（物理电子学专业论文）全数字化束流位置测量系统工程样机的设计与制作.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rd o c t o r ，sd e g r e e d e s i g no ff u l l yd i g i me a s ur e m e n t ib e a mp o s i t i o n ln s t r um e n t s a u t h o r sn a m e ：h a ny a n s p e c i a l i t y ：p h y s i c a le l e c t r o n i c s s u p e r v i s w ：p r o f e s s o rqervisor r o t e s s o ru 1 a na n f i n i s h e dt i m e ： m a y , 2 0 12 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。除己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：签字日期： 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中国学 位论文全文数据库等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。 口公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： z 垒 沙以5 _ ，7 新签名：垒终 签字日期：塑! 三：堡：7 摘要 摘要 近年来随着高速模拟一数字变换( a d c ) 的技术进步，以及实时数字信号处 理技术的发展，全数字化束流位置测量系统( d i g i t a lb e a mp o s i t i o nm o n i t o r ， d b p m ) 也成为束流诊断领域中发展起来的最新技术。全数字化处理方法中采用 了高速数字化技术和信号处理技术，简化了系统中模拟电路的比重，从而减小了 模拟电路本身的非线性、噪声及各通道间不一致性带来的影响。同时，全数字处 理方式，能够针对不同的系统和目标参数，灵活地构造其数字处理算法。 本论文介绍了的d b p m 系统是针对上海光源位置测量需求设计出的全数字 化束测工程样机系统。此系统基于全数字i q 解调技术，实现了逐圈模式下束流位 置的测量1 。 本文第一章引言部分首先介绍了同步辐射加速器的产生和发展，及上海光源 的结构和优越性，之后阐述了束流测量的意义及相关目标参数。 第二章介绍了用于束流位置测量的三种前端探测电极及常见的束流位置信 号处理方法。结合束流测量系统由全模拟向数字化发展的趋势，本章讨论了束流 位置测量技术发展的三个阶段，并调研了各阶段具有代表性的束流位置测量系统 的结构和技术方法。 第三章主要介绍了此束测系统输入信号特点和系统实现的硬件构架。从上海 光源储存环b p m 探头引出的束流感应信号为重复频率达4 9 9 6 5 4m h z 的窄脉冲 序列，且此信号进一步被一低频信号所调制，调制信号周期为6 9 3 9 6 4k h z ，占 空比为5 0 0 ：2 2 0 ；在用于机器研究时，信号动态范围达几十d b 。d b p m 系统由 模拟调理模块和数字处理模块组成。在模拟调理模块部分，本章重点介绍了射频 调理通道、相干和非相干时钟方案的设计方法；数字处理模块部分，则主要介绍 了其硬件结构。 第四章首先介绍此d b p m 系统的实时数字化束流处理算法。r f 模拟电路输 出的4 9 9 6 5 4m h z 的信号直接通过高速高精度a d c 进行欠采样，将信号频率搬 移到中频，相当于实现第一次下变频。然后通过f p g a 中的数字下变频( d i g i t a l d o w nc o n v e r s i o n ，d d c ) 技术将其搬移到低频，并由此实时计算出束流的位置、 流强等信息，所有的数字信号处理算法全部集成在单个f p g a 中。通过集成单板 机( s i n g l eb o a r dc o m p u t e r ，s b c ) ，此系统可以实时地通过百兆以太网口将数据 1 本论文工作受国家自然科学基金( 项目批准号：1 0 8 7 5 1 1 9 ) 、中国科学院知识创新工程重要方向性项目( 项目编号 k j c x 2 y w n 2 7 ) 支持。 i 摘要 送入远程计算机系统中；同时，还集成了千兆以太网、用于调试的串口等。此 d b p m 系统共完成了c o 、s a d c 、s t b t 、b a d c 、b t b t 、p m 、f a 、b f a 此八 种数据的处理及数据传输。 第五章介绍了此d b p m 系统工程样机原型系统的电子学测试及加速器联合 调试的结果，之后系统介绍了4 套工程样机的电子学测试结果。 第六章介绍了基于波形展宽技术的逐束团位置测量方法研究。通过原理方法 探索结合m a t l a b 仿真，分析了波形展宽中滤波器参数选择对于最终测量误差的 影响。 