（核技术及应用专业论文）合肥光源bpm真空室位移监测系统的研制.pdf

摘要 摘要 合肥光源存在束流水平轨道缓慢漂移的现象，影响到光源质量的稳定。导致 束流水平轨道缓慢移动的原因是束流位置探测器( b p m ) 发生水平位移。束流 真空管道因受到同步辐射光照射和环境温度的变化而发生热膨胀而表现出水平 方向的形变位移，附着于真空管之上的束流位置探测器( b p m ) 随真空管的形 变也产生水平位移，这将导致b p m 系统测量的数据不仅包含束流自身水平轨道 漂移而且包含b p m 真空室水平位移。当未加修正的b p m 系统测量得到的水平 数据被反馈至慢速轨道反馈系统后，系统将强行校正束流水平轨道，使得轨道随 b p m 位置变化而强行移动。 为了抑制束流水平轨道的漂移，本文开发了合肥光源b p m 真空室位移监测 系统用来实时监测全环2 4 个b p m 真空室的水平位移，并将位移数据反馈给慢 速轨道反馈系统，使得慢速轨道反馈系统能够计算出正确的束流水平轨道位置， 从而能够正确校正轨道，保证轨道不受b p m 水平方向持续变化的位移影响。 b p m 真空室位移的测量工具采用2 4 个r f 2 0 3 型光栅位移传感器，由r s 4 8 5 总线型网络并联连接在一台工控机上组成了b p m 真空室位移监测系统。工控机 采用轮询的方式读取2 4 个光栅位移传感器的测量数据，并将数据经由以太网的 c h a n n e la c c e s ss e r v e r 发布至合肥光源控制系统。 合肥光源b p m 真空室位移监测系统将有效抑制束流水平轨道的漂移，提高 合肥光源的运行质量。 本论文为国家自然科学基金项目( 1 0 2 7 5 0 6 2 & 1 0 6 7 5 1 1 8 ) 资助。 关键词：束流水平轨道同步光热效应b p m 真空室位移慢速轨道反馈 光栅位移传感器 a b s l r a c t a b s t r a c 丁 s i g n i f i c a n td r i f t si nt h eh o r i z o n t a lb e a mo r b i ti nt h es t o r a g er i n go fh l s ( h e f e i l i g h ts o u r c e ) h a v eb e e ns e e n t h em a i nr e a s o n i st h eh o r i z o n t a ld r i f to fb e a m p o s i t i o nm o n i t o r ( b p m ) c h a m b e r sd u et ot h e r m a le x p a n s i o nc a u s e d b y t h e s y n c h r o t r o nl i g h ta n da m b i e n tt e m p e r a t u r e ，w h i c hw i l ld e f i n i t e l yi n f l u e n c et h eb e a m p o s i t i o nr e a d o u t a c c o r d i n g l yt h es l o wo r b i tf e e d b a c k ( s o f b ) s y s t e mw i l lm a k ea w r o n gc o r r e c t i o nb a s e do nt h ef a l s er e a d o u tc o n t i n u o u s l y t h em s t o k er e s u l t si nt h e i n s t a b i l i t yo ft h eb e a m t om o n i t o rt h eb p mc h a m b e rm o t i o nf o ra l lb p m s ，ab p mc h a m b e rm o t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e mi sb u i l t i nr e a l - t i m e ，w i t ht h e h e l p o ft h es y s t e m ，t h e d i s p l a c e m e n to ft h eb p m c h a m b e rm o t i o nw i l lb em e a s u r e da n df e db a c kt os o f bs o t h a tt h eb e a mo r b i tc o u l db ec o r r e c t e dr i g h t l y t h eb p mc h a m b e rm o t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi nh l si sm a i n l yc o m p o s e do f 2 4r a s t e rg a u g e sa n da ni p c ，w h i c hc o n n e