数,精确的电荷量测量和控制对于装置的运行以及束损的监测和安全联锁具有非常重要的作用。上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Device,SXFEL)中加入了电荷量反馈环路,以期实现束团电荷量的精确控制并满足单束团实时电荷测量分辨率好于0.5%的要求,为此开展了高分辨率束团电荷量测量研究。由于腔式探头具有灵敏度高、原始信号信噪比高、近轴情况下位置无关等特点,因此被用作本研究中的束团电荷量信息拾取探头。传统的腔式探头通常采用单腔外本振的信号处理方案,要求额外提供特定频率的本振信号。为进一步简化系统,在此基础上提出一种新的双腔混频方案,该方案具有独立于本振频综及同步定时信号工作的特点。为了对比两种方案的性能优劣,对两种方案的实施效果进行了定性和定量分析。基于SXFEL装置的束流实验结果表明:单腔外本振混频方案电荷测量分辨率好于0.07%,双腔混频方案分辨率好于0.2%,前者的分辨率好于后者但二者均满足SXFEL用户装置要求。 展开更多
关键词 SXFEL 腔式探头 束团电荷 双腔混频 高分辨率
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上海软X射线自由电子激光装置直线加速器束流位置测量系统研制
4
作者 吴桐 赖龙伟 +4 位作者 俞路阳 袁任贤 陈健 阎映炳 冷用斌 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期97-102,共6页
上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)作为中国第一台工作在软X射线波段的第四代光源,其产生的激光具备短波长、全相干、超高亮度、超短脉冲长度等优点,预期将会在基础科学研究领域中发挥出重要的作用。基于直线加速器的特点和需求,在SX... 上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)作为中国第一台工作在软X射线波段的第四代光源,其产生的激光具备短波长、全相干、超高亮度、超短脉冲长度等优点,预期将会在基础科学研究领域中发挥出重要的作用。基于直线加速器的特点和需求,在SXFEL的注入器与直线加速段上选择了条带型束流位置测量系统(SBPM)作为束团位置测量工具。该系统由SXFEL束测团队自主研发设计,由条带探头、前端信号调理电子学与专用数字信号束流位置处理器(DBPM)组成,系统设计上借鉴上海同步辐射光源(SSRF)的同类型设备,并根据SXFEL的特点做了进一步的优化,束流实验结果表明该系统位置测量系统分辨率好于5.7μm@188 pC,达到国际先进水平,满足了SXFEL注入器和直线加速器段对束流位置测量分辨率的设计要求。 展开更多
关键词 上海软X射线自由电子激光 束测 束流位置测量 条带型 数字信号处理
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DBPM signal processing with field programmable gate arrays 被引量:11
5
作者 lai longwei LENG Yongbin +5 位作者 YI Xing YAN Yingbing ZHANG Ning YANG Guisen WANG Baopeng XIONG Yun 《Nuclear Science and Techniques》 SCIE CAS CSCD 2011年第3期129-133,共5页
DBPM system performance is determined by the design and implementation of beam position signal processing algorithm.In order to develop the system,a beam position signal processing algorithm is implemented on FPGA.The... DBPM system performance is determined by the design and implementation of beam position signal processing algorithm.In order to develop the system,a beam position signal processing algorithm is implemented on FPGA.The hardware is a PMC board ICS-1554A-002(GE Corp.)with FPGA chip XC5VSX95T.This paper adopts quadrature frequency mixing to down convert high frequency signal to base.Different from conventional method,the mixing is implemented by CORDIC algorithm.The algorithm theory and implementation details are discussed in this paper.As the board contains no front end gain controller,this paper introduces a published patent-pending technique that has been adopted to realize the function in digital logic.The whole design is implemented with VHDL language. An on-line evaluation has been carried on SSRF(Shanghai Synchrotron Radiation Facility)storage ring.Results indicate that the system turn-by-turn data can measure the real beam movement accurately,and system resolution is 1.1μm. 展开更多
关键词 信号处理算法 现场可编程门阵列 DBPM 上海同步辐射装置 FPGA芯片 PM系统 通用电气公司 VHDL语言
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SHINE丝扫描截面测量系统样机数据采集系统研制