此d b p m 系统从原型样机的设计、测试到与上海光源束流进行联合测试， 根据测试中发现的问题对系统构架和方法进行了改进，期间完成了多个版本的原 型系统的设计与测试。在确认系统方案后，完成了4 套工程样机系统的制作和实 验室电子学测试，在4 0 d b m - - 一1 0 d b m 输入信号动态范围内，其溷( 6 9 3 9 6 4k h z 数据更新率) 位置分辨率好于7u m ，满足了上海光源束测的应用要求。 关键词：全数字化束流测量，逐圈位置测量，高速高精度模拟数字变换，数 字i q 解调， i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dh i g h - r e s o l u t i o n a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n ( a d c ) a n dt h er e a l - t i m ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ， f u l l yd i g i t a lb e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ( d i g i t a lb e a mp o s i t i o nm o n i t o r , d b p m ) b e c o m e s af a v o r a b l ec h o i c ei nt h eb e a md i a g n o s t i cd o m a i n c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nf u l l ya n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gw i t hi n e v i t a b l en o i s e ， n o n 1 i n e a r i t ya n dm i s m a t c he r r o r s ，t h ef u l l yd i g i t a lm e t h o dg r e a t l ys i m p l i f i e s t h e s y s t e ma r c h i t e c t u r e b e s i d e s ，t h i sm e t h o di sa l s or e m a r k a b l ef o ri t sf l e x i b i l i t y t h e b e a ms i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sc a nb em o d i f i e de a s i l ya c c o r d i n gt od i f f e r e n t a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s b a s e do nd i g i t a li n - p h a s ea n dq u a d r a t u r e - p h a s ed e m o d u l a t i o nm e t h o d ，ad i g i t a l b e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e df o rt h et u m - b y - t u r n ( t b t ) b e a m m e a s u r e m e n ti nt h es t o r a g er i n go fs h a n g h a is y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t y ( s s i 强) a f t e rt h ee v a l u a t i o na n dt e s t so ft h ep r o t o t y p es y s t e m ，f o u rf i n a li n s t r u m e n t sa r e p r o d u c e da n dt e s t e d 2 t h ef i r s tc h a p t e ri n c l u d e st h er e v i e wo ft h es y n c h r o t r o nr a d i a t i o na c c e l e r a t o ra n d t h ei n t r o d u c t i o no ft h es s r f , a n dt h ep u r p o s e so fb e a md i a g n o s t i c sa n db a s i c p a r a m e t e r s t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e st h r e ek i n d so ff r o n t - e n dd e t e c t i o ne l e c t