（核技术及应用专业论文）基于束流的准直系统研制及相关研究.pdf

中国科学技术大学学位论文相关声明 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。 本人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。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 基于束流的准直系统研制及相关研究 基于柬流的准直系统研制及相关研究 摘要 稳定的束流轨道对于同步辐射电子储存环非常重要。本文研制的基于束流准 直系统为合肥光源电子储存环提供了稳定的参考轨道，并且在研制过程中对轨道 的不稳定性进行了相关的实验和分析。另外，通过对基于束流准直系统所使用的 数字束流位置处理器l i b e r a 应用的拓展，进行了一系列束流测量与诊断的实验。 在电子储存环中，当束流偏离四极铁的磁中心时，束流轨道由于四极磁场的 作用力而产生扰动：同时四极铁电源的不稳定也将对束流轨道产生影响。为了提 高束流的稳定性和束流品质，人们往往希望能够准确的测量四极铁的磁中心位 置，并且校正束流轨道以使其通过四极铁的磁中心。在合肥光源电子储存环中， 束流位置处理器( b p m ) 紧靠四极铁安装，因此可以使用b p m 标定四极铁的磁 中心的位置，所采用的技术是基于束流准直技术( b b a ) 。由于合肥光源电子储 存环的b p m 与四极铁共享支撑但拥有一定的活动冗余，因此它们之间出现相对 位置变化的可能性较大，四极铁的磁中心的位置测量尤显重要。 基于束流准直技术可以通过直流k 调制和交流k 调制两种方案实现。 使用直流k 调制方法，为了保证轨道变化b p m 能够分辨，必须保证较大的 k 调制率，这将对束流带来较大的扰动，进而给测量结果带入较大误差；另一方 面，四极铁的磁滞现象也很大程度影响了测量的准确度。当k 调制率为1 5 左 右时，使用直流k 调制方法的误差为1 0 0 a n ( r m s ) 。针对直流k 调制，本文 根据其原理进行分析，对数据处理方法以及实现方法进行了一系列讨论，并做出 了相应的优化。 交流k 调制的方法可以在较小的k 调制率( o 5 ) 下工作，测量亦不会受 到四极铁磁滞现象的影响。本文研制了一套采用交流k 调制的基于束流准直系 统，解决了大电流调制、微机控制接口、束流位置信号采集和信号处理等问题。 在对该系统的实验中，对四极铁磁中心的测量误差为2 0 舯( r m s ) 。利用基于 束流准直系统已对合肥光源束基磁中心偏移进行了测量，在束流轨道慢反馈系统 中发挥了重要作用。 合肥光源电子储存环的束流轨道的不稳定性一直以来都表现为轨道的缓慢 漂移现象，本文针对这一现象进行了b p m 形变、移动和温度变化等参数测量的 实验。从实验结果的分析中，本文发现了导致轨道变化的主要原因是b p m 真空 管的移动，并提出了具有针对性的解决方案。 在对基于束流准直系统的研制过程中，本文利用其四极铁调制对b e t a 函数 值进行了测量。本文还对于数字柬流位置处理器l i b e r a 的应用进行了研究，基 于它的功能搭建了一系列实验系统，分别进行了工作点测量，阻尼时间测量，相 空间测量等不同实验。在工作点测量实验中，为了改进束流激励源，针对合肥光 源电子储存环设计了窄带白噪声发生器，利用f p g a 和数模转换电路成功得到窄 带白噪声并用以激励束流横向振荡。 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：基于柬流准直束基磁中心偏移交流k 调制快速傅立叶变换插值数 字锁相检测b p m 真空管位移光栅尺伪随机序列窄带白噪声 基于柬流的准直系统研制及相关研究基于束流的准直系统研制及相关研究 硼1 es t a b i l i t yo f t h ee l e c t r o nb e a mo r b i ti se x t r e m e l yi m p o r t a n tt ot h es y n c h r o t r o n r a d i a t i o ns t o r a g er i n g t h ep a p e rd e v e l o p e dt h eb e a m b a s e da l i g n m e n t ( b b a ) s y s t e m w h i c hs e t t l e dt h es t a b l er e f e r e n c eo r b i tf o rt h es t o r a g er i n go fh e f e il i g h ts o u r c e ( h l s ) n 砖e x p e r i m e n t so nt h ei n s t a b i l i t yo ft h eb e a mo r b i t ，f r o mw h i c ht h es o b i c e s o ft h ei u s t a b i l i t yw e r ee x p e c t e dt ob ed i s c o v e r c d ，w