（核技术及应用专业论文）合肥光源横向逐束团实时测量分析系统研制.pdf

摘要 摘要 高流强、高亮度和高稳定性的机器运行状态是所有同步辐射装置工作者追求 的目标，实时地对储存环运行状态进行监测将有助于研究人员对机器的了解与研 究。在储存环注入束流累积以及储存运行过程中，束流会呈现出不稳定性，它轻 则导致束流品质下降，重则造成束流丢失。在各种不稳定性当中，由高频腔高次 模和电阻壁阻抗引起的耦合束团不稳定性已经成为制约储存环束流流强和品质 的重要因素之一。 本论文重点叙述了本人完成的合肥光源( h l s ) 横向逐束团实时测量和分析 系统。基于此系统，可以实时采集两通道( x 方向和y 方向) 逐束团数据并对 其进行分析，获取实时束流运行参数，便于对储存环运行性能的提高提供理论依 据。该系统主要包括：束流信号处理和采集模块、时钟系统、中心控制程序及数 据分析程序。时钟系统采用的是自主开发的时钟信号处理板，控制分析程序在完 成束流逐束团数据采集的基础上，实现了对束流横向运动x 、y 两方向的时频分 析、工作点测量、相空间重建以及模式分析等。 结合测量系统以及初步构建好的h l s 逐束团反馈系统，利用任意波形发生 器，开发了针对反馈系统性能的测量分析方法。通过使用任意波形发生器控制反 馈信号相位实现对反馈系统的控制，在不同的反馈信号状态下完成对束流信号的 采集分析。 合肥光源逐束团反馈系统已经初步构建完毕，信号的反射问题成为制约反馈 系统性能的主要因素，反馈系统的改进方案主要是针对系统的前端电子学处理模 块；同时，为获得更好的信噪比，对信号的控制也需做相应的改进。 本论文为国家自然科学重点基金项目( 1 0 1 7 5 0 6 3 ) 资助。 关键词：实时测量分析系统耦合束团不稳定性相空间重建模式分析 信号反射 a b s t r a c t h i g hc u r r e n t ，h i g hb r i g h t n e s sa n df a v o r a b l e s e 甜c ho ns y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl i g h ts o u r c e s t a b i l i t yi st h eo b j e c to fa l ls c i e m i s t s o b s e r v ea n dm e a s u r et h eb e a 】：1 1i nr e a l t j m ew i l lh e l pt h er e s e a r c h e ra n a l y z i n gt h es t o r a g e n g i nt h e p r o c e s so fa c c u m u i a t e b e a h la n ds t o r eb e 锄i ns t o r a g er i l l g ，t h eb e a m i 1 1 s t a b i l i t yw i l jo c c u r ，t l l a tw i l ld e p r e s s t h eq 嘲1 i t yo ft h eb e 锄o re v e nm a k et h eb e a ml o s t t h em a c h i n e ，sp e r f o n l l a n c e i n h l s ( h e f e il i g h ts o u r c e ) i sl i m i t e db yt h ec o u p l e db u n c hi n s t a b i l i t yc a u s e db yt h e h i g ho r d e rm o d e s ( h o m s ) o ft h ei 乇fc a v i t ya n dt h er e s i s t j v ew 鲥li m p e d 觚c eo ft h e r i n gv a c u u mc h 锄b e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h er e a l t i m em e a s u r e m e n t & a n a l v s i s s y s t e m jh es y s t e mc a na c q u i r et 、v oc h a r u l e l sd a t a ( xd i r e c t i o na n dy d i r e c t i o n ) a t h i 曲舭q u e n c ya n dt h e ni tc a nw o r ko u ts o m ep a r a m e t e r sb a s eo nt h eb e a m ，i th a s d l s c u s s e dt h r e ep a r r t si nt h em e a s u r e m e n t & a n a l y s i ss y s t e m ：c l o c k s y s t e m ，c o n t r o i a n da n a l y s j sp r o g r 锄，a n a l y s i sr e s u l t t h ec l o c ks y s t e mi sb a s eo nap r o g r 锄m a b l e c l o c kg e n e r a t o r ；t h ep r o g r 锄c o n t r o lt h ed a t ac o u e c ta tf l r s t ，t h e ni tc a na n a l v s e st h e t i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n ，w o r kp o i n t ，p h a s e s p a c er e c o n s t m c t i o na n d i n s t a b i l i t ym o d eo ft h et w oc h a n n e ls i g n 鲥s c o m b m i n gt h em e a s u r e m e n t & a n a l y s i ss y s t e ma n dt h eb u n c hb yb u n c h ( b