x o d e sa n d m a i nm e t h o d su s e di nb e a mp o s i t i o nm e a s u r e m e n t t h i sc h a p t e ra l s od i s c u s s e st h e b e a mm e a s u r e m e n td e v e l o p m e n tf r o mf u l la n a l o gt od i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，a n d i n v e s t i g a t e sd i f f e r e n tp o s i t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m si nr e a la p p l i c a t i o n i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ei n p u ts i g n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ei s i n t r o d u c e d t h eb e a ms i g n a l sf r o mt h ep i c k u p so ft h eb p mi nt h es t o r a g er i n go f s s r fa r e4 9 9 6 5 4m h zn a r r o wp u l s e sw i t hap u l s ew i d t ha r o u n d10 0p s ，w h i c hi s f u r t h e rm o d u l a t e db ya6 9 3 9 6 4k h zs q u a r ew a v ew i t had u t yr a t i oo f5 0 0 ：2 2 0 w h e n t h i ss y s t e mi sa p p l i e di nm a c h i n er e s e a r c h ，t h ei n p u ts i g n a la m p l i t u d ec o u l dv a r yo v e r t e n so fd b a sf o rt h es y s t e ms t r u c t u r e ，i tc o n s i s t so ft h ef r o n te n dm o d u l ea n da d i g i t a lp r o c e s s i n gm o t h e r b o a r d t h ef r o n te n dm o d u l ei n c l u d e sr fm a n i p u l a t i o na n d 2 t h i sw o r kw 舔s u p p o r t e di np a r tb yk n o w l e d g ei n n o v a t i o np r o g r a mo ft h ec h i n e s ea c a d e m yo f s c i e n c e s ( k j c x 2 - y w - n 2 7 ) ，i np a r tb yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ( 1 0 8 7 5 1 1 9 ) i i i a b s t r a c t t h ea d cc i r c u i t s ，a n dd i f f e r e n ts a m p l i n gc l o c kg e n e r a t i o nc i r c u i t sa r es t u d i e d t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ed i g i t a lm o t h e r b o a r di sa l s od i s c u s s e d 。 t h ef o u r t hc h a p t e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e a lt i m ed i g i t a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m si n t h i sd b p ms y s t e m t h es i g n a l sf r o mt h er fm a n i p u l a t i o nc i r c u i t sa r ed i r e c t l y u n d e r - s a m p l e db y4a d c s ，a n dt h eh i g hf r e q u e n c ys i g n a li sc o n v e r t e dt oad i g i t a l i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) s i g n a l w i t ht h ed i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n ( d d c ) a l g o r i t h m si nt h ef p g a ，t h ei fs i g n a li sf u r t h e rd o w nc o n v e r t e dt o 。