a sa l s oi n v o l v e di nt h i sp a p e r m o r e o v e r , t h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o n so ft h ed i g i t a lb e a mp o s i t i o np r o c e s s e rl i b e r a ， w h i c hc o n t r i b m e di nb b as y s t e r n ，w e r ec a r r i e do u t m a n ye x p e r i m e n t so ft h e s e a p p l i c a t i o n su s i n gl i b e r aw e r e d o n ei nt h i sp a p e r n l e m a g n e t i cc e n t e r so f t h eq u a d m p o l e si nt h ee l e c t r o ns t o r a g er i n ga r ee x p e c t e d t ob ee s t i m a t e da c c u r a t e l y ，l l e nt h ee l e c t r o nb e a mm i s s e st h em a g n e t i cc e n t e ro fa q u a d r u p o l ew h e np a s s i n gi t , t h eb e a mw i l le n c o u n t e rt h eq u a d r u p o l e sm a g n e t i cf i e l d w h i c hw i l lc a u s ed i s t o r t i o nt ot h eb e a mo r b i t ；a n dt h ei n s t a b i l i t yo ft h ep o w e rs u p p l y w i l lb ec o u p l e dt ot h eb e a mo r b i tc o n s e q u e n t l y t h eb e a mp o s i t i o nm o n i t o r s0 3 p i v o w e r ei n s t a l l e di nt h es t o r a g er i n ga d j a c e n tt oq u a d m p o l e sa th l s t h e r e f o r e ，ab p m c a nb eu s e dt ol a b e li t sn e i g h b o u rq u a d m p o l e sm a g n e t i ce e n t e r s u c ht e c h n i q u ew a s n a m e db e a m - b a s e da l i g n m e n t i ti se x t r e m e l yi m p o r t a n tt ol a b e la l lt h eq u a d r u p o l e s c e n t e rp r e c i s e l ya th l ss i n c et h ep r o b a b i l i t y , t h a tt h e r eo t 。c u r st h er e l a t i v em o v e m e n t b e t w e e nt h e q u a d r u p o l ea n di t sn e i g h b o u rb p m ，c a nb ev e r yh i 曲b e c a u s e q u a d r u p o l e sa n db p m sd on o ts h a r eo n e $ m r f l eu n d e r p i n n i n g b b ah a st w od i f f e r e n ti m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ：d ck - m o d u l a t i o na n da c k - m o d u l a t i o n l a r g ekm o d u l a t i o nr a t ei sr e q u i r e dw h e nu s i n gd ck - m o d u l a t i o nt o e n s u r et h a tt h eb p mc a nd e t e c tt h eb e a mo r b i tv a r i a t i o n h o w e v e r , l a r g ekm o d u l a t i o n r a t ew i l lc a u s el u r g ed i s t u r b a n c et ot h eb e a mo r b i tw h i c hr e d u c e