c tw i t he a c ho t h e rt h r o u g hr s 4 8 5b u s t h e i p ci sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o l l e c t i o no ft h ed a t af r o mr a s t e rg a u g e s ，p r o c e s s e sa n d s e n d st h e mt ot h eh l sc o n t r o ls y s t e m t h ed r i f t si nt h eh o r i z o n t a lb e a mo r b i tw i l lb cr e s t r a i n e db yt h eb p mc h a m b e r m o t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hw i l l s t r a t e g y s t a b i l i z et h eb e a mo r b i t ac o m p e n s a t i o n t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 10 2 7 5 0 6 2 & 1 0 6 7 5 1 1 8 ) k e yw o r d s ：b e a mh o r i z o n t a lo r b i t ，t h e r m a le f f e c to fs r ，r a s t e rg a u g e ， s l o wo r b i tf e e d b a c k ，m o v e m e n to fb p mv a c u u mc h a m b e r i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：趟 签字日期：一z 0 0 7 多口 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ，么开口保密( 年) 作者签名：燮导师签名： 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1合肥光源b p m 真空室位移监测系统研制的背景及意义 合肥光源是我国自行研制的第一台以真空紫外和软x 射线为主的专用同步 辐射光源。同步辐射光束是由电子束流在弯铁和插入元件处产生的。由光束传输 线引出到实验站供用户研究使用。光源的稳定对用户来说至关重要，因此保持储 存环电子束流轨道的稳定成为合肥光源柬流测量与诊断研究的重要目标。 为了保证轨道的稳定性，合肥光源电子储存环的慢速轨道反馈系统投入使 用，该系统很大程度上抑制了全环轨道的漂移，有效地提高了全环垂直轨道的稳 定性，并且大大改善了绝大部分束流水平轨道的稳定性。但是在个别b p m 处， 仍然观测到了束流水平轨道的有规律地缓慢漂移现象。 世界上其他一些实验室的电子储存环也存在着类似束流水平轨道漂移的现 象，各实验室展开了相应的研究，建立了相应的解决方案。 通过对比各实验室的研究以及在合肥光源进行的前期实验表明引起合肥光 源束流水平轨道漂移的主要原因是由同步辐射光的照射和环境温度引起弯铁周 围真空室热膨胀，并直接导致附着其上的束流位置探测器( b p m ) 随之发生移 动，使得柬流水平轨道被慢速轨道反馈系统错误地校正而发生漂移。 为了抑制这种现象，在合肥光源研制了b p m 真空室位移监测系统。该系统 可以实时监测b p m 真空室的受热形变位移，并将位移数据实时反馈至合肥光源 控制系统，使得慢速轨道反馈系统可以得到束流水平轨道真实位置，对轨道加以 正确修正。 b p m 真空室位移监测系统将有效地抑制束流水平轨道的漂移，保持束流诸 参数的稳定，为用户提供了质量更加稳定的光源。 1 2 研究目标、内容和创新点 本文的研究目标是希望通过合肥光源b p m 真空室位移监测系统的研制来实 对测量b p m 真空室位移，并与闭轨慢反馈系统一起抑制由同步辐射光的照射和 环境温度引起的束流水平轨道的漂移。 全文一共分为五章，主要阐述以下内容： 1 、国内外各实验室束流水平轨道漂移盼主要研究现状 各实验室研究表明，束流水平轨道漂移的根本原因为因温度因素导致的束流 第一章绪论 真空管道形变位移，b p m 与四极铁随真空室形变而发生位移成为束流水平轨道 漂移的直接原因。 2 、合肥光源束流水平轨道漂移的主要原因。 在合肥光源中，束流水平轨道漂移的现象主要是由于b p m 真空室水平位移 造成的，而无四极铁位移因素参与。当束流真空管受到同步辐射光的照射时，由 于辐射热效应而导致自身发生纵向形变，使得真空室沿水平方向的产生位移，附 着于其上的b p m 随之也发生水平位移，导致b p m 测量系统错误地判断当前束 流轨道位置，当未加修正的b p m 读数反馈给慢速轨道反馈系统时，系统便认为 束流轨道发生变化而强行校正，轨道由此发生漂移现象。 3 、合肥光源b p m 真空室位移监测系统研制 b p m 真空室位移监测系统对全环2 4 个b p m 真空室进行监测。