上海光源储存环束流损失监测系统研制与应用

论文摘要

束流损失监测系统（Beam Loss Monitoring System, BLM系统）是对束流损失信息进行监测的加速器工具,它广泛的应用在现代大型加速器中,为诊测加速器故障,保护机器安全等提供帮助。上海同步辐射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF）是我国在“十一五”期间的国家重大科学工程。作为第三代同步辐射光源,其储存环设计能量为3.5GeV,属于高性能中能光源。本论文为SSRF储存环设计了一套先进的BLM系统,该系统通过监测真空管道周围的辐射水平,提供束流损失的信息,反映束流寿命的状况,为诊断和定位机器故障,优化调试运行参数和改善束流寿命等提供依据。论文从束流损失的物理机制出发,分析了各种损失机制对SSRF储存环束流寿命的影响,总结出各种机制导致损失的位置和特点,并根据SSRF储存环的DBA结构,计算出束流电子损失能量后的运动轨迹。以上分析和计算帮助确定SSRF储存环束流损失监测的理论位置。论文对束流电子与真空室壁碰撞损失时的簇射过程进行了详细的物理分析,提出以位置信息明确的簇射电子作为BLM系统的探测目标,并通过广泛的调研,选择双PIN光电二极管作为BLM探测器,使BLM系统能够在复杂的储存环辐射场中对簇射电子进行有效探测。论文还使用Monte-Carlo方法对簇射电子的分布情况进行模拟,精确定位BLM探测器在真空室外表面的安装位置。在系统设计上,论文提出基于以太网的分布式系统架构,对系统组成与功能进行规划,设计完成了基于微处理器、可编程逻辑器件和嵌入式操作系统的智能下位机数采模块和基于虚拟仪器软件Labview的服务器实时监控程序。论文所设计的BLM系统已经建成,并成功应用于SSRF储存环的束流调试和日常运行中,为保障加速器可靠运行、调试机器参数等提供了帮助,也为国内第三代光源的调试运行积累了大量的工程数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文工作的背景
• 1.3 论文工作的内容
• 1.4 论文工作的意义
• 第2章 束流损失的机理
• 2.1 束流损失的类型
• 2.2 束流寿命的物理分析
• 2.2.1 量子寿命
• 2.2.2 托歇克寿命
• 2.2.3 真空寿命
• 2.3 基于Lattice 结构对束流轨迹的计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 束流损失的探测
• 3.1 束流损失探测对象——簇射电子
• 3.2 束流损失探测器选型
• 3.2.1 长电离室
• 3.2.2 短电离室
• 3.2.3 闪烁计数器
• 3.2.4 PIN 型硅光电二极管探测器
• 3.2.5 CVD 金刚石膜探测器
• 3.2.6 双PIN 光电二极管探测器
• 3.2.7 探测器选型结果
• 3.3 簇射过程计算模拟
• 3.3.1 计算软件
• 3.3.2 计算条件
• 3.3.3 计算结果
• 3.4 探测位置与安装方式
• 3.4.1 探测位置选择
• 3.4.2 移动监测点
• 3.4.3 探测器的安装方式
• 3.4.4 探测器的工程安装
• 第4章 系统整体架构
• 4.1 数据采集系统的架构设计
• 4.2 分布式系统通信机制
• 4.2.1 轮询应答机制
• 4.2.2 基于时间戳的数据采集机制
• 4.2.3 BLM 系统的时钟同步机制
• 4.2.4 BLM 系统的通讯协议
• 第5章 数据采集系统
• 5.1 下位机硬件设计
• 5.1.1 下位机功能需求
• 5.1.2 下位机硬件结构
• 5.1.3 核心小板设计
• 5.1.4 底层母板设计
• 5.1.5 探测器接口板设计
• 5.2 下位机软件设计
• 5.2.1 FPGA 的HDL 程序设计
• 5.2.2 微处理器程序设计
• 5.3 上位机软件设计
• 5.4 系统功能验证
• 5.4.1 输入频率验证
• 5.4.2 合肥光源样机实验
• 5.4.3 与上海光源增强器BLM 系统的比对实验
• 第6章 系统应用分析
• 6.1 BLM 系统在储存环正常运行时的监测数据
• 6.2 BLM 系统对一次完整的储存环工作过程的监测
• 6.3 BLM 系统在储存环粗调过程中的应用
• 6.4 BLM 系统数据对储存环参数优化效果的体现
• 6.5 BLM 系统对机器故障的监测
• 6.6 BLM 系统对辐射防护的帮助
• 6.7 本章小结
• 第7章 总结
• 7.1 主要成果和创新
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果