st h em e a s u r e m e n t a c c u r a c v h y s t e r e s i s e f f e c ta l s od a m a g e st h e a c e u r a c yo ft h e r e s u l tb yd c k - m o d u l a t i o n m e a s u r e m e n te t r o rw a s1 0 0p a nf r m s ) w h e nt h em o d u l a t i o nr a t e r e a c h e d1 5 i nt h i s p a p e rt h ea l g o r i t h mw a so p t i m i z e dw h e nu s i n gd c k - m o d u l a t i o n b b au s i n ga ck m o d u l a t i o nc a nw o r kw i t har a t h e rs m a l lm o d u l a t i o n r a t e ( 0 5 ) t h eh y s t e r e s i se f f e c td o e sn o ta f f e c tt h em e a s u r e m a n tm u c hw h e nu s i n g a ck - m o d u l a t i o n i nt h i sp a p e r , an e w l yd e s i g n e db b as y s t e mw a sd e v e l o f i e da f t e r s u c c e s s f u l l ya p p l i e dl a r g ec u l t e n tm o d u l a t i o n , p ci n t e r f a c e ，b e a mp o s i t i o ns i g n a l s a m p l i n ga n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m t h em e a s u r e m e n tr e s u l te r r o rw a s a b o u t2 0 岫( r m s ) d u r r i n gs y s t e mt e s t i n ge x p e r i m e n t t h em a g n e t i cc a n t e r so ft h e q u a d m p o l e sm e a s u r e db yt h eb b as y s t e mp l a y e dv e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h es l o w f e e d b a c ks y s t e m n 坞b e a mo r b i ta th l sw a sd r i f t i n ga 1 1a l o n gw h i l et h es t o r a g er i n gw a s o p e r a t i n g t os t u d yt h i sp h e n o m e n o n , t h ed i s p l a c e m e n ta n dt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o n o ft h eb p mc h a m b e rw e r et r a c e di nt h i sp a p 旺b ya n a l y z i n gt h et r a c i n gr e s u l t s t h e m a i nr e a s o nt h a te x p l a i n e dt h ed r i f t i n gp h e n o m e n o nw a sf o u n di n t h i sp a f l e r t h e p o s s i b l es o l u t i o nt os u p p r e s st h eo r b i td r i f t i n gw a sp r o p o s e d d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h eb b as y s t e m ，q u a d r u p o l ek 。