选用的测量 仪器为r f 2 0 3 型光栅位移传感器，测量网络采用r s 4 8 5 总线拓扑结构，由软件 系统对2 4 个光栅位移传感器轮询，以得到实时的b p m 真空室位移，将测量得 到的数据利用c h a n n e la c c e s ss e r v e r 发布至以太网，由合肥光源控制系统读取通 道以获得2 4 个b p m 真空室位移，并由慢速轨道反馈系统正确校正轨道。 通过b p m 真空室位移监测系统的研制，束流水平轨道的漂移得到显著抑制， 这将改善合肥光源的轨道稳定性。 根据以上研究内容，本文的创新点是在国内首次研制了基于光栅位移传感器 的b p m 真空室位移监测系统，从而提高轨道校正和轨道反馈的有效性。 2 第二章国内外研究现状 2 1概述 第二章国内外研究现状 束流轨道漂移在世界上众多电子储存环中是一个较为普遍的现象，各实验室 都不同程度重视这个问题，并展开了相关研究，取得了一些阶段性的成果，这对 我们解决储存环束流轨道漂移问题具有积极的借鉴意义。 根据国内外各实验室的研究成果表明，束流轨道产生漂移的最根本原因是由 于储存环在运行时同步光照射和环境温度引起的真空室温度升高而导致真空室 热膨胀形变，而真空室膨胀形变的又产生了两个直接的原因导致了束流轨道的漂 移：一是束流位置探测器( b p m ) 的移动导致误判轨道位置而产生的束流轨道 漂移：二是四极磁铁的移动导致的聚焦或者校正偏差而产生的轨道漂移。还有其 他原因例如储存环环支撑的移动导致束流轨道的变化，不是本文重点关心的问 题，在此不一一赘述。 存在束流轨道漂移的各实验室也都不同程度建立了相关的反馈系统用于抑 制束流轨道的漂移，以稳定束流，改善光源质量，这对合肥光源b p m 真空室位 移监测系统的建立是具有启发意义的。 2 2 真空室形变而导致b p m 移动相关研究 在世界各实验室中，尽管电子储存环构造不尽相同，但由真空室形变导致 b p m 的位置变化却成为大多数实验室柬流轨道漂移的主要原因。 2 2 1 美国阿贡国家实验室( a n t ) b p m 移动研究简介叫 在a n l 的a p s 电子储存环中，研究人员观察到了束流轨道的漂移，在随后 的研究中，研究人员认为温度因素是导致轨道漂移的原因：一是同步辐射光的热 效应导致真空室的温度变化；二是水冷系统的温度变化；三是空调系统的温度变 化导致真空室的温度变化。这三个因素互相影响，联系紧密。 图2 1 显示了在a p s 运行时，储存环不同位置的温度变化与束流的强弱有 极强的规律性，研究人员认为这种情形主要是由于同步辐射光照在真空室的引起 的规律性温度变化。当束流强度急剧上升时，温度也随之上升，当束流缓慢下降 时，温度也缓慢下降，当束流去除时，温度也随之急剧下降。 3 第二章国内外研究现状 1 0 0 l 、 iu 28 。超 导。o 【鼍 ll 毫 84 0 l l2 0 i 委 。瞳 i 图2 1 在a p s 运行时，不同位置的温度随束流大小的变化趋势 诤 终 图2 2a p s 水冷系统的温度与b p m 水平及垂直位移的变化曲线 对于a p s 电子储存环来说，研究人员认为b p m 位移最直接的温度因素是其 水冷系统的温度变化，从图2 2 可以看到b p m 随真空室的形变而发生的位移与 水冷系统的温度变化有较强的关联性，无论从水平还是垂直方向，b p m 的位移 与水冷系统的温度成绝对值的正比关系，峰值均可达6 0 p m 左右，这时b p m 由 于自身也产生了移动而无法正确探测束流位置。a p s 的实验结果最直接的揭示了 由于辐射热效应所导致的温度变化是真空室产生形变的本质原因，也是b p m 移 动的本质原因。 2 。2 。2 日本高能物理研究所b 介子工厂( k f k b ) b p m 移动研究简介口1 在k e k b 中，b p m 同样存在着移动的现象，尤其是在弯铁周围的b p m 发生 4 第二章国内外研究现状 位移的现象尤为明显，在文章后面的讨论可以看到。这一点与合肥光源的情况很 像。 h e r b e a m 图2 3k e k b h e r 的b p m 与弯铁位置示意图 在图2 3 中我们可以看到，在k e k b 的高能量环( h e r ) 相关研究中的被 测b p m 处于弯铁下游，b p m 本身也是附着在真空室之上的，所以在其相关研究 中直接测量了弯铁处的真空室位移，以此可以衡量弯铁下游b p m 的位移大小。 在图2 4 中我们可以看到，弯铁处真空室的位移与h e r 束流大小有极强烈 的关系，为了方便起见，我们假设图中真空室位移最高点为参考原点。在新的参 考系下，当柬流去除时真空室位移绝对值迅速变为零；当束流急剧升高时，位 移绝对值也急剧升高：当束流平缓稳定或者缓慢减小时，真空室位移也随之变为 缓慢变化。 霉 量 。 量 再 呈 暑 岂 图2 4h e r 弯铁处真空室与束流流强的关系曲线 研究人员认为，同步光辐射热效应导致真空室形变是真空室产生位移的主要 原因。h e r 束流流强可达1 2 8 a ，能量极高，所以在h e r 弯铁处产生的同步光 热效应十分强烈，真空室位移峰峰值可达1 4 m m 。由此引发的b p m 位移也必定 十分显著。