合肥光源数字横向逐束团反馈系统

论文摘要

合肥光源储存环200MeV注入,800MeV能量运行,横向耦合束团不稳定性导致注入过程困难,同时影响运行的稳定性。为了克服注入过程中的横向不稳定性,目前合肥光源使用八极铁帮助注入,有效地提高了注入流强,从100mA提高到250mA以上。然而八极铁的非线性效应会改变束流的动力学孔径,影响注入效率,从而限制流强的进一步提高。合肥光源的升级改造计划中,束流的发射度从目前的160nm-rad降低到30nm-rad左右,低发射度情况下不能使用八极铁,因此我们非常有必要研发一套横向逐束团反馈系统来抑制注入过程以及运行中出现的横向不稳定性。这项工作不仅是当前合肥光源运行中亟待解决的问题,而且是升级改造工程中的重要课题之一。横向逐束团反馈系统,是目前世界上高能加速器实验室普遍应用克服横向耦合束团不稳定性的关键技术。在合肥光源模拟横向逐束团反馈系统研发的基础上,我们开发了一套数字横向反馈系统。相对于模拟系统繁杂的构造与调试分析工具的缺乏,数字系统简洁可靠,调试手段丰富,是反馈系统更高层次的平台,也正是我们将模拟系统升级为数字系统的驱动力。数字系统通过对逐圈信号的存储,应用数字信号处理技术开发高阶的滤波器来进一步提高反馈功效。对于实验调试和数据分析,专用的数字处理器的出现进一步提升了系统的灵活性和扩展性,是反馈技术新的发展方向。合肥光源数字横向逐束团反馈系统使用TED数字处理器。考虑到合肥光源的横向的工作点参数以及45个束团数,我们修改了处理器的FPGA程序,将其6个ADC平均分配给独立的两个反馈回路,使一台处理器能够实现独立的水平方向和垂直方向反馈。数字系统应用RF直接采样前端,简化了前端电子学线路,节约了系统成本并方便了调试和维护工作。由于合肥光源横向的工作点靠近半整数频率且工作点易发生漂移,通过分析比较各种适用于逐束团反馈计算的数字滤波器算法,我们使用时域的最小二乘法设计数字FIR滤波器,并针对注入的情况进行了滤波器参数优化。数字横向反馈系统不论在800MeV能量运行还是在200MeV能量注入的情况下,都能有效地抑制横向的不稳定性。数字系统可以有效提高注入流强,在不加八极铁的情况下,能重复稳定注入超过250mA,与八极铁同时作用,最高注入流强超过350mA。储存环升能过程中,横向的工作点发生大的漂移而导致反馈相位发生大的改变,造成束流丢失。文章还探讨了利用横向的条带Kicker配合现有的横向数字反馈系统进行纵向反馈的可能。围绕着数字横向逐束团反馈系统的研究工作值得深入地开展下去,使之能够在未来成为储存环稳定运行必不可少的工具和手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 DSP 阵列作为反馈处理核心单元的数字反馈系统
• 1.2.2 FPGA 芯片作为反馈处理核心的数字反馈系统
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 数字横向逐束团反馈原理
• 1.3.2 合肥光源数字横向反馈系统的组成
• 1.3.3 基于数字横向反馈系统的实验
• 1.4 创新和特色
• 第2章 不稳定性分析与逐束团反馈理论
• 2.1 束流的横向运动
• 2.2 逐束团反馈阻尼原理
• 2.3 耦合束团不稳定性
• 2.3.1 阻抗壁不稳定性
• 2.3.2 束腔不稳定性
• 2.4 束流信号与频谱理论
• 2.4.1 单粒子频谱
• 2.4.2 均匀等间隔分布束团的频谱
• 2.5 数字信号处理理论
• 2.5.1 离散时间线性非时变系统
• 2.5.2 单位取样响应和卷积
• 2.5.3 离散时间信号和系统的频域分析
• 2.5.4 离散傅里叶变换
• 2.6 数字滤波器设计
• 2.6.1 IIR 滤波器
• 2.6.2 FIR 滤波器
• 2.6.3 数字滤波器的系数量化误差
• 2.7 数字反馈的FIR 滤波器算法实现
• 2.7.1 频域法设计滤波器
• 2.7.2 时域最小二乘法设计滤波器
• 2.7.3 选择FIR 滤波器设计
• 2.8 数字横向逐束团反馈的方法与实现
• 2.8.1 FPGA 芯片的结构特点
• 2.8.2 逐圈信号的分解
• 2.8.3 延时调节功能
• 2.8.4 FIR 滤波器的FPGA 实现
• 2.9 小结
• 第3章 合肥光源数字横向逐束团反馈系统
• 3.1 合肥光源数字横向逐束团反馈系统构成
• 3.1.1 横向振荡模拟检测前端
• 3.1.2 数字反馈处理器的FPGA 程序修改
• 3.1.3 滤波器设计与优化
• 3.1.4 增益放大器
• 3.1.5 横向条带Kicker
• 3.1.6 时钟系统
• 3.1.7 数字反馈系统集成与控制
• 3.2 数字多圈反馈构架
• 3.2.1 多圈反馈原理
• 3.2.2 双板数字反馈系统
• 3.3 用条带电极进行纵向反馈
• 3.4 小结
• 第4章 实验结果与讨论
• 4.1 反馈系统调试
• 4.1.1 RFKO 系统
• 4.1.2 Tune 测量系统
• 4.1.3 单束团时序实验
• 4.1.4 800MeV 反馈相位调试
• 4.1.5 200MeV 注入时反馈系统相位调试
• 4.1.6 放大器四个回路的测试
• 4.2 800MeV 运行状态下的反馈实验
• 4.2.1 抑制800MeV 运行时的横向不稳定性边带
• 4.2.2 降低六级铁电流实验
• 4.3 200MeV 注入状态下的反馈实验
• 4.3.1 反馈增益实验
• 4.3.2 阻尼时间实验
• 4.3.3 横向振荡模式分析
• 4.3.4 反馈系统对于注入的改善
• 4.4 注入时应用反馈系统存在的问题
• 4.4.1 升能过程的反馈系统实验
• 4.4.2 注入时的反馈功率
• 4.4.3 注入过程对于数字反馈系统的影响
• 4.5 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文