m o d u l a t i o nw a su s e d t om e a s u r eb e t af u n c t i o nv a l u e d i g i t a lb e a mp o s i t i o np r o c e s s o rl i b e r aw a sa l s o d i s c u s s e di nt h i sp a p e r s e v e r a le x p e r i m e n t s ，s u c ha st u n em e a s u r e m e n t ，d u m p i n g 6 基于柬流的准直系统研制及相关研究基于束流的准直系统研制及相关研究 t i m ec o n s t a n tm e a s u r e m e n t , p h a s es p a c em e a s u r e m e n t , w e r ei m p l e m e n t e dw i t hl i b e r a t of u l f i lt h et u n em e a s u r e m e n te x p e r i m e n t ，an e wn a r r o w - b a n dw h i t en o i s eg e n e r a t o r , w h i c hw a sb a s e do nf p g aa n dd a c ，w a sd e s i g n e da n da p p l i e di nt h i sp a p e rt o s t i m u l a t et h ee l e c t r o nb e a m t h i sw o r k w a ss u p p o r t e db yt h en a t u r a ls c i e 峨f o u n d a t i o no f c h i n af 1 0 2 7 5 0 6 2 & 1 0 6 7 5 1 1 8 1 k e yw o r d s ：b e a m - b a s e da l i g n m e n t , b p m - t o q u a d r u p o l eo f f s e t ，a ck - m o d u l a t i o n ， i n t e r p o l a t e df f t l o c k i na m p l i f i e r , b p mc h a m b e rd i s p l a c e m e n t , r a s t e rg a u g e , p s e u d o - - r a n d o ma r r a y , r a l t o w - b a n dw h i t en o i s e 基于束流的准直系统研制及相关研究 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 基于束流准直研究的意义和背景 同步辐射是相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时发出的 电磁辐射。它是一种强度大、亮度高、频谱连续、方向性及偏振性好、有脉冲时 间结构和洁净真空环境的优异的新型光源，可应用于物理、化学、材料科学、生 命科学、信息科学、力学、地学、医学、药学、农学、环境保护、计量科学、光 刻和超微细加工等众多基础研究和应用研究领域。 合肥同步辐射热速器( 简称合肥光源) 是我国在2 0 世纪8 0 年代自行研制的 第一台以真空紫外和软x 射线为主的专用同步辐射光源，能量在8 0 0m e v 。整个 装置包括一台2 0 0 m e v 直线加速器和一台8 0 0 m e v 电子储存环，直线和储存环 之间有一段8 8 米长的束流输运线。合肥光源的直线加速器主要由微波功率源及 波导传输系统、磁铁系统、电源系统、真空系统、控制系统、束流测量系统等组 成。储存环布局参见图l 一1 。电子进入储存环达到一定的柬流积累后进行慢加速 能量达到8 0 0m e v ，然后进行存储。束流电子在弯铁和插入元件处发射的辐射光 由光束线引出到实验站，供同步辐射用户研究用。同步光用户总是希望得到稳定 的同步辐射光源，因此储存环电子束流轨道的稳定性尤为重要。 电子束流轨道受到四极铁磁场、磁铁电源抖动、环境温度和储存环局部温度 等众多因素影响。如果束流通过四极铁时轨道偏离了四极铁的磁中心，四极铁将 会对束流产生一个二极分量的作用力，从而给束流轨道带入扰动：另一方面，四 极铁电源的抖动也通过其磁场影响到束流轨道。环境温度和储存环局部温度的变 化也将对束流轨道造成负面影响。为了抑制以上因素对束流轨道的作用，束流轨 道的不稳定性研究成为合肥光源束流测量与诊断的一个重要课题。 合肥光源的束流参考轨道是以四极铁的磁中心为基准设立的，通过将束流稳 。定在参考轨道上可以减小四极铁可能带来的轨道扰动。四极铁的磁中心的测量通 过基于束流准直系统( b b a ) 实现。合肥光源的闭轨校正系统通过校正线圈对束 流轨道的调整而使其稳定在参考轨道上。四极铁的磁中心测量愈准确参考轨道上 束流受到四极铁的扰动也就愈小，因此基于柬流准直技术的研究对于同步辐射光 源的稳定性具有重要意义。 合肥光源电子储存环上的束流位置监测器( b p m ) 均安装在四极铁旁边， 基于束流准直技术通过b p m 对四极铁的磁中心进行标定。四极铁和b p m 真空 管都被固定在同一物理支撵上，不同的是b p m 真空管的固定方式允许在水平方 向上出现百微米范围的移动，这是考虑到b p m 真空管在烘烤时可能会产生的位 移。这样的设计使得b p m 和四极铁由于各种因素可能出现百微米范围的相对移 动的，也就是说，使用b p m 对四极铁的磁中心的标定结果将会受到其他因素的 影响而改变。