合肥光源直线加速器条带BPM系统的研制

论文摘要

合肥光源（HLS）200 MeV直线加速器建成于1989年，原先用于束流横向位置测量的荧光靶，是一种束流拦截型的检测器，精度不高，而且难以将测量结果数字化后用于进一步的控制和处理。针对上述情况，需要开发一种非拦截型，精度高，易于将测量结果数字化处理的束流位置测量（BPM）系统。本论文的选题，就是研制适用于合肥光源直线加速器的束流位置测量系统，同时考虑该系统在未来的软X射线自由电子激光（FEL）装置上的适用性。本论文的内容包括以下几点：直线加速器BPM系统概述、HLS直线加速器BPM系统方案的确定、条带BPM特性的理论分析、条带BPM探头结构的设计、BPM信号处理系统的研制、条带BPM系统的标定以及在线测量实验。 第一章简单介绍直线加速器及其束流测量手段的发展历史，BPM系统的构成，给出描述BPM系统特性的主要参数及其含义。另外通过日本KEKB和Spring—8直线加速器BPM系统两个实例，介绍了直线加速器BPM的系统组成以及系统应用情况。最后介绍了合肥光源直线加速器控制系统现状，并对其在束流位置测量功能的改造升级方面作了展望。 第二章对钮扣型BPM、条带型BPM和谐振腔BPM三种常用的BPM结构以及差比和处理、对数比处理、幅度相位转换处理，以及数字接收处理等BPM信号处理方案进行分析和对比，并综合考虑合肥光源直线加速器自身的环境和束流特点，确定合肥光源直线加速器BPM的探头类型为条带型，信号处理方案为对数比处理。条带BPM具有较高的感应信号幅度，在强干扰噪声环境中具有较高的信噪比，从而具有较高的空间分辨率。对数比处理方案，具有相对较好的偏移响应线性度、较大的动态范围和适中的成本。 第三章分析了作相对论性运动电荷的空间电磁场分布，介绍了适用于条带BPM电极结构的镜像电荷原理，推导了条带BPM的灵敏度公式，最后分析了束团尺寸和偏移响应非线性给差比和处理和对数比处理结果带来的影响以及条带BPM的电极耦合情况及其对灵敏度产生的影响。 第四章介绍了计算机辅助设计在加速器结构设计中的应用，基于Mafia进行条带BPM的仿真和设计，以及对加工完成的条带BPM的特征参数如特性阻抗、端口反射特性、时域响应、频域响应和电极耦合等进行测量和分析结果。结果表明，该条带BPM的特征阻抗为50±5Ω，2856MHz处的反射系数为-1.8dB，带宽大约为400MHz，2856MHz处的电极耦合度大于25dB。 第五章介绍了条带BPM信号处理系统的研制工作，包括前端模块、对数检波模块、信号采集模块和软件模块子系统的研制。系统工作频率为2856MHz，信号处理带宽为10MHz，对数检波动态范围为40dB，检波灵敏度为43.6mV／dB，信号采集的位数达到16位，具有外触发和4通道同步采集功能，可调触发延时为0～1μs，同步采样率大于100Hz。系统的离线误差测试表明，16位BPM系统的1σ误差不大于20μm，12位BPM系统的1σ误差不大于30μm。 第六章介绍了BPM标定方法的分类、合肥光源直线加速器条带BPM的标定平台和标定控制软件，给出了标定结果，并分析了该条带BPM的灵敏度、电中心与机械中心偏差。标定结果表明，该条带BPM的水平方向和垂直方向灵敏度分别为1.552 dB／mm和1.476dB／mm，电中心相对于机械中心的偏差为（0.212，0.450）mm。 第七章介绍了条带BPM电极信号的观测实验，条带BPM系统的在线误差测量实验，条带BPM系统读数与校正铁强度关系的实验，束流强度测量实验，以及束流位置的长期稳定性测量实验。条带BPM电极信号的观测实验表明，电极信号的宏脉冲宽度为1.1μs，微脉冲的频率为2856MHz。条带BPM系统的在线误差测量实验表明，12位BPM信号处理系统的在线测量的1σ误差在40μm的量级，16位BPM信号处理系统在线测量的1σ误差在30μm