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作者 万钧 冷用斌 +5 位作者 赖龙伟 陈杰 高波 陈方舟 陈健 曹珊珊 《核技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第5期1-8,共8页
上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility,SHINE)使用低温超导高频腔加速电子,电子能量可以到达8 GeV。对于SHINE的电子束团横向截面测量将使用丝扫描这种半拦截式的截... 上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility,SHINE)使用低温超导高频腔加速电子,电子能量可以到达8 GeV。对于SHINE的电子束团横向截面测量将使用丝扫描这种半拦截式的截面测量方法,产生的次级粒子数量较拦截式测量方法(如截面靶小)可以减小超导腔失超的风险,但需要实现束损探测器的信号与电机位置同步采集。本文基于Zynq-UltraScale+型片上系统设计与实现了丝扫描系统数据采集系统,首先对该数据采集系统的实现方式作了详细描述,然后利用实验平台检验了电机位置测量的正确性,并验证了同步采集探测器信号和扫描丝位置的功能。实验结果表明:该数据采集系统可以满足SHINE丝扫描截面测量系统的运行要求。 展开更多
关键词 丝扫描 SHINE 信号同步采集 电子学设计
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RF front-end for digital beam position monitor signal processor 被引量:4
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作者 YI Xing LENG Yongbin +2 位作者 lai longwei ZHANG Ning YANG Guisen 《Nuclear Science and Techniques》 SCIE CAS CSCD 2011年第2期65-69,共5页
RF circuit board has a significant impact on performance of the Digital Beam Position Monitor (DBPM) in storage ring of a synchrotron radiation facility.In this paper,a front-end RF board is designed for DBPM,and sche... RF circuit board has a significant impact on performance of the Digital Beam Position Monitor (DBPM) in storage ring of a synchrotron radiation facility.In this paper,a front-end RF board is designed for DBPM,and schematics of the RF board and the test results are given.In view of the inevitable inconsistency in the multi-channel circuit,a calibration circuit is designed to reduce such an influence.The test results show that the calibration method is useful for beam current dependence which is sensitive to channels inconsistency. 展开更多
关键词 位置检测 数字波束 信号处理器 射频 前端 电路板设计 DBPM 同步辐射
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A beam position measurement system of fully digital signal processing at SSRF 被引量:3
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作者 YAN Han ZHAO Lei +7 位作者 LIU Shubin CHEN Kat WU Weihao AN Qi LENG Yongbin YI Xing YAN Yingbing lai longwei 《Nuclear Science and Techniques》 SCIE CAS CSCD 2012年第2期75-82,共8页
This fully digital beam position measurement instrument is designed for beam position monitoring and machine research in Shanghai Synchrotron Radiation Facility. The signals received from four position-sensitive detec... This fully digital beam position measurement instrument is designed for beam position monitoring and machine research in Shanghai Synchrotron Radiation Facility. The signals received from four position-sensitive detectors are narrow pulses with a repetition rate up to 499.654 MHz and a pulse width of around 100 ps, and their dynamic range could vary over more than 40 dB in machine research. By the employment of the under-sampling technique based on high-speed high-resolution A/D conversion, all the processing procedure is performed fully by the digital signal processing algorithms integrated in one single Field Programmable Gate Array. This system functions well in the laboratory and commissioning tests, demonstrating a position resolution (at the turn by turn rate of 694 kHz) better than 7 μm over the input amplitude range of -40 dBm to 10 dBm which is well beyond the requirement. 展开更多