这使得在合肥光源基于束流准直测量需要经常进行。 下面将简要介绍目前合肥光源电子储存环的闭轨测量与校正系统和基于束 流准直系统。 基于柬流的准直系统研制及相关研究 第1 章绪论 1 1 1 闭轨测量与校正系统 合肥光源电子储存环周长6 6 1 3 米，回旋频率为4 5 3 3 i v h z ，高频频率2 0 4 0 1 6 m h z ，多束团模式下束团个数为4 5 。全环安装了1 2 块二极铁和3 2 块四极铁。 合肥光源储存环可以分为东南西北( e s w - n ) 四个象限，四个象限的基本元件 分布相同。储存环上分布有3 1 个钮扣式b p m ，其中2 4 个b p m 向闭轨测量系统 提供轨道位置，如图1 - 1 所示。 图1 - 1h k s 电子储存环 闭轨测量系统【l5 】由信号检测电极、模拟信号处理电子学模块系统、数字信 号获取系统和数据处理和显示四大部分组成，如图1 2 所示为轨道测量部分的框 图。为研制一套高精度和高稳定性的闭轨测量系统，闭轨测量系统的信号传输、 处理和数据获取系统，在2 0 0 2 年进行了系统升级，而信号检测仍利用环上原安 装的钮扣式b p m 。在信号传输上，没有使用机械式多路选通，而是采用并行处 理来自每个b p m 信号的方案，即每个b p m 对应一个处理电子学模块，使得所 基于柬流的准直系统研制及相关研究 第l 章绪论 测轨道具有同时性。由于i l l s 横向自由振荡频率野= 3 5 4 ，b - - - 2 6 1 ，为满足存 储环3 - 5 倍自由振荡频率轨道测试，按照色散函数测量布局的要求，沿环2 4 个 b p m 被选择作为合适的位置测量点来完成全环闭轨测量。 圈1 _ 2 合肥光源闭轨测量系统框图 闭轨校正系统所使用的校正线圈附加在四极铁和二极铁上，合肥光源实际上 只使用了四极铁上的校正线圈，其中水平方向的校正线圈有1 6 个，分别附加在 1 6 块水平聚焦的四极铁上：垂直方向有1 6 个，分别附加在1 6 块垂直聚焦的四 极铁上。图1 3 为单个象限内的元件分布示意图，每个象限内编号为1 ，4 ，5 ，8 的四极铁在水平方向聚焦；其他的四极铁在垂直方向聚焦。四极铁的名称就是根 据其所在象限和该象限内的所属编号共同组成，例如b q 3 e 代表e 象限的q 3 。 由于所有的b p m 均安装在四极铁旁，所以b p m 的名称沿用其旁边的四极铁名 称，但不包括起始字母，例如q 3 e 代表e 象限q 3 旁的b p m 。 d i p o l ed i p o l ed i p o l e h o r i z o n t a lc o l t t o l m a g n e t v e r t i c a lc o l r e c t o r m a g n e t 田1 - 3 单个象限内的元件分布示意图 目前的闭轨校正系统提供了局部凸轨( l o c a lb u m p i n g ) 、轨道位置历史记录 和全环慢速反馈等功能。 1 1 2 基于束流准直系统 合肥光源电子储存环的基于束流准直系统通过电阻分流实现对四极铁聚焦 强度调制( 简称k 调制) 。由于合肥光源电子储存环上的四极铁不单独供电，无 法通过电源直接实现k 调制，所以必须增加相应k 调制电路来实现四极铁的k 值单独可调【1 6 】。直流k 调制通过电阻分流法实现。图7 所示为电阻分流系统的 框图，图中给出了一组共电源的四极铁的分流实现。合肥光源每块四极铁的绕组 基于束流的准直系统研制及相关研究第1 章绪论 电阻约为2 5n a i l ，分流电阻选用10 或者2o ，最大功率为5 0 w ，对应的k 调 制率为1 0 屯5 。直流固态继电器完成分流电阻的切换，继电器控制器选用数 字输出卡，通过3 2 路数字输出直接驱动固态继电器开关。计算机控制软件采用 l a b v i e w 编掣1 7 1 。 田1 4 可开关的电阻分流系统的框图 基于柬流准直系统所需的轨道位置值来自闭轨测量系统所使用的b p m 。轨 道位置数据通过) ! p i c s t l 8 】下的c h a n n e l a c c e s s 在控制以太网发布。以太网客户端 使用l a b v i e w 调用w m d o w s 操作系统下的c aa e t i v e x 控件获取发布的轨道位 置数据。通过闭轨校正系统的局部凸轨使束流轨道横向扫描四极铁，并用抛物线 拟合搜寻四极铁磁中心【1 9 】。 1 2 基于束流准直技术发展现状 四极铁和b p m 可以在安装的过程中进行准直。b p m 读数零点对应的横向位 置是它的电中心，对电中心的物理位置标定后，可以在安装过程中使其与四极铁 的磁中心准直。b p m 读数零点的传统标定方法可以分为以下几步进行。首先， 在专用的测试台上对每个b p m 的机械中心和电中心的偏差进行标定，常用的方 法有天线法【1 l 【2 】和拉直丝法p l 。其次，考虑b p m 电子学线路的偏移并且测量信号 传输电缆的衰减和相移，这一步需要精密测量。最后确定b p m 的机械中心和四 极铁磁中心的偏差，根据已测得的数据安装并准直四极铁和b p m 。