这对h e r 束流轨道的准确探测及校正带来了重大影响，目前k e k b 正在着利用位移检测器建立b p m 位移监测系统解决这一问题。 5 第二章国内外研究现状 2 2 3巴西国家同步辐射光源( l n l s ) 的b p m 移动研究简介【4 1 巴西l n l s 也存在着b p m 的位移问题，由于l n l s 的结构、束流参数与合 肥光源较为类似，所以其相关研究对于合肥光源来说具有积极的借鉴意义。在 l n l s 中，大多数b p m 附着在束流真空管上，当真空室受到同步光辐射时产生 形变，b p m 随之发生位移。 笛o 2 0 0 啪著 1 0 0 量 鲐 0 图2 5l n l s 单个b p m 真空室段的环内外水平方向位移测量与束流流强曲线 如图2 5 所示，研究人员在单个b p m 真空室段的环内侧与环外侧水平方向 同时装配位移传感器，测量该真空室段的内外侧的位移趋势，我们可以看到内外 两侧位移的方向是相同的，大小也是基本相同的，也就是说b p m 真空室是作为 整体发生水平位移的。当束流流强迅速增高时，真空室位移也迅速增大，当流强 缓慢下降时，位移也随之减小，当流强消失时，位移也随之迅速消失。在后面我 们可以看到，我们的早期实验与l n l s 的实验结果十分类似。 2 3真空室形变导致四极铁移动相关研究 在各实验室储存环中，一些实验室的四极铁的稳定性不同程度的受到了温度 因素的影响，这些温度因素有些来源于真空室受热，有些来自水冷系统。如果真 空室因温度变化发生形变，四极铁的稳定性便受到极大的影响。 2 3 1英国达斯伯里实验室同步辐射光源( s r s ) 四极铁移动研究简介 在s r s 中，束流轨道存在着漂移现象，研究人员经研究发现，轨道漂移与 四极铁的移动有关，而造成四极铁移动这种现象的主因是其水冷系统温度随束流 大小变化而变化。图2 6 是s r s 研究人员对其四极铁移动的与水冷系统变化的监 测示意图。 6 第二章国内外研究现状 謇 。： 墨 星 若 图2 6s r s 单个四极铁及水冷系统监测示意图 图2 7s r s 水平方向四极铁位移与水冷系统温度变化趋势 图2 7 显示了s r s 单个四极铁在水平方向的位移曲线与其周围水冷系统的温 度变化关系。研究人员认为，水冷系统的温度变化是来源于束流的辐射热效应， 故其温度曲线与束流的状态有很大关系。与此同时，四极铁由于水冷系统的温度 变化发生位移，由图中可见环内侧与环外侧的传感器读数方向相反，大小几乎相 等，即四极铁作为一个整体向环的外侧移动，移动的趋势与水冷系统的温度是成 正比关系的。 由于s r s 全环的轨道都观测到了束流漂移，所以研究人员认为四极铁位移 对于全环来说是一种普遍的现象，温度因素是罪魁祸首。在s r s 后来的研究当 中，研究人员也观测到了b p m 的随真空室温度的变化而产生位移的现象，与前 文所述情况相似。事实上，很多实验室研究都显示其四极铁位移与b p m 位移同 时存在，共同影响着束流轨道的稳定。 7 第= 章国内外研究现状 232 德国多特蒙德大学d e l t a 电子储存环四极铁位移研究简介 在d e l t a 中，研究人员同样观察到了束流的漂移，并对b p m 与四极铁进 行了监测。图28 显示了位移传感器在四极铁外部的安装情况。 圈2 8d e l t a 川极铁外部位移传蘑器的装配实物图 匾 i r 碍砸 j 1 2 ：赫? 、，尊7、- j 周2 9d e l t a 四极铁位移与柬流流强关系 研究人员通过观测得出结论，与s r s 情况类似，四极铁的位移是由水冷系 统的温度变化引起的，而水冷系统的温度是随着束流流强变化而变化的，图2 9 显示了四极铁位移与束流流强基本成正比关系，有力的支持了这一结论。同样的， 研究人员也观察到由于d e l t a 的b p m 也是附着在真空室之上的，束流的辐 射效应使得真空室发生形变引起了b p m 的移动，这两种因素同时导致了d e l t a 束流轨道的漂移。 第二章国内外研究现状 24 其它相关研究 除了以上讨论的两种主要造成束流轨道不稳定因素外部分实验室还展开丁 其他相关研究。我国台湾新竹s r r c 曾经进行了b p m 的长期稳定性研究【i ，研 究人员认为b p m 自身位置的长期稳定性也是影响柬流稳定的因素，为此研究人 员在整个电子储存环的环支撑上安置了6 个位移监钡i 器，分别处于环构造的六个 角上，安装示意图见图21 0 。 s 图2l os r r c 环支撑的位移监测器安装位置 1 1 m e 图2 1 1s r r c 环支撑住移监删器监测结粟 在长达1 6 8 个小时的监测巾，环支撑表现为周期性的位移变化( 见图2 1 1 ) ， 根有规律的是，每2 4 小时环立撑的位移曲线表现为两次周期性振荡，经过研究 9 t2u邑，b口ge售5u譬t* 第二章国内外研究现状 人员研究发现，这种环支撑的位移震荡是实验室周边海洋潮汐的涨落冲击陆地造 成的，潮汐涨落为一天两次使得环支撑的位移一天存在两次震荡，位移震荡幅度 最大的方向为东西方向，这也与周边海洋潮汐方向相符。最大位移振幅为3 6 9 m ， 这对置于环支撑之上的b p m 是一个不可忽视的偏移。