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 课题要求
• 2 论文内容
• 3 本人的贡献
• 参考文献
• 第一章 直线加速器BPM系统概述
• 1.1 直线型粒子加速器概述
• 1.2 直线加速器束流测量手段的发展历史
• 1.3 BPM系统的构成
• 1.4 BPM系统的主要特性参数及其定义
• 1.4.1 精度（Accuracy）
• 1.4.2 分辨率（Resolution）
• 1.4.3 稳定度（Stability）
• 1.4.4 相对于理论偏移响应的偏差（Non-conformity to the theoretical transfer function）
• 1.4.5 束团电荷检测灵敏度（Sensitivity）
• 1.4.6 动态范围（Dynamic range）
• 1.4.7 数据获取时间（Acquisition time）
• 1.5 国内外同步辐射光源的直线加速器BPM系统介绍
• 1.5.1 KEKB的直线加速器BPM系统介绍
• 1.5.2 spring—8的直线加速器BPM系统介绍
• 1.6 HLS直线加速器束流测量控制系统的现状与改造计划
• 1.6.1 系统框架
• 1.6.2 基于工业PC的前端控制器
• 1.6.3 软件系统
• 1.6.4 对将来的HLS直线加速器BPM系统的展望
• 参考文献
• 第二章 HLS直线加速器BPM系统方案的确定
• 2.1 HLS直线加速器BPM结构的方案
• 2.2.1 钮扣型BPM
• 2.1.2 条带型BPM
• 2.1.3 其他BPM类型
• 2.1.4 谐振腔BPM
• 2.1.5 BPM特性的总结及比较
• 2.1.6 适用于HLS直线加速器的BPM结构
• 2.2 HLS直线加速器BPM信号处理的方案
• 2.2.1 BPM信号处理方案的选择要点
• 2.2.2 BPM信号处理方案的类型
• 2.2.3 BPM信号处理方案的比较
• 2.2.4 适用于HLS直线加速器BPM的信号处理方案
• 2.3 结论
• 参考文献
• 第三章 条带BPM特性分析
• 3.1 相对论运动电荷的空间电磁场
• 3.2 镜像电荷原理
• 3.3 BPM灵敏度
• 3.4 束团尺寸和偏移响应非线性对BPM结果的影响
• 3.4.1 偏移响应非线性对BPM结果的影响
• 3.4.2 束团尺寸对BPM结采的影响
• 3.5 条带BPM的电极耦合分析
• 3.6 结论
• 参考文献
• 第四章 HLS直线加速器的条带BPM结构的研制
• 4.1 计算机辅助设计（CAD）在加速器结构设计中的应用
• 4.2 基于MAFIA的条带BPM结构设计
• 4.2.1 设定网格（Meshing）
• 4.2.2 建模（Modeling）
• 4.2.3 设定边界条件（Boundary condition）
• 4.2.4 设定激励源（Exciting source）
• 4.2.5 设定待观察量（Monitor）
• 4.3 BPM结构仿真结果及分析
• 4.3.1 特性阻抗
• 4.3.2 端口反射特性
• 4.3.3 时域响应和频域响应仿真
• 4.3.3 条带BPM的电极耦合分析
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 HLS直线加速器BPM信号处理系统的研制
• 5.1 前端模块
• 5.1.1 前置滤波器
• 5.1.2 衰减器
• 5.1.3 隔离器
• 5.2 对数检波模块
• 5.2.1 对数检波单元
• 5.2.2 脉冲峰值保持模块
• 5.2.3 误差校零模块
• 5.3 信号采集模块
• 5.3.1 可调触发延时单元
• 5.3.2 同步保持单元
• 5.3.3 ADC单元
• 5.3.4 微控制器单元
• 5.3.5 串口以太网转换单元
• 5.4 软件模块
• 5.4.1 通讯控件MSComm介绍
• 5.4.2 VB通信程序实现
• 5.5 对数比处理系统的离线误差测试
• 5.5.1 热噪声
• 5.5.2 量化噪声
• 5.6 结论
• 参考文献
• 第六章 HLS直线加速器条带BPM系统的标定
• 6.1 BPM标定方法的分类
• 6.2 HLS直线加速器条带BPM的标定
• 6.2.1 HLS直线加速器条带BPM的标定平台
• 6.2.2 天线馈入信号
• 6.2.3 HLS直线加速器条带BPM标定的控制软件
• 6.3 HLS直线加速器条带BPM的标定结果及分析
• 6.3.1 标定结果
• 6.3.2 对数比结果与束流位置关系的多项式拟合
• 6.3.3 灵敏度测量与分析
• 6.3.4 电中心与机械中心
• 6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 HLS直线加速器条带BPM系统的在线测量实验
• 7.1 条带BPM电极信号的观测实验
• 7.1.1 实验装置
• 7.1.2 实验结果
• 7.2 条带BPM系统在线误差测量实验
• 7.3 条带BPM系统读数与校正铁强度关系的实验
• 7.4 束流强度测量实验
• 7.4.1 BPM信号和值与束流强度的关系
• 7.4.2 束流强度测量
• 7.4.2 束流强度测量误差分析
• 7.5 束流位置的长期稳定性测量实验
• 7.6 结论
• 参考文献
• 结束语
• 1.论文总结
• 2.进一步工作
• 3.展望
• 博士研究生期间发表及待发表的论文目录
• 致谢