av e r yl o w f r e q u e n c y , a n dt h e nt h eb e a mp o s i t i o na n di n t e n s i t yc a nb ec a l c u l a t e d a l lt h ed i g i t a l a l g o r i t h m sa r ei n t e g r a t e di no n es i n g l ef p g a t h i ss y s t e ma l s oi n c l u d e sas i n g l e b o a r dc o m p u t e r ( s b c ) ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h er e m o t e s y s t e mt h r o u g ht h e10 0m e t h e m e ti n t e r f a c e ；a c t u a l l y , t h e10 0 0me t h e r n e ti n t e r f a c e a n ds e r i a lp o r ta r ea l s oi n c l u d e d t h i s s y s t e mc a nh a n d l et h ep r o c e s s i n g a n d t r a n s f e r r i n gs e v e nd i f f e r e n td a t at y p e s ，i n c l u d i n gs a d c ，s t b t , b a d c ，b t b t , p m ， f a a n db f a t h ef i f t hc h a p t e ri sa b o u tt h es y s t e mt e s t s ，w h i c hi n c l u d e st h et e s tr e s u l to ft h e p r o t o t y p es y s t e mb o t hi nt h el a b o r a t o r ya n dw i t ht h er e a lb e a ms i g n a li ns s r f t h e n t h es y s t e mt e s tr e s u l t so ft h e4f i n a li n s t r u m e n t sa r ep r e s e n t e d t h es i x t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ho nt h eb u n c h b y - b u n c hm e a s u r e m e n t b a s e do nt h ew a v e f o r ms t r e t c h i n gm e t h o d b a s e do nt h es i m u l a t i o nc o n d u c t e di nt h e m a t l a bp l a t f o r m ，t h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft h eb a n dp a s sf i l t e r ( b p f ) i ss t u d i e d s i n c et h ed e s i g no ft h ef i r s tp r o t o t y p es y s t e m ，d i f f e r e n tv e r s i o n sh a v eb e e n p r o d u c e dw i t hm o d i f i c a t i o n sa n di m p r o v e m e n t sa c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t si nt h e l a b o r a t o r ya n di ns s r f a f t e rf i n i s h i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，f o u rf i n a l i n s t r u m e n t sa r ep r o d u c e da n dt e s t e d t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tat b tr e s o l u t i o n b e t