这种地形因素导致的束流 轨道不稳定的实例对于新的储存环的建设选址是一个很好的前车之鉴。 同时，s r r c 研究人员也发现，附着于真空室之上的b p m 同样存在着由于 同步辐射光热效应产生真空室温度变化，因此导致的b p m 发生位移，这也是造 成s r r c 束流轨道不稳定的重要因素。 2 5 结论 通过以上的介绍我们可以发现，在世界各实验室储存环中由于温度因素而导 致的束流轨道漂移的现象是普遍存在的。在诸多因素中，真空室形变导致的b p m 位移问题是直接导致束流轨道漂移的主要原因，各实验室致力于建立全环的位移 监测系统，希冀能够改善这种状况，或者设计新型的b p m 来摆脱这种问题的困 扰。对于合肥光源来说，我们选择了前者即建立全环范围的b p m 监测系统，来 抑制这种慢速轨道反馈系统无能为力的束流水平轨道漂移。接下来让我们先来介 绍一下合肥光源对于束流轨道漂移问题的早期研究。 l o 第三章合肥光源束疏轨道漂移的探索性研究 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 3 1 束流轨道漂移的现状 在合肥光源电子储存环中为了提高束流轨道稳定性，从2 0 0 6 年1 2 月开始， 台肥光源的全环闭轨校正系统的慢速反馈系统【”投入使用，该系统很大程度上抑 制了全环轨道的漂移，有效地提高了全环垂直轨道的稳定性，并且改善了绝大部 分水平轨道的稳定性。 圈3 1 有无慢速轨道反馈时柬流水平轨道的漂移 然而在光源实际运行当中，仍然观测到了部分束流水平轨道的漂移。图3l 显示了两次在同一时刻，全环轨道在有无慢速轨道反馈时柬流水平轨道的漂移， 由图可见存在慢速轨道反馈时，部分轨道尤其是弯铁周围的束流轨道存在着较大 的漂移，大部分轨道漂移方向是向环外方向的吼下面我们以单个b p m 处轨道 为例。 ( a ) 无轨道反馈有轨道反馈 圉3 2q 3 e 和q 4 e 处b p m 束流永平轨道的漂移 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 如图3 2 a 所示慢反馈系统投入使用前q 3 e ，q 4 e 处水平方向轨道绝对位置 的记录。q 3 e 的轨道非常明显的沿正方向( 即向环外侧) 缓慢漂移，由图可知在 9 小时内位移约为2 2 0 p r o ，q 4 e 在9 小时内的位移约为1 6 0 p r o 。 在慢反馈系统投入使用后轨道漂移现象仍然存在，由图3 2 b 可知q 3 e 处的 束流水平相对轨道( 相对于基准轨道) 在9 小时内沿正方向( 即向环外侧) 移动 了1 0 0j _ t m 左右，q 4 e 的束流水平相对轨道( 相对于基准轨道) 漂移方向与图3 2 a 相反，是沿负方向( 即向环内侧) 移动，9 小时内的位移是6 0 p m 左右。q 4 e 处 轨道漂移方向的变化是由c o d 系统的慢速反馈引起的，这是因为储存环束流轨 道校正是通过b p m 附近的若干个校正线圈配合该b p m 临近的四极铁完成的， 对q 3 e 处的轨道校正需要联合校正线圈c q l e 、c q 4 e 、c q 5 e 和四极铁b q 3 e 共同完成，在改变q 3 e 处轨道的同时，也不可避免地改变了q 4 e 处的轨道，并 且在q 4 e 处轨道的改变量甚至要超过q 3 e 处的轨道改变量，如图3 3 所示。 o r b i t 一 q l eq 2 e q 3 e q 4 eq 5 e q 6 e h o r i z o n t a lc o r r o c t o rm a g n e t 图3 3q 3 e 轨道校正示意图 q 3 e 的轨道漂移使得慢速反馈极力阻碍轨道在q 3 e 处的变化。在慢速反馈 将q 3 e 处轨道向负方向抑制的过程中，在q 4 e 处形成了更强的抑制。q 4 e 处轨 道在单位时间内的漂移位移小于q 3 e 处，这致使q 4 e 处的轨道被过度抑制而向 反方向移动。慢速轨道反馈系统无法抑制q 3 e 、q 4 e 处束流轨道是显而易见的。 q 3 e ，q 4 e 均处于弯铁下游，在研究了各实验室的研究报告后，我们认识到真空 室的热膨胀与收缩可能是轨道漂移的主要原因，所以我们开展了相关的初步研 究。 3 2 真空室温度变化测量汨1 首先我们对环内侧与环外侧q 3 e 真空管壁的温度进行了测量。将温度传感 器贴附在q 3 e 处b p m 附近的真空管壁上，环内侧和环外侧各贴附一个。测量得 到的结果如图3 4 所示。 1 2 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 由图3 4 可以看出q 3 e 真空室管壁温度的变化规律如下：储存环外侧管壁温 度高于环内侧管壁温度：管壁温度在注入和升能( r a m p i n g ) 过程中迅速升高， 在运行过程中随流强减弱而降低。 2 0 0 7 0 4 1 42 0 0 7 0 4 1 5 b mc u r t e c r 图3 4q 3 e 处真空室环内环外表面温度与束流流强变化曲线图 我们对比其他实验室的研究结果可知，真空室管壁的温度升高正是由于同步 辐射光照射在真空室外侧管壁所导致的，这也是外侧管壁温度高于内侧管壁的主 要原因，随着流强的强弱变化，辐射热效应也发生强弱的变化，管壁温度因此与 束流流强有着正比的关系。 