当b p m 、信 号传输电缆和b p m 电子线路模块最终安装后，这样的标定是非常困难的。 电子储存环中b p m 通常安装在四极铁附近，所以可以采用基于束流准直技 术利用b p m 对四极铁磁中心的位置进行测量。近年来，基于束流准直技术已经 成为加速器中束流诊断技术的热点，国内外许多实验室都非常重视这一技术的研 究和应用。 基于束流准直技术在实现上分为直流k 调制技术和交流k 调制技术。直流 k 调制技术最初用于单电源供电的四极铁磁中心的测量。美国伯克利国家实验室 的a l s 4 1 和法国的b e s s y 5 1 1 6 】利用该技术对所有单电源供电的四极铁次中心进行 基于柬流的准直系统研制及相关研究 第1 章绪论 了测量。对于单电源供电的四极铁，通过调节电源的电流即可对四极铁强度k 引入直流调制。 对于不能够满足单电源供电的电子储存环，多块四极铁串联在同一电源下， 不能够简单的通过调节电源电流的方式来实现四极铁k 值的调制。实现单块四 极铁k 值调制可以通过对四极铁并联分流电阻的方式完成。如图l 一5 所示为日本 k e k 的p f 储存环的电阻分流调制系统【7 l 。同样采用电阻分流实现k 调制的电子 储存环还有美国的s p e a r ! ”，瑞典的m a x i i g 0 0 l 等。 围1 - 5k e kp f 储存环分流调制系统 实现直流k 调制的第二种实现方法是通过并联附加电源吸入电流改变单块 四极铁电流。德国的d e l t a 电子储存环目前采用这种方法，如图1 - 6 所示。附 加电源为压控电流源，除了能够实现直流k 调制亦可以实现交流k 调制。 图1 - 6d e l t a 电子储存环分流调制系统 四极铁k 调制的第三种实现是在四极铁的磁极周围安装辅助绕组( b a c k - l e g w i d i n g ) 。当一定的电流通过辅助绕组时，辅助绕组产生的磁场与四极铁自身产 基于柬流的准直系统研制及相关研究第1 章绪论 生的磁场叠加，从而改变了四极铁内部的磁场梯度，达到改变k 值的目的。目 前使用该方法实现四极铁k 调制的电子储存环有瑞士c e r n 的l e p 1 2 】【1 3 1 ( 如图 1 7 所示) 和北京中科院高能物理研究所的b e p c i l 4 】电子对撞机等。 图1 - 7l e p 电子储存环k 调制系统 ( a ) 车i 荨助绕组示意图，( b ) k 调制系统 直流k 调制的电路简单而容易实现，并且对控制和数据处理要求不高，因 此得到广泛应用。应用直流k 调制做基于束流准直测量时，通常选用b p m 或者 光位置监测器p b p m ( 仅垂直方向) 测量束流轨道位置。一般b p m 或者p b p m 的分辨率为l a n 左右，因此，为了能够提高测量的可信度，需要保持较高的k 值调制率。但是，太高的k 值调制率会对束流轨道引入扰动，降低测量精度。 因此，使用直流k 调制进行基于束流准直测量时，必须在测量精度和k 调制率 之间找到平衡。另一方面，四极铁磁芯的磁滞效应也为直流k 调制的基于柬流 准直测量带来了精度瓶颈。 由瑞士的c e r n 提出的交流k 调制技术【”1 在l e p 电子储存环上得到了应用。 该技术对四极铁的k 值进行周期性调制，一般周期为几到十几赫兹，然后使用 锁相环或者数字信号处理分析柬流轨道信号。磁滞效应在交流调制的模式下不会 对测量带来影响；另一方面由于锁相环和数字信号处理对于信号的信噪比要求的 放宽，也使得k 值的调制率不必很大。但是，交流k 调制对于调制控制和柬流 轨道数据采集和处理的要求都较直流k 调制有很大提高。表1 1 给出了国内外电 子储存环基于束流准直测量的结果比较。 实验室方法 k 值变化量 误差( 脚砖精度( m a x 电阻分流器 2 - 3 n a n a s p e a r 电阻分流器 1 - 3 5 0n ，a k e k 电阻分流器 5 2 0n a d e 【j r a 附加电源5 n ，a1 5 0 a l s 单电源供电n an a5 0 b e s s y 单电源供电 1 n a2 0 d a r c s b u r y 交流k 调制0 5 1 n a 1 0 0 基于柬流的准直系统研制及相关研究 第1 章绪论 c e r n 交流k 调制 l 矿 3 0 - 5 0 1 0 0 b e p c辅助绕组n an a 5 0 表1 1 国内外电子储存环基于束流准直测量的结果比较 1 3 研究目标、内容和创新点 本文希望通过基于束流准直技术的研究和相关研究进一步提高合肥光源电 子储存环束流轨道的稳定性。通过对基于束流准直技术的研究，提高对四极铁磁 中心的测量精确度，从而获得使束流更为准确的参考轨道。通过对同步光引起 b p m 真空管的形变和温度测量和分析，找出了引起束流轨道不稳定的原因，为 柬流轨道校正提供有意义的参考；在研究过程中拓展思维，提出柬流测量和诊断 中的新应用。 直流k 调制方法测量四极铁磁中心在实际应用的过程中可以根据不同的实 现方法以及数据处理方法达到不同的效果。闭轨校正系统的局部凸轨功能可以实 现将束流轨道在四极铁中扫描过不同的横向位置。局部凸轨在扫描目标四极铁的 同时并不改变大多数四极铁位置的束流轨道，仅仅改变的是目标四极铁附近束流 轨道。