t e rt h a n7u mi sa c h i e v e di nt h ei n p u td y n a m i cr a n g ef r o m 一4 0d b mt o10d b m ， w h i c hi sb e y o n dt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n ti nss r f k e yw o r d s ：f u l l yd i g i t a lb e a mp o s i t i o nm o n i t o r , t u r n - b y - t u r n ( t b t ) b e a m m e a s u r e m e n t ，h i g h - s p e e dh i g h - r e s o l u t i o na n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o n ，d i g i t a l i n p h a s ea n dq u a d r a t u r e - p h a s ed e m o d u l a t i o n i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章引言1 1 1 同步辐射加速器的产生和发展1 1 2 上海光源的简介2 1 2 1 上海光源的结构2 1 2 2 上海光源的优越性能。3 1 3 束流测量的简介5 参考文献一6 第二章加速器束流位置测量方法。7 2 1 束流位置测量方法。7 2 1 1 束流位置探测电极8 2 1 1 1 静电探测电极8 2 1 1 2 钮扣电极8 2 ：1 1 3 定向耦合电极一9 2 1 。2 束流位置处理方法9 2 1 3 束流位置测量技术的发展1 2 2 2 束流位置测量系统的调研1 3 2 2 1e l s a 的模拟束流位置测量系统j 1 4 2 2 1 1 模拟电子学部分1 4 2 2 1 2 数字电子学部分1 6 2 2 1 3 系统的修正以及系统性能指标1 7 2 2 2s p r i n g - 8 束流位置测量系统1 8 2 2 2 1s p r i n g - 8 储存环b p m 系统概况1 9 2 2 2 2s p r i n g 8 储存环的b p m 电子学系统设计1 9 2 2 3n s l s i i 束流位置测量系统2 2 2 2 3 1 模拟前端部分2 2 2 2 3 2 数字前端部分2 3 2 2 4l i b e r a 束流位置测试系统2 3 参考文献2 5 v 目录 第三章全数字化束流位置测量系统工程样机的硬件构架2 7 3 1 输入信号特点及系统期望指标2 7 3 2d b p m 系统总体设计方案2 9 3 3 射频信号调理及高速高精度模数变换电路设计。3 1 3 3 1 射频信号调理通道31 3 3 1 。1 射频电路的阻抗匹配3 2 3 3 1 2 带通滤波。3 2 3 3 。1 3 数控衰减器及射频放大器3 3 3 3 1 。3 一数控衰减器。3 4 3 3 1 3 2 射频放大器3 4 3 3 1 。4p i 型滤波网络和衰减网络。3 5 3 3 1 4 1p i 型低通滤波网络3 5 3 3 1 。4 2p 1 型电阻衰减网络3 6 3 3 。1 5 射频信号调理通道的级联方式3 7 3 3 1 6 射频信号模拟调理通道性能评估3 9 3 3 1 6 1 射频通道滤波性能评估3 9 3 _ 3 1 6 2 射频通道增益调节的性能评估。4 0 3 2 1 6 3 射频通道伪峰抑制性能4 1 3 3 2a d c 及前端耦合电路4 3 3 3 3 时钟系统4 5 3 3 3 1 非相干时钟方案4 6 3 3 3 2 相干采样时钟方案5 0 3 - 3 3 3 相干采样时钟的数字锁相环研究5 1 3 4 数字信号处理硬件基本构架5 2 3 4 1 主f p g a 5 3 3 4 2 接口f p g a 5 4 3 4 3s b c 模块5 5 3 。4 4 存储芯片5 6 3 4 5 电源芯片5 6 3 , 4 6 数据传输接口5 6 3 4 7 数字处理模块时钟系统5 9 3 4 。8 数字处理模块硬件分布格局、散热及机械加强6 0 3 4 8 1 数字处理模块硬件布局6 0 3 4 8 2 数字处理模块的散热6 1 v i 目录 第四章 第五章 3 4 8 3 数字处理模块的机械加强6 l 参考文献。6 2 数字i q 解调实时算法与数据传输的实现与集成6 3 4 1 数字i q 解调实时算法6 3 4 1 1 混频处理算法6 5 4 1 2 数字滤波处理算法6 6 4 1 2 1c i c 低通滤波器6 6 4 1 2 2f i r 低通滤波器6 8 4 1 2 - 3 基于c o r d i c 算法计算幅度6 9 4 1 2 4 基于和比差算法的x 、y 位置的计算7 0 4 2 数据传输的实现与集成一7 1 4 2 1 数字处理模块的接口7 1 4 2 2 数字处理中的数据存储7 2 4 2 2 1a d c 数据缓存空间7 2 4 2 2 2t u r n b y - t u r n 数据缓存空间7 2 4 2 3 数字处理和传输的实现7 2 4 2 3 1s b c 的功能7 4 4 2 3 2 s b c 介绍7 4 4 2 3 3s b c 硬件。