在3 4 图中我们还观测到了温度有4 0 m i n 的周期波动现象，为此我们重绘了 管壁内外侧与环境温度的曲线进行比较，如图3 5 所示。 图3 5 中，环境温度为环空气温度探测器a i r 0 6 ( 在q 3 e 附近) 所记录的空 气温度变化，可以看到其变化周期也为4 0 m i n ，温度变化约为o 5 0 c ，这种温度 的周期波动是由于合肥光源的恒温系统对环内的空气温度进行调节造成的，它通 过p i e ) 方法稳定空气温度。恒温系统的工作原理是首先确定空气温度的上下阈 值，当气温超出阈值范围时恒温系统开始对空气温度变化进行约束，使其保持在 上下阈值范围内。我们可以从图中看到，管壁的温度周期变化与环境温度周期变 化是一致的，都是4 0 m i n 左右，所以我们可以判断，管壁的温度周期性波动变化 1 3 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 是由于恒温系统环厅温度调节造成的。由以上讨论我们可以得出这样的结论：环 境温度变化也是导致真空室漂移的原因之一。 p 、 罂 三 巴 e i 竺 图3 5q 3 e 真空室环外和环内温度及环境温度的测量比较 在了解真空室温度的变化以后，下面我们来具体测量一下b p m 的水平方向， 看是否如预期一样产生了水平位移。 3 3b p m 的水平位移测量 3 3 1 测量工具的选用 由于储存环真空室的形变非常细微，需要使用精密的位移测量仪器。各实验 室采用的测量仪器不尽相同，见表3 1 。 由表3 1 可以看出，多数实验室采用了线性电压位移传感器( l v d t ) ，上一 章的图2 8 正是这种仪器在德国d e l t a 光源的使用实物图，但是这种仪器存在 着抗电磁干扰差的缺点，合肥光源b p m 真空室旁安装的四极铁周围会产生较强 的磁场，这将有可能影响l v d t 的有效工作。如果采用巴西l n l s 的机械尺，又 将给记录带来很大的困难，并且几乎不可能最终做成反馈系统加以应用，所以我 们理想的测量工具应该是抗电磁干扰性强且能够电子记录位移的产品。 经过对比，我们选用光栅位移传感器对真空室形变进行测量，光栅位移传感 器的工作原理是利用光栅之间的相对移动将位移转换为通过栅格的光信号，再将 光信号转换为电信号处理后得到位移值，测量过程不容易受到电磁场的影响，因 此在b p m 真空室所处的环境下光栅位移传感器能够对其位移做出精确测量。 1 4 第三章合肥光源束薪c 轨道漂移的探索性研究 表3t 备实验室测量位移所用的仪器 实验室所用测量工具 n l s l p a l s r r c l i n e a r v o l t a g ed i s p l a c e m e n t t r a n s d u c e r s d e u h a n ll e i c a l 卫3 0 0 l a s e r t r a c k e r l b n lp r e c i s i o nd i a l i n d i c a t o r s i ，n ism e c h a n i c a lg a u e e s k e k b g a pd er e c t o r 具体产品我们选j t j 了r i f t e k 公蒯r f 2 0 3 4 光栅位移传感器，其通过r s 2 3 2 串口狮议进行数捌通讯。具体的f b 气特十牛我们将n 后文加以_ f 1 _ 细介绍。 3 32q 3 e 处b p m 真空室位移的j 则量 我们在q 3 e 处b p m 真空室环内侧与环外侧分别安装了r f 2 0 3 型光栅位移 传感器，由磁性表座固定在环支撑上，探头垂直于真空室侧表而的切线方向，用 来测量q 3 e 处b p m 真空室环内侧与环外侧的水平形娈位移。r f 2 0 3 安装见图 36 ，3 7 。 镕镕自镕镕* 一一天 j 矿 。 图3 6r f 2 0 3 在q 3 e 处b p m 真空室环内，外例安装示恿崮 第三章台肥光源束流轨道漂移的探索性研究 圈3 7r f 2 0 3 安装实物图 环内侧r f 2 0 3 的读数方向与b p m 读数方向相反，环外侧r f 2 0 3 与b p m 读 数n 向相1 叫，故环内r f 2 0 3 读数增大代表管壁向环内侧移动；环外r f 2 0 3 读数 增人代表管壁向环外侧移动。每2 0 s 记录一个读数读数记录如图3 8 显示。 z 口 田 8q 3 e 扯b p m 真空室彤变与柬沆漉强变化示意目 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 蛔m u j i e i - i 。- j 幡 ， dc c l 掣 一n l ，_ 厂 。i iu n 。 心i i 厂：1 1 浏 b0 i e ， ， r 。 。