关键词 上海同步辐射装置 位置测量系统 信号处理技术 光束 数字信号处理算法 现场可编程门阵列 位置敏感探测器 光源
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上海光源束团纯度测量系统的研制与应用 被引量:1
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作者 高波 赖龙伟 +2 位作者 刘晓庆 曹珊珊 冷用斌 《核技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第3期1-6,共6页
上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)目前正在进行二期线站工程建设,其中基于时间分辨的泵浦实验是线站工程的重要目标之一。高时间分辨率实验对于束团纯度的要求达到10^(-5)量级以上,纯度测量是关键技术... 上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)目前正在进行二期线站工程建设,其中基于时间分辨的泵浦实验是线站工程的重要目标之一。高时间分辨率实验对于束团纯度的要求达到10^(-5)量级以上,纯度测量是关键技术之一。然而传统基于束流位置测量探头的逐束团电荷量测量系统分辨率仅能到10−4量级。基于时间相关单光子计数技术,在原有同步光诊断线上建立了束团纯度在线测量系统。为了验证和提高系统的性能,设计了评估实验,同时对系统进行了优化。测试结果表明:搭建的束团电荷量纯度测量系统,分辨率在分钟量级可达到10^(−7)量级。利用系统的高时间和纯度测量分辨率能力的优势,进行了束团纵向分布测量应用的探索,并对储存环的填充模式对束团纯度的影响进行了研究。 展开更多
关键词 时间分辨实验 束团纯度测量 束团电荷量测量
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An embedded single-board computer for BPM of SSRF
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作者 CHEN Kai LIU Shubin +7 位作者 YAN Han WU Weihao ZHAO Lei AN Qi LENG Yongbin YI Xing YAN Yingbing lai longwei 《Nuclear Science and Techniques》 SCIE CAS CSCD 2011年第4期193-199,共7页
An embedded single-board computer (SBC) system based on AT91RM9200 was designed for monitoring and controlling the digital beam position monitor system of Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) through the Vir... An embedded single-board computer (SBC) system based on AT91RM9200 was designed for monitoring and controlling the digital beam position monitor system of Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) through the Virtex-4 FPGA in the digital processing board.The SBC transfers the configuration commands from the remote EPICS to the FPGA,and calculates the beam position data.The interface between the FPGA and the SBC is the Static Memory Controller (SMC) with a peak transfer speed of up to 349 Mbps.The 100 Mb Ethernet is used for data transfer between the EPICS and SBC board,and a serial port serves as monitoring the status of the embedded system.Test results indicate that the SBC board functions well. 展开更多
关键词 上海同步辐射装置 单板计算机 嵌入式系统 AT91RM9200 BPM 存储控制器 光源 VIRTEX
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用横向反馈系统对上海光源多束团不稳定性的诊断
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作者 张宁 赖龙伟 +1 位作者 袁任贤 俞路阳 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期65-71,共7页
在上海光源二期升级改造过程中,为了解和追踪由阻抗引起的多束团不稳定性变化以及升级后的横向反馈系统对这种不稳定性的抑制效果,在机器研究中利用新反馈处理器的诊断工具记录了束流不同状态下的横向运动过程,分析得到了最主要的横向... 在上海光源二期升级改造过程中,为了解和追踪由阻抗引起的多束团不稳定性变化以及升级后的横向反馈系统对这种不稳定性的抑制效果,在机器研究中利用新反馈处理器的诊断工具记录了束流不同状态下的横向运动过程,分析得到了最主要的横向多束团不稳定模式在束流稳态、注入瞬态以及增长-衰减过程中的变化情况,评估了横向反馈的作用效果,计算出该模式增长率/阻尼率以及增长率与束流的依赖关系。 展开更多
