合肥光源直線加速器條帶BPM系統(tǒng)的研制.pdf

1、合肥光源(HLS)200 MeV直線加速器建成于1989年,原先用于束流橫向位置測(cè)量的熒光靶,是一種束流攔截型的檢測(cè)器,精度不高,而且難以將測(cè)量結(jié)果數(shù)字化后用于進(jìn)一步的控制和處理。針對(duì)上述情況,需要開(kāi)發(fā)一種非攔截型,精度高,易于將測(cè)量結(jié)果數(shù)字化處理的束流位置測(cè)量(BPM)系統(tǒng)。
　　本論文的選題,就是研制適用于合肥光源直線加速器的束流位置測(cè)量系統(tǒng),同時(shí)考慮該系統(tǒng)在未來(lái)的軟X射線自由電子激光(FEL)裝置上的適用性。本論文的內(nèi)容包括

2、以下幾點(diǎn):直線加速器BPM系統(tǒng)概述、HLS直線加速器BPM系統(tǒng)方案的確定、條帶BPM特性的理論分析、條帶BPM探頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、BPM信號(hào)處理系統(tǒng)的研制、條帶BPM系統(tǒng)的標(biāo)定以及在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)。
　　第一章簡(jiǎn)單介紹直線加速器及其束流測(cè)量手段的發(fā)展歷史,BPM系統(tǒng)的構(gòu)成,給出描述BPM系統(tǒng)特性的主要參數(shù)及其含義。另外通過(guò)日本KEKB和Spring—8直線加速器BPM系統(tǒng)兩個(gè)實(shí)例,介紹了直線加速器BPM的系統(tǒng)組成以及系統(tǒng)應(yīng)用情況。最后介紹

3、了合肥光源直線加速器控制系統(tǒng)現(xiàn)狀,并對(duì)其在束流位置測(cè)量功能的改造升級(jí)方面作了展望。
　　第二章對(duì)鈕扣型BPM、條帶型BPM和諧振腔BPM三種常用的BPM結(jié)構(gòu)以及差比和處理、對(duì)數(shù)比處理、幅度相位轉(zhuǎn)換處理,以及數(shù)字接收處理等BPM信號(hào)處理方案進(jìn)行分析和對(duì)比,并綜合考慮合肥光源直線加速器自身的環(huán)境和束流特點(diǎn),確定合肥光源直線加速器BPM的探頭類型為條帶型,信號(hào)處理方案為對(duì)數(shù)比處理。條帶BPM具有較高的感應(yīng)信號(hào)幅度,在強(qiáng)干擾噪聲環(huán)境中具有

4、較高的信噪比,從而具有較高的空間分辨率。對(duì)數(shù)比處理方案,具有相對(duì)較好的偏移響應(yīng)線性度、較大的動(dòng)態(tài)范圍和適中的成本。
　　第三章分析了作相對(duì)論性運(yùn)動(dòng)電荷的空間電磁場(chǎng)分布,介紹了適用于條帶BPM電極結(jié)構(gòu)的鏡像電荷原理,推導(dǎo)了條帶BPM的靈敏度公式,最后分析了束團(tuán)尺寸和偏移響應(yīng)非線性給差比和處理和對(duì)數(shù)比處理結(jié)果帶來(lái)的影響以及條帶BPM的電極耦合情況及其對(duì)靈敏度產(chǎn)生的影響。
　　第四章介紹了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在加速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,基

5、于Mafia進(jìn)行條帶BPM的仿真和設(shè)計(jì),以及對(duì)加工完成的條帶BPM的特征參數(shù)如特性阻抗、端口反射特性、時(shí)域響應(yīng)、頻域響應(yīng)和電極耦合等進(jìn)行測(cè)量和分析結(jié)果。結(jié)果表明,該條帶BPM的特征阻抗為50±5Ω,2856MHz處的反射系數(shù)為-1.8dB,帶寬大約為400MHz,2856MHz處的電極耦合度大于25dB。
　　第五章介紹了條帶BPM信號(hào)處理系統(tǒng)的研制工作,包括前端模塊、對(duì)數(shù)檢波模塊、信號(hào)采集模塊和軟件模塊子系統(tǒng)的研制。系統(tǒng)工作頻率

6、為2856MHz,信號(hào)處理帶寬為10MHz,對(duì)數(shù)檢波動(dòng)態(tài)范圍為40dB,檢波靈敏度為43.6mV/dB,信號(hào)采集的位數(shù)達(dá)到16位,具有外觸發(fā)和4通道同步采集功能,可調(diào)觸發(fā)延時(shí)為0~1μs,同步采樣率大于100Hz。系統(tǒng)的離線誤差測(cè)試表明,16位BPM系統(tǒng)的1σ誤差不大于20μm,12位BPM系統(tǒng)的1σ誤差不大于30μm。
　　第六章介紹了BPM標(biāo)定方法的分類、合肥光源直線加速器條帶BPM的標(biāo)定平臺(tái)和標(biāo)定控制軟件,給出了標(biāo)定結(jié)果,并

7、分析了該條帶BPM的靈敏度、電中心與機(jī)械中心偏差。標(biāo)定結(jié)果表明,該條帶BPM的水平方向和垂直方向靈敏度分別為1.552 dB/mm和1.476dB/mm,電中心相對(duì)于機(jī)械中心的偏差為(0.212,0.450)mm。
　　第七章介紹了條帶BPM電極信號(hào)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn),條帶BPM系統(tǒng)的在線誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn),條帶BPM系統(tǒng)讀數(shù)與校正鐵強(qiáng)度關(guān)系的實(shí)驗(yàn),束流強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn),以及束流位置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。條帶BPM電極信號(hào)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)表明,電極信號(hào)的