： 、l、 、 、 p 州 0 4 - 1 10 4 1 10 4 - 1 10 4 - 1 10 4 - 1 2o 一1 20 4 1 20 4 - 一1 20 4 - 1 2 0 4 - 1 20 4 1 20 4 - 1 2 2 0 ：0 02 l ：0 02 2 - ：0 02 3 ：o o0 0 ：0 00 1 ：0 00 2 ：0 0 0 3 ：0 00 4 ：0 00 5 ：0 0 ：0 00 7 ：0 0 t i m e 【g b f t + 川 图3 9q 3 e 处b p m 读数中的波动现象 从图3 8 我们可以观察到q 3 e 真空管壁内侧与外侧的形变方向是一样的，即 真空室的水平方向尺寸几乎没有变化，是作为整体而移动的。注入与r a m p i n g 过程中，真空室向环外迅速移动，在运行过程中则缓慢向环内收缩，当束流去除 时，真空室迅速收缩至初始位置，随光源运行周而复始，基本与流强成正比例关 系。真空室形变的过程也不是平滑的，也拥有4 0 m i n 的波动周期，与恒温系统调 节环厅温度的周期一样。另外，b p m 的读数也拥有4 0 m i n 的波动周期，如图3 9 所示。据此分析可知，环境温度引起的真空室水平位移约为1 0 p m 。 b p m 真空室位移曲线与前文分析的真空室温度变化曲线( 见图3 4 ) 具有极 强的相似性，我们几乎可以断定，合肥光源b p m 真空室产生位移的主要原因是： 由于同步辐射光照射在管壁外侧使得真空室受热膨胀和环境温度引起真空室管 壁温度变化，因此真空室产生位移，同时使得附着在其上的b p m 随之也发生了 位移。 3 4 波纹管的形变研究 为了更进一步了解真空室的形变的特点，我们对q 3 e 附近的波纹管到下游 q 3 e 、q 4 e 处真空管纵向形变进行了测量。如图3 1 0 所示为波纹管在储存环所 处位置，可以看到波纹管正处于弯铁下游，处在同步光照射真空管壁不远的地方， 由此可以推断波纹管应该具有较大形变。 1 7 一鼍一芒，吾e0- 枷 勋 啪 勘 毒； 哪 啪 靳 第三章台肥光源束流轨道漂移的探索性研究 圈3 1 00 3 e 附近波纹管在储存环所处位置 田3 1 i波纹管上= r f 2 0 3 监测位置示意图 图3 t1 显示了波纹管与下游q 3 e 、q 4 e 处真空管j - r f 2 0 3 监测的四个位置， 分别是a 、b 、c 、d 四点，其中在a 、b 、d 三三点r f 2 0 3 测量波纹管的纵向形 变其中a 、d 测量点r f 2 0 3 读数正方向相同，在b 点与前者读数方向相反， 在c 点测量的是真空管垂直于环支撑的变化_ ，j _ 向。测量结果如图3 1 2 所示。 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 图3 1 2 波纹管形变与束流流强曲线 由图中可知，。在1 2 个小时内，波纹管与下游真空管纵向方向发生了较为显 著的形变。图中束流流强曲线是r a m p i n g 结束时刻开始绘制的，则a 、b 、c 、 d 四点的位移参考点为r a m p i n g 结束时刻被测波纹管与下游真空管的形变状态， 设a 点r f 2 0 3 的读数方向为纵向形变的正方向，由图中可得，a 点形变在储存 环r a m p i n g 结束后继续迅速增大，尔后逐渐减小( 这种滞后效应也在b p m 真空 室形变中存在，在第四章的讨论中我们可以看到这一点) ，a 点形变方向与正方 向相反，这种变化趋势显示了波纹管的形变的确与同步光辐射热效应的强弱有 关。b 点的形变方向与正方向相反，形变绝对值大小变化趋势与a 点相同，形 变幅度大于a 点。d 点的形变方向与正方向相同，形变绝对值大小变化趋势也 与a 点相同，幅度相似。 因此我们可以得出这样的结论：作为整体，波纹管与下游真空管的纵向形变 由a 、d 两点监测，a 点形变与正方向相反，d 点形变与正方向相同，表明作为 整体的波纹管与下游真空管在纵向发生了膨胀；a 、b 两点形变方向相同，但是 b 点形变显著大于a 点，表明波纹管的波纹部分由于真空管部分的膨胀而导致 自身被大大压缩了，见图3 1 3 。 对于c 点来说，由3 1 2 可见不存在任何位移，这说明在竖直方向真空室不 存在明显的形变位移，这可由合肥光源的构造来解释：整个储存环都是放置在环 1 9 第三章台肥光源束流轨道漂移的探索性研究 支撑之上的所以真空室的底部与环支撑之间的空间位置是相对稳定的，所以真 空室在竖直方向上不会存在明显形变。 图3 1 3 波纹管形变示意图 d- i ；! t i - jp 、l ， l 一 i o 由对波纹管与下游真空管的研究可见，台肥光源储存环真空室的确存在着由 同步光热效应引起的纵向形变，导致储存环的周长变化，储存环作为整体其曲 率半径也随之变化，因而在局部譬如说在b p m 直空室段，存在着水一r 形变，也 就足3 3 节所述的b p m 真空室段的水平位移，这将引起束流轨道的不稳定。 3 5台肥光源四极铁的水平位移的测量 在各国实验室中，b p m 真空室水平位移与阴极铁水平位移常常是同时存在 着的，都是造成柬流轨道不稳定的重要因素，为此我们也对合肥光源四极铁位移 进行了研究。 研究对象选择q 6 s 附近的四极铁，并1 - - 1e 酋j 时对q 6 s 、q s s 处b p m 真空室进 行测量，以用来进行对比见图3 1 4 。 