关键词 横向耦合不稳定性 增长率/阻尼率 横向反馈 瞬态诊断 上海光源
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时变工作点分析算法在上海光源的应用研究
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作者 杨星 赖龙伟 陈方舟 《核技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第12期9-15,共7页
横向工作点是环形粒子加速器非常重要的特征参数之一,一般不随时间变化,可通过对束流逐圈位置数据做简单的谐波分析得到,但在某些特殊的物理过程中工作点会随时间变化,需要研究并优化时变工作点的算法。储存环注入后残余横向振荡阻尼衰... 横向工作点是环形粒子加速器非常重要的特征参数之一,一般不随时间变化,可通过对束流逐圈位置数据做简单的谐波分析得到,但在某些特殊的物理过程中工作点会随时间变化,需要研究并优化时变工作点的算法。储存环注入后残余横向振荡阻尼衰减的过程中因Lattice的非线性效应可能会发生工作点漂移,研究时变工作点的分析算法并对上述物理过程进行分析,可以对储存环的非线性效应进行定量评估。本文首先对小波算法和基本频率的数值分析算法(Numerical Analysis of Fundamental Frequencies,NAFF)在时变工作点分析的适用性进行了分析,并比较了两种算法的性能。结果表明:两种算法均可以实现时变工作点的动态分析,但小波方法性能更好。然后采用小波方法对上海光源储存环注入期间工作点的飘移进行了定量分析,评估了上海光源不同运行周期非线性的强度变化。结果显示:其工作点的飘移在不同时期有不同的表现,总体上非线性效应有增强的趋势。 展开更多
关键词 上海光源 非线性 时变工作点 基本频率的数值分析算法 小波分析
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大连极紫外相干光源 被引量:7
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作者 余永 李钦明 +64 位作者 杨家岳 王光磊 史磊 丁洪利 陶凯 汤振兴 贺志刚 陈志超 田宇欢 戴东旭 吴国荣 张未卿 杨学明 冯超 陈思 王震 谷端 陈杰 刘晓庆 兰太和 冯冽 张文艳 钟少鹏 张俊强 李林 肖诚成 李昊 赵欢 陈广花 朱海君 丁建国 黄毛毛 张伟 赖龙伟 杨夫彬 王光宏 相升旺 胡晓 刘以勇 孙森 高飞 蒋志强 周孝轩 刘永芳 吴勇华 陈志豪 王锐萍 黄大章 张猛 邓海啸 李宾 林国强 俞路阳 阎映炳 阎山川 夏晓彬 周巧根 刘波 顾强 谷鸣 方国平 冷用斌 殷立新 王东 赵振堂 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第1期43-50,共8页
先进光源的发展在前沿科学研究中发挥的作用越来越重要。近十年来,飞速发展的自由电子激光技术为科学家们提供了探索未知世界、发现新科学规律和实现技术变革的重要工具。建成的大连极紫外(EUV)相干光源的运行波段为50~150nm,单脉冲能... 先进光源的发展在前沿科学研究中发挥的作用越来越重要。近十年来,飞速发展的自由电子激光技术为科学家们提供了探索未知世界、发现新科学规律和实现技术变革的重要工具。建成的大连极紫外(EUV)相干光源的运行波段为50~150nm,单脉冲能量大于100μJ,且可提供10-12 s和10-13 s量级的超快激光脉冲,是我国第一台自由电子激光用户装置,并且是国际上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光用户装置,在世界范围内为用户提供具有高峰值亮度和超短脉冲的极紫外激光。大连EUV相干光源是由国家自然科学基金委资助、由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所共同承担的重大科学仪器研制项目,目标是打造一个以先进极紫外光源为核心、主要用于能源基础科学研究的光子科学平台。 展开更多
关键词 激光光学 自由电子激光 极紫外激光 能源基础研究
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高重频束流采集处理器原型样机的设计
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作者 田丰收 赵雷 +4 位作者 范怡淳 秦家军 赖龙伟 刘树彬 安琪 《原子核物理评论》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期402-409,共8页
为了实现对高重频硬X射线自由电子激光装置(SHINE)条带型BPM(Beam Position Monitor)系统信号的数字化采样和处理,研制了高重频束流采集处理器原型样机。处理器拥有四通道输入,最高达1GSps的采样率,16bit采样位数,采用XILINX公司带有嵌... 为了实现对高重频硬X射线自由电子激光装置(SHINE)条带型BPM(Beam Position Monitor)系统信号的数字化采样和处理,研制了高重频束流采集处理器原型样机。处理器拥有四通道输入,最高达1GSps的采样率,16bit采样位数,采用XILINX公司带有嵌入式CPU(Central Processing Unit)的ZYNQ系列FPGA(Field Programmable Gate Array),可以运行Linux系统,同时可以实现高速采样数据的缓存与读出。处理器采用子母板结构设计,子板为ADC(Analog To Digital Converter)采样板,母板为FPGA数字处理板,子母板通过FMC(FPGA Mezzanine Card)接口进行数据传输。ADC采用JESD204B协议进行数据传输,子母板间通过16对差分信号连接通道,最大总传输速率达到80Gbps。ADC采样数据传入数字母板后,经过FIFO和DDR的缓存,最后通过TCP/IP协议由RJ45接口传输到上位机进行处理和分析,RJ45接口的数据传输速率约为900Mbps。经过测试,ADC采集子板的带宽高于480MHz,且在480 MHz带宽内有效位高于10位。FPGA数字母板运行经Petalinux编译的Linux系统,可以实现对连续或者触发模式下,四通道一百万个采样点的存储与数据传输。整个设计可以满足设计要求。 展开更多
关键词 SHINE ZYNQ 高速数据采集 波形数字化
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