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。

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。

基于BEPCⅡ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499.8MHz、强度-10dBm、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2.96μm,快响应位置分辨达0.65μm,闭轨位置分辨达0.33μm,验证了本算法在束流位置测量中具有良好性能。

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10～100ps(3～30mm)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。

条形电极束流能散探测器

介绍了北京正负电子对撞机改造工程(BEPCII)新安装的条形电极束流能散度探测器(BE- SM);对BESM无损束流能散度测量进行了理论分析以及对BESM进行了位置标定和灵敏度计算,并给出了该BESM位置灵敏度计算的误差分析。

电阻环束流探测器的标定

电阻环探测技术是一种成熟的、实用的在线测束技术，它能给出束流的大小和位置。在１０ＭｅＶ，ＬＩＡ的应用中，该技术只能作为一种定性的诊断手段。在此基础上设计了一套可以精确定位装置，并对电阻环进行精心的设计，实现了电阻环测束的定量比。模拟实验结果表明，其测量束位置精度达３ｍｍ，束流大小严谨优于２％。

串列加速器电离性束流截面探测器设计

基于GIC 4117串列加速器束流引出线束流测量需求,开展了电离型束流截面探测器设计工作,主要包括系统收集信号强度的计算,采用有限元软件进行电场系统、磁场系统优化设计,给出了电场系统与磁场系统设计参数。通过引入辅助磁场,测量系统能够实现束流轨道的自动校正,系统对束流的影响可以忽略。对影响测量精度的电离电子横向位置偏移进行了分析,并对电离电子进行轨迹跟踪。跟踪结果表明:电离电子在横向位置的运动偏移可以控制在0.3mm以内,与理论分析一致。

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。

束流位置探测器自动标定系统研制

为满足高能同步辐射光源(High Energy Photon Source,HEPS)和北京正负电子对撞机重大改造工程(Upgrade of Beijing Electron Positron Collider,BEPCII)等工程需求,研制了一套束流位置探测器(Beam Position Monitor,BPM)自动标定系统。标定系统主要包括模拟束流发生装置、精密运动机构、信号处理电子学以及系统软件等部分。利用标定系统,开展了BPM标定试验,采集了足量的原始数据。对这些数据进行分析,通过组合试验讨论了标定范围、标定点数目和拟合阶数对标定精度的影响。实验结果表明:在给定条件下,该系统能够全自动化地完成探头标定,满足应用需求,达到预期功能。在全部范围内标定,BPM精度可达40μm,在局部线性区标定,BPM精度可达7μm。

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。

V型耦合式刀片低能束流位置探测器及其性能检测

基于合肥国家同步辐射实验室(NSRL)低能量真空紫外光源的特点,研制了耦合式刀片低能束流位置探测器,用于在线监测波荡器辐射出的低能量真空紫外相干光源的稳定性。探测器采用V型耦合式刀片作为探针,基于错位安装、倾斜嵌入被测光束边缘和直流偏压捕集自由电子等技术有效增强光电效应,提高探针的响应灵敏度和探测器监测精度。介绍了耦合式刀片低能束流位置探测器的结构特点、探测原理和性能测试,在线监测了NSRL波荡器光源的稳定性,获得了一系列有价值的试验数据。结果表明:该探测器能完成NSRL-0.8GeV低能储存环上插入件光源的在线监测,满足对改造后的新光源各插入件辐射光束位置稳定监测的要求。

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。

快响应束流损失监控(FBLM)系统液闪探测器初样的研制

给出快响应束流损失监控(Fast Beam Lost Monitor,FBLM)系统的液体闪烁体探测器初样的研制。在高频四极加速器(Radio Frequency Quadrupole,RFQ)实验装置上的测试表明,液闪探测器能给出宽度为500μs束流宏脉冲结构,能逐个显示出宏脉冲内490 ns的束流切束脉冲。液闪输出信号脉冲较490 ns束流切束脉冲延迟约70 ns。液闪型FBLM输出的信号幅度大于塑闪型。液闪探测器初样的成功研制,为其性能进一步改进提高,打下了良好的基础。

腔式束流位置探测器的设计与实验研究

束流位置探测器对自由电子激光装置的研制和运行具有重要的意义。其中,腔式束流位置探测器(腔式BPM)又以其高精度、高分辨率的特点而得到广泛的应用。本文对应用于上海深紫外自由电子激光装置上的腔式BPM进行了理论分析、模拟计算和BPM腔的测量等方面的研究。

HLS直线加速器条带束流位置检测器基于对数比方法的标定

对合肥光源(HLS)直线加速器(LINAC)的束流位置测量系统进行改造,设计并加工了非拦截型、高精度的条带电极束流位置检测器(Beam Position Monitor,BPM)。安装前,通过定位精度小于5μm的电控位移平台,采用具有更大动态范围和线性度的对数比而非传统的差和比的处理方法,对条带束流位置检测器进行标定。本文介绍了标定平台、对数比处理系统以及自动控制标定程序,给出了基于对数比方法的标定结果。该条带电极束流位置检测器的水平方向和垂直方向的灵敏度分别为1.55 dB/mm和1.48 dB/mm,束流位置分辨率为42μm,电中心相对于机械中心的偏差为(0.212,0.450)mm。

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 1 0 μm垂直放置真空管道的天线模拟定标装置和分辨率高达 1 μm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 BPMMapping图和误差计算结果 。

用于合肥光源200MeV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。

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 .

基于EPICS的CSRe束流诊断控制系统升级

兰州重离子加速器(HIRFL)冷却存储环的实验环(CSRe)提供高品质的束流用于高精度的质量测量、原子物理等实验研究,实现束流参数的准确测量是进行物理实验的前提保障。目前,CSRe加速器控制系统已升级为EPICS架构。介绍了基于EPICS的束流诊断控制系统现状,并利用升级后的控制系统测量了束流相关参数。其中,束流位置系统能够测量注入束流的逐圈位置信息,测量结果发现束流在注入过程中存在一定程度的震荡,影响注入效率。流强测量系统通过高分辨的数据采集卡实现对DCCT信号的精确测量,同时增加了D事例触发功能。升级后的控制系统,可以实现束流参数的测量,并集成于加速器控制系统的EPICS CSS界面。