厂晒5环支撑 7 - 岫钎 环外测 一_ 【。，一 一j l il ：i l 滚必 2 ； ： e 舔灏闭 r 上 卜一 ( l ， 5 i 【j - 1 1 一 l c = 一【_ _ _ _ _ _ 一 l p l! 环内侧 i 严漪肝，0 黜 嗽。站 剥 陡 隔 圈3 t 4q 6 s , q s s 生上四极铁厦b p m 真空室测量示意图 2 0 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 测量工具我们仍然选用r f 2 0 3 ，此次测量b p m 真空室漂移的r f 2 0 3 全部于 环内侧安装，安装方式与3 - 3 节所述相同：对于四极铁，我们利用r f 2 0 3 垂直装 配于四极铁环内侧的侧表面进行测量，磁性表座均安装于环支撑上，即以环支撑 为测试参考点。 图3 1 5b p m 真空室及四极铁位移曲线 测试结果如图3 1 5 所示，在长达1 2 0 小时的时间里，四极铁几乎不存在水 平方向的位移，仅有一些误差级别的扰动，而与此同时q 6 s 、q 5 s 两处的b p m 真空室则表现出了强烈的周期性水平移动，其变化与束流流强周期是一致的。 我们对其他四极铁的监测也有力的证明了这一点，即在合肥光源运行当中， 四极铁与环支撑相对位置保持稳定，合肥光源束流轨道漂移的主要原因应该全部 来自于b p m 真空室的位移，接下来我们将讨论的重心全部转到b p m 真空室位 移与束流轨道漂移的关系上来。 3 6 束流轨道漂移成因 前文所述，对于合肥光源来说，束流轨道水平漂移的主要原因是b p m 真空 室的水平位移。由于合肥光源采用了慢速轨道反馈系统来抑制轨道的漂移，则导 致束流轨道水平漂移必定是b p m 与慢反馈系统共同作用的结果，基于这种假设， 我们绘制了相关曲线来找出b p m ，慢反馈系统，以及轨道漂移之间的关系。 实验数据仍基于r f 2 0 3 对q 3 e 处b p m 的水平位移测量【9 】，见图3 1 6 。 2 l 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 2 0 0 7 0 4 1 5 2 0 0 7 t n 4 16 b 跗疽b 删暑8 l a i d 删o u l 耐l 图3 1 6q 3 e 处b p m 真空室位移与b p m 轨道测量读数曲线 图3 1 6 绘制了q 3 e 处b p m 真空室管壁内外侧位移( 已绝对值化) 与b p m 水平方向读数曲线，此时处于束流流强缓慢减少期间，真空室向环内缓慢收缩。 b p m 水平方向读数的正方向是由环内指向环外，与q 3 e 真空室收缩的方向相反。 由于b q 3 e ( 即q 3 e 处b p m ，下同) 和束流轨道的相对运动，当q 3 e 真空室向 环内收缩时，束流轨道相对于b q 3 e 向环外移动。在图3 1 6 中我们可以看到真 空管位移量大于b q 3 e 轨道测量读数的漂移。 从b q 3 e 的轨道测量读数中减掉b p m 真空室位移的读数，得到除去相对运 动成分的束流轨道变化如图3 1 7 所示。 2 0 0 7 0 4 1 52 0 0 7 0 4 1 f l8 p mr e a d 叫椭o o a e c 岫n 图3 1 7 无相对运动成份的b q 3 e 轨道测量读数飘移 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 从图3 1 7 可以看到，实际的轨道移动是向环内方向( q 3 e 测量的负方向) 进发的。由于慢速反馈的作用，q 3 e 位置的束流轨道变化会被抑制。所以，当 q 3 e 处真空室自身移动时，慢速反馈将会强迫束流轨道跟随q 3 e 真空室的移动， 而图3 1 6 所反映的即时束流轨道在跟进q 3 e 真空室的移动。 加0 7 0 4 1 52 0 0 7 0 4 1 6 ，o 煳m 叼n _ i t | 9 图3 1 8 校正线圈电压和b q 3 e 轨道测量读数 在合肥光源中，慢速反馈系统使用校正线圈对束流轨道进行调整，调整q 3 e 处的束流轨道将会使用到校正线圈c q i e 、c q 4 e 和c q 5 e 。从图3 1 8 我们可以 清晰的看到校正线圈c q 4 e 和c q 5 e 的电压在变化中也具有周期约4 0 m i n 的波动 现象，并且与b q 3 e 的轨道测量读数吻合，这也是环境温度的影响。上述现象证 明了慢速反馈系统探测到了轨道的相对于b p m 的变化，并且根据变化对束流轨 道强行调整。 当慢速反馈系统停止作用时，q 3 e 真空室管壁位移和轨道测量值如图3 1 9 所示。从图中可以我们可以看到q 3 e 处束流轨道的变化过程和q 3 e 自身真空室 管壁的位移过程非常吻合。随着流强的降低，q 3 e 真空室管壁呈向环内漂移的趋 势，b q 3 e 读数随之增大，且具有周期约4 0 m i n 的波动。前者是由同步辐射光的 照射引起的，在近3 小时内，漂移约为7 0 9 m ；后者是由环境温度波动引起的， 波动约为1 0 9 m 。 第三章合肥光源束流轨道漂移的探索性研究 图3 1 9 慢反馈系统