改变单块校正线圈的电流值也可以达到让束流轨道扫描四极铁的效果，但 是几乎整个束流轨道都会被改变。本文对这两种不同的方式应用在基于束流准直 测量中，并对结果作出分析。 直流k 调制下的数据处理可以分别通过直线拟合和抛物线拟合进行。由于 基于束流准直技术可以通过多个观测点方式进行( 具体参见2 1 3 2 ) ，每个观测 点的结果对于最终测量的贡献亦有所不同。本文讨论不同观测点得到的测量结 果，以及不同数据处理方式对结果的影响。 直流k 调制下的基于束流准直系统可以被应用于b e t a 函数测量中。本文利 用合肥光源电子储存环的工作点测量系统，并对直流k 调制基于柬流准直系统 作出相应的改装，然后对b e t a 函数进行测量。 本文对交流k 调制基于束流准直测量进行实验，着手解决交流大电流调制、 调制频率可控、束流位置信号数字化和微机接口等问题。用于调制四极铁电流的 固体继电器能够快速接通和关断，因此对固体继电器使用交流的控制信号即可实 现对四极铁的交流调制。大调制电流和四极铁自身表现出来的电感特性给固体继 电器带来瞬态冲击电压，本文计算并设法减小冲击电压的幅度，保护继电器不受 损坏。本文开发调制控制硬件为继电器生成控制信号，并且提供微机接口。 交流k 调制下的基于束流准直测量须要对束流位置信号的幅度作出估计。 对此本文采用数字信号处理的方法，所以要求对束流位置信号数字化。目前合肥 光源电子储存环使用的柬流位置处理器是模拟系统，对束流位置信号的数字化在 此基础上实现。交流k 调制所涉及到的数字束流位置信号处理，本文利用数字 信号处理的相关算法完成。 在基于束流准直测量结果的基础上，利用闭轨校正系统对束流轨道进行了校 正。在储存环中，影响束流轨道稳定性的不可预知的因素很多，包括插入件间隙 调变、磁铁温度的变化、环境温度变化、机械振动、真空室移动、电源漂移与纹 波等。合肥光源使用轨道慢速反馈系统抑制这些不可预知因素带来的束流不稳定 性。目前合肥光源的全环垂直轨道的稳定性为 士3 0 耻m 【5 7 ) ，在水平方向轨道稳定 基于柬流的准直系统研制及相关研究第1 章绪论 性也被大大改善。但是在慢速反馈下，在储存环个别位置轨道仍然表现出十分明 显的漂移现象。本文对b p m 真空管的形变、位移和温度进行了测量，通过实验 发现了b p m 真空管的移动现象。通过综合分析b p m 真空管温度、位移和流强 的关系，本文对引起束流轨道漂移的主要原因作出了合理的分析和推断，并且结 合合肥光源的现实情况提出了解决方案。本文对提出的解决方案作出了原型，并 在实验中获得了很好的效果，证明了其可行性。 新兴的数字束流位置处理器已经在世界上不少电子储存环上得到应用。本文 提出应用数字束流位置处理器l i b e r a 对交流k 调制下数字束流位置进行采集。 本文还对l i b e r a 展开讨论，进行了工作点测量、流强跟踪、横向振荡阻尼时间 和相空间测量等应用研究。 在利用l i b e r a 对工作点测量进行测量时，遇到了扫频束流激励与l i b e r a 测 量无法同步的困难。本文提出使用窄带白噪声激励束流，并且自行开发了以 f p g a 为核心的窄带白噪声发生器，将其应用于束流激励。 根据以上研究内容，本文的创新点总结如下： - 在传统四极铁直流k 调制方法的基础上，提出将“迟钝”b p m 剔除 的方法减小系统误差； - 在国内首次提出四极铁交流k 调制测量四极铁磁中心并予以实现，显 著减小了测量误差： - 首次使用高灵敏度光栅尺对b p m 真空室的形变进行跟踪，发现了致 使束流轨道改变的主要原因，并提出采用补偿方法进行束流轨道修正， 从而提高轨道校正和轨道反馈的有效性； - 扩展数字束流位置处理器l i g e r a 的功能，提出多种束流参数测量与诊 断的应用； 开发基于f p g a 的窄带白噪声发生器，并将其应用于束流激励。 基于束流的准直系统研制及相关研究第2 章基于柬流准直理论及相关理论 第2 章基于束流准直理论及相关理论 本章首先简要介绍电子储存环物理中的一些相关概念；然后给出了基于束流 准直技术的理论依据，以及其他相关研究的理论。本章还给出了应用在本文研究 中的数字信号处理的相关理论。 2 1 储存环线性理论 2 1 1 横向运动 b 1 图2 - 1 四极铁内磁场及洛伦兹力示意图 ( a ) 四极铁横向截面，( b ) e i 极铁内洛伦兹力作用示意 电子储存环中，使电子保持在环内运行的导向场【2 0 l 主要由二极铁和四极铁 产生。二极铁内垂直方向上的磁场强度风为常数，而水平方向上没有磁场分量， 根据洛伦兹力的产生原理，电子在二极铁内将在水平方向上发生弯转，并且弯转 半径与水平位置无关。四极铁对储存环中的电子产生聚焦( 或者散焦) 作用，它 内部的磁场具有固定梯度( 参见图2 1 ) 。四极铁内部的磁场强度可以表示为 ( 2 1 ) 其中a 只砂和a 邑舐分别是水平磁场梯度和垂直磁场梯度，吻和分别是电 子到四极铁磁中心的水平距离和垂直距离。四极铁磁场所产生的洛伦兹力与电子 距离四极铁磁中心的距离成正比，这使得四极铁能够对电子产生聚焦或者散焦的 作用。通过麦克斯韦电磁场理论得到! ! 