7 6 4 2 3 4 接口逻辑7 7 4 2 3 5f p g a 与s b c 模块间中断传输模式的应用7 8 4 2 3 6 面向f p g a 的嵌入式系统驱动设计8 0 4 2 3 7 数据传输测试8 2 参考文献8 3 工程样机的系统测试结果8 5 5 1 系统测试方法8 5 5 。2d b p m 系统工程样机原型电子学测试结果8 6 5 2 1d b p m 系统a d c 数据电子学测试结果8 6 5 2 2d b p m 系统t b t 数据电子学测试结果8 8 5 3d b p m 系统工程样机原型上海光源现场联调测试结果8 9 5 3 1a d c 数据采集模式测试结果8 9 5 3 1 1 大量a d c 数据模式测试结果8 9 5 3 1 2 小量a d c 数据模式测试结果9 0 5 3 2t b t 数据采集模式测试结果9 1 v i i 目录 5 3 2 1 大量t b t 数据采集模式测试结果9 1 5 3 2 2d b p m 系统小量t b t 数据采集模式9 3 5 3 3c o 数据采集模式测试结果。9 4 5 3 4p m 数据采集模式测试结果。qq00oj 9 5 5 3 5b a f 数据模式测试结果9 6 5 3 6 束流注入时大量a d c 数据测试结果9 7 5 3 。7 基于数字锁相环相干时钟方案下的现场联调结果9 8 5 。3 。7 1 基于数字锁相环相干时钟方案下a d c 数据采集模式测 试结果oel 01q qole 9 8 5 3 7 2 基于数字锁相环相干时钟方案下t b t 数据采集模式测 试结果9 9 5 4d b p m 系统四套工程样机系统测试结果1 0 0 5 4 1 电子学性能测试1 0 0 5 4 2x 、y 方向位置的修正1 0 5 5 4 。2 1 使用5 d b m 输入结果修正4 0 d b m - - - 10 d b m 数据。10 6 5 4 2 2 从4 0 d b m 1 0 d b m 各个幅度点分别进行对应修正1 0 6 参考文献1 0 9 第六章逐束团位置测量方法探索与研究1 1 1 6 1 逐束团位置测量方法研究i l l 6 2 逐束团测量基本方法仿真结果1 1 3 6 2 1 带通滤波器对信号进行展宽处理1 1 3 6 2 2 数字滤波器的设计11 3 6 2 3 展宽波形的采样t p41q00oiq j 1 1 5 6 。2 4 滤波器带宽的影响1 1 7 6 2 4 1 保留谐波个数与幅度相对误差的关系1 1 7 6 ，2 4 。2 保留谐波个数与波形宽度的关系1 1 9 6 。2 4 3 保留谐波个数与幅度衰减的关系1 1 9 参考文献1 2 2 第七章总结与展望1 2 3 7 1 总结1 2 3 7 2 展望1 2 4 附录1 2 5 攻读学位期间发表的学术论文1 2 9 致谢1 3 1 v i i i 第一章绪论 第一章引言 1 1 同步辐射加速器的产生和发展 在1 9 4 7 年，人类首次在美国g e 公司的一台同步加速器上发现了同步辐射， 此同步辐射是由运动速度接近光速的电子在磁场的作用下做曲线运动时，运动方 向发生改变时沿切线方向产生的电磁辐射。早期，在高能物理中同步辐射被认为 是需要极力避免的，因为同步辐射会带来能量的损失进而影响了加速器能量的提 高。后来发现同步辐射具有准直性高、极化性高、相干性强、频谱范围宽、光谱 耀度高和光子通量高等特点，这是常规光源不具备的。随着对同步辐射的深入研 究和发展，其卓越的性能给科学研究带来了广阔前景，其在物理实验、化学实验 和生物实验等领域中都起了非常大的作用【l 】。 随着同步辐射光源的发展，其前后可以分为三代： 2 0 世纪5 0 年代初，建造了寄生于高能物理物理实验专用的高能对撞机的第 一代同步辐射光源，如我国的北京光源( b s r ) ，虽然对很多科学研究的发展起 到了很重要的作用，但是其性能指标不够优化。 2 0 世纪7 0 年代中期，诸多发达国家如美国、德国、英国及日本研究和建造 了专门用于产生同步辐射的电子储存环( d e c t r o ns t o r er i n g ) 的第二代同步辐射 光源，其包括我国的合肥国家同步辐射实验室( h l s ) 。第二代采用了新的聚焦 结构，电子束发射度为1 5 0n m r a d ，光亮度提高了2 个数量级，相比于第一代都 有很大提高。 2 0 世纪8 0 年代末，第三代同步辐射光源开始建造，如我国的上海光源 ( s s i 心) 。第三代光源相比于前两代光源来说具有两个特点：1 作为发光光源的 电子发射度的从之前的1 5 0n m 。r a d 提升到4n m t a d ，其光亮度提高近1 6 0 0 倍， 近3 个量级；2 光源中插入件波荡器和扭摆器的插入件的大量使用，使得其同步 辐射光的不同能量和偏振态可以更灵活的选择，使得其同步辐射光子的偏振性和 准相干性得到充分而广泛的应用。 