当：譬，即四极铁在一个方向上( 水平 彩卯 场 白 堡勿哆卜毽 = = 芝 墨 ，、l 基于束流的准直系统研 i 及相关研究第2 章基于束流准直理论及相关理论 垂直) 聚焦，则在另一个方向上散焦。当电子通过四极铁的磁中心时，它将不会 受到任何作用力。四极铁的聚焦作用保证电子能够在储存环真空室的孔径范围内 运动。 电子在储存环中的理想轨道是闭合的，它由弯转段( 二极铁) 和漂移段( 直 线节) 组成，并且通过每一个四极铁的磁中心。如果不考虑同步辐射的动能损失， 理想电子( 具有设计动量) 将沿着理想轨道永远运动下去。但是实际的储存环中， 由于磁场误差、准直误差以及同步辐射动能损失等等因素，电子的运行轨道与理 想轨道并不吻合。为方便分析，这里引入自然坐标系【2 1 1 ( 如图2 - 2 所示) ，其中 s 代表电子运动方向，默y 分别代表水平方向和垂直方向，统称为横向。 图2 - 2 自然坐标系示栅 电子运动的线性近似方程( 希尔方程) 为 工q 南删) j = 高等 y 一k 0 y = 0 ， ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 其中p 为电子在二极铁中的弯转半径，p = p 矾；衄是电子的实际能量与理 想能量e 之差；七( s ) 为四极铁强度，七( s ) ：一e ! 当。七( s ) 值为正，则四极铁在水 口饿 平方向上起聚焦作用；否则在水平方向上起散焦作用。k ( s ) 是以储存环周长l 为周期的周期函数，七( s ) = j | o + 三) ，它完全由储存环上二极铁和四极铁的分布 位置决定。 考虑水平方向，电子在储存环内的横向轨道可以被分成两部分： x=xc+x8，(2-4) 基于柬流的准直系统研制及相关研究 第2 章基于束流准直理论及相关理论 其中是一个闭合的轨道，它并不是理想轨道，称为平衡轨道；是横向振荡 轨道。显然，如果( 2 4 ) 右边的两部分满足 ( 高州s ，卜高等 陋5 ， 即- + ( 石茜+ 后c s ， 劫= 。， c 2 6 ， 那么，式( 2 2 ) 也被满足成立式( 2 - 5 ) 拥有唯一周期解k o ) = ，7 ( s ) a f e ，其中，7 ( s ) 称 为动量分散函数口1 1 。在垂直方向，式( 2 3 ) 的形式与( 2 6 ) 4 - 删，因此可以统 一表示为 工。= r ( s ) x ，( 2 7 ) 其中工代表横向运动，水平方向或者垂直方向；置( 。) 是以周长工为周期的函数。 方程( 2 - 7 ) 所描述的电子运动称为横向运动，它的解满足以下形式： ( 力= 口( j ) c o s u ( s ) 一9 0 】，( 2 8 ) 其中a 和脶与位置5 无关，由电子的初始状态决定；p ( s ) 又称b e t a 函数，是以 储存环周长三为周期的周期函数，它满足方程 ! 【2 0 ) 】。= i c ( s ) p 2 0 ) + 2 ( s ) a ( 2 - 9 ) 振荡相位函数卢( j ) 可以描述为( s ) 2 j 未严，电子运行一周所完成的横向振荡 周期数p 称作工作点，h ，2 去心，o ) 凼。 方程( 2 7 ) 的解由f l o q u e = t 理论所阐述，即具有周期函数系数的二阶微分方程 的解由两个线性无关的解工，和x 2 的线性组合而得到【2 2 1 。根据数学上已经证明了 的f l o q u e t 定理，希尔方程的解将由两个基本解x l 和砌的线性组合得到，新和初 被称为f l o q u e t 解。它们分别具有如下形式： 搿篓c o ：( s ) e 嚣 陋 k ( s ) = 叫” 、 其中6 3 ，0 ) 和1 , 0 2 0 ) 是以周长工为周期的周期函数。定义电子运行一周的转移矩阵 m 满足 基于柬流的准直系统研制及相关研究 第2 章基于束流准直理论及相关理论 。 x d 。s ，+ + l 三) ， = m 耄葛 ， m=lco。蒿sji-+oqqoa：，。sminp。0+72qsinqp。m，肛1 1 寿m s i n c o s m 讪m j 其中= y 0 + 三) 一y ( j ) 。式( 2 一1 2 ) 可以写成 肘= ，c o s + ；三 s i n ， i 口= 一q q 。 =砰 【，= 酽+ q 。 称为t w i s s 参数。根据( 2 1 4 ) 的定义，可以得到t w i $ 6 满足以下的关系： 一口2 + 办= l 一秒。 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 横向运动的解( 2 8 ) 可以通过f l o q u c t 解的线性组合得到，( 2 8 ) 和( 2 1 4 ) 中的觑s ) 是相同的物理量，因此，横向运动的解满足转移矩阵的关系。 转移矩阵可以进一步被定义到储存环上任意两点s j 和s 2 之间： 陇牡，斛。 根据横向运动的解( 2 - 8 ) ，可以推导得出m 2 j 的表达式为叫 m 2 12 c o s p 2 + a , 咖鸬。) 扫万s i n 鸬。 一酱嚣c o s 鸬- 、c o s 屿t - a 2 s i n 1 2 = s i n t n + ， 一面菰瞄如、 ) 其中下标为1 和2 的各个参数分别