现在，世界各国竞相建造的高耀度的第三代同步辐射光源使得同步辐射应用 扩展为动态的、空间分辨的和时间分辨的手段，为众多的学科和广泛的技术应用 领域带来前所未有的新机遇，不仅大大推动了同步辐射在众多前沿学科领域中的 应用，在产业应用领域也展示出诱人的前景，已开始产生良好的经济效益。 随着科学技术的发展，从第一代的北京光源，到第二代的合肥光源，再到能 第一章绪论 量位居世界第4 的第三代光源，上海光源，其性能超过现有的同能区的其他第三 代光源，可以看出我国在同步辐射加速器方面的巨大发展和成就。下面将对被认 为是目前世界上正在建造或设计中的性能最好的中能光源之一的上海光源进行 介绍。 12 上海光源的简介 上海光源( s h a n g h a is y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t y , s s r f ) 是第三代同步辐射 光源，是我国极为重要的科学装置，为国家的科学研究和工业发展都起到了至关 重要的作用。至今为止，上海光源已经成为我国科学研究和科技发展的最大的科 研平台，每天都有数以百计的国内外学术科研的科学家和工业界的工程师在此进 行实验和研究。 图1 1 上海光源外观图 12 1 上海光源的结构 上海光源由6 部分组成；1 电子枪；2 直线加速器；3 增强器；4 电子储存 环；5 光束线；6 实验站【”。上海光源结构如图1 2 所示，下面将对其各部分功能 进行介绍。 图1 2 上海光源结构示意图 第一章绪论 首先从电子枪中产生所需要的电子束团，然后通过直线加速器对此电子束团 进行预加速，接着再通过增强器再次加速，将电子束团加速到最终所需的速度后 注入电子储存环中，电子束团在储存环中做圆周运动并向切向方向散出同步辐射 光，光束线对引出的同步辐射光进行传输加工后输出到实验站，供用户使用。 电子枪、直线加速器和增强器统称为全能量注入器，其是用来产生电子束并 将其加速到电子储存环运行所需能量。整个注入过程需要非常严格的时序控制来 执行。 电子储存环的主体部分主要包括5 个部分：1 超高真空室；2 高精度磁铁； 3 高频加速腔；4 高灵敏探测器；5 控制系统。电子储存环是同步辐射光源的核 心部分，同步辐射光源的性能就是有其决定，其性能的好坏直接影响到同步辐射 光的质量。 光束线是沿着电子储存环的外侧切线分布的，其连接着储存环与实验站。光 束线的主要包括安装在真空管道的精密光学系统，如准直狭缝、聚焦镜、单色仪 ( 光栅或晶体) 和反射镜等。光束线对电子储存环引出的同步辐射光，按用户要 求进行分光、准直、聚焦等光学处理加工，输出到实验站供用户使用。 实验站将同步辐射光引出，提供给科学家和工程师实验和研究所用。同步辐 射光被“照射”到各种各样的实验样品上，同时科学仪器纪录下其各种反应信息或 变化，经高速计算机处理后变成一系列反映自然奥秘的曲线或图像。 1 2 2 上海光源的优越性能 上海光源电子束能量达到3 5g e v ，仅次于美国的a p s 、欧洲的e s r f 和日 本的s p r i n g - 8 同步辐射光源，是现在有的中能光源中性能最好的。下面将对其优 越的性能进行介绍。 高性能价格比：上海光源的储存环能量为3 5g e v ，此为中能级光源中能量 的最高值。性能都优化在用途最广的x 射线能区。由于采用了先进的插件技术， 不仅能产生最高耀度为1 5k e v 光子能量的同步辐射光，而且其在光谱能区间为 5 2 0k e v 能产生高耀度的硬x 射线，此x 光能性能与6 8g e v 的高能光源产生 的x 光性能相近。 全波段：上海光源具有非常宽的波长范围，可产生连续可调的、波长从远红 多 i - n 硬x 射线的同步辐射光。 高强度：上海光源总能量达6 0 0k w ，比x 光机高出近万倍，且光通量大于 1 0 1 5 光子( s 1 0 3 b w ) 。正是由于其产生的同步辐射光强度高、通量达，所以使 得缩短实验数据获取时间、进行条件难以控制的实验以及医学、工业应用成为了 可能。 第一章绪论 高耀度：上海光源的同步辐射光是最强x 光机的近亿倍，其覆盖的光谱区 域其光耀度达到1 0 1 7 1 0 2 0 光子( s m m 2 m r a d 2 l o - - 3 b w ) 。其高空间分辨、超 快时间分辨和高动量分辨这为科学研究取得突破性成果提供了条件。 优越的脉冲时间结构：上海光源的同步辐射光信号脉冲宽度为p s 量级，兼 容单束团工作模式和多束团工作模式，相邻脉冲信号间隔时间为n s 至啪量级 可调，这种特性对“变化过程”的研究非常有用，如化学反应过程、生命过程、 材料结构变化过程和环境污染微观过程等。 高偏振：上海光源在电子轨道平面的同步辐射光被完全极化，离开轨道平面 的同步辐射光为椭圆极化的。其为旋光性生物分子和医药分子等方面的研究提供 了非常好的工具。 准相干：上海光源的插件引出的高耀度光是部分相干的。这为很多先进课题 方面的显微全息成像开辟了道路。 高稳定性：上海光源可以连续数小时稳定运行束流，且束流位置变化小于光 斑的百分之十。 高效性：总共将建设近6 0 条光束线和上百个实验站，所有这些实验站都是 为准确探测同步辐射光与实验样品的各种相互作用而精心设计的。 灵活性：上海光源可运行多种模式，如于单束团、多束团、高通量、高亮度 和窄脉冲等，可依据用户需求快速变换运行模式，以满足用户的多种需求。 前瞻性：上海光源的科