x b ) f e e d b a c ks y s t e mi nh l s ，am e a s u r em e t h o do nm ep e r f o m a n c eo ft h ef e e d b a c k s y s t e mi sd e v e l o p e d t h em e t h o di sc o n t r o lt h ep h a s eo ft h ef e e d b a c ks i g l l a li nt h e w a yo tu s m ga r bw a v e f o n ng e n e r a t o r ，a n da i l a l y z e sm ec o l l e c t e dd a t a 、 ，h i c hi s r e l a t e dw i t ht h es p e c i a lf e e d b a c kp h a s e t h eb x bf b e d b a c ks y s t e mh a sb e e nc o n s t m c t e di nh l s ，h o w e v e r ，i t sp e r f o 册a n c ei s l i m i t b ys o m ef - a c t o r s ，t h er e n e c t i o no ft h e s i g n a ii st h em a i np r o b l e m t h e l m p r o v e m e n to ft h es y s t e mi sa i ma tt h e 丹o n te n de l e c t r o n i c sp r o c e s sm o d u l e 。i h i sl i a p e rw a s s 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 ( 1o17 5 0 6 3 ) k e yw o r d s ：r e a lt i m em e a s u r e m e n t & a 1 1 a l y s i ss y s t e m c o u p l e db 吼c hi n s t a b i l i t ) r p h a s es p a c er e c o n s t r u c t i o n m o d e a n a l y s i ss i g n a lr e n e c t i o n 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：孟盘髯 2 。_ 譬年等月2 。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 合肥光源是专用的同步辐射装置，它主要由直线加速器和储存环两大部分组 成。电子在直线加速器中被加速至2 0 0 m e v ，采取多圈多次注入和满填充方式进 入储存环中，当储存流强累积到一定值后，再慢加速至8 0 0 m e v 运行。整个同步 辐射装置是一个大的系统，系统中任何一个部件都影响着光源的质量，通过实时 观测束流的运行( 束团位置、工作点和相空间等) 情况，掌握束流运行的实时重 要参数的信息是至关重要的。 高流强，高亮度，高稳定性的储存环是所有高能加速器工作者的目标。自上 世纪七十年代以来，各国先后建成了一批高能加速器。经过长时间的调试与研究， 不同的机器在一定程度上都表现出相同的共性：在束流积累以及储存过程中，束 流会呈现出不稳定性，它轻则导致束流品质下降，重则造成束流丢失【l 】。因此， 研究束流不稳定性以及寻求克服束流不稳定性的方法是加速器学者研究的一个 重要课题。 h l s 是以多束团，高流强运行，不可避免的会产生各种束流不稳定性。在研 究乃至克服束流不稳定性的过程中，首先必须通过一定的途径观测到束流不稳定 性，从而做到有的放矢。本论文内容主要是完成一套横向振荡实时测量和分析系 统。基于此系统，可以实时采集逐束团( b x b ) 数据并对其进行分析，实时获得 束流的各种运行参数。是加速器运行深入理论研究重要的工具。 在储存环运行中，多束团耦合束团( c b ) 不稳定性尤为突出【2 】，为抑制这 种不稳定性，在合肥光源上，构建了横向b x b 束流反馈系统【3 ，4 】。同时，在实时 测量系统的基础上，开发了一套横向反馈阻尼率测量方案，用于对合肥光源横向 反馈系统进行分析，指导该反馈系统的调试。 1 2 国内外现状 观察束流运动的传统方法是利用频谱仪的频率扫描功能测量回旋频率谐波 附近的同步和横向振荡边带，或者在时域监测平均意义上( 即所有束团参数的时 问平均) 的轨道变动，即闭轨畸变测量和t u m - d y - t u m 测量。无论时域还是频域， 其本质上都是窄带测量。时域平均显然无法观察快速运动的细节；频域测量，由 于束团振荡信息可能出现在每个回旋频率谐波上，理论上需要至少n ( 运行束团 第一章绪论 数目) 个带通测量电路，其中心频率分别为各阶谐波频率，同时测量频域模式。 对于现代储存环，其运行束团数目可达上百甚至上千，如此庞大的电路规模实现 代价太大。同时频域测量由于各个束团大小、形状不一致时，结果过于复杂，这 是因为其本质上是基于所谓稳态测量原理。目前束流诊断技术的亮点是基于宽带 电路的时域快速测量，即所谓的b x b 系统。逐束团系统分为逐束团测量系统【5 6 】 和逐束团反馈系统。 1 3 研究内容 1 3 1 实时测量系统 合肥光源横向逐束团实时测量系统可以分为以下几个模块：束流位置探测器 ( b p m ) 、前端电子学处理模块、滤波放大处理模块、时钟系统和高速数字采集 卡模块。为实现数据的实时分析，基于p x i 控制器和高速数字采集卡，开发了 一套实时分析处理程序，从而可以对储存环中束流运行状态进行逐束团实时监测 以及获取束流运行的部分实时参数，以便于机器研究。 1 3 2 耦合束团不稳定性分析 由高频腔高次模和电阻壁阻抗引起的耦合束团不稳定性是制约储存束流品 质提高的重要因素。本文在不稳定性理论分析的基础上，基于合肥光源逐束团反 馈系统，利用任意波形发生器，开发了一套耦合束团不稳定性的测量系统，可以 实现对耦合束团不稳定性中模式随反馈系统状态变化的测量。系统中使用任意波 形发生器控制反馈信号相位，从而控制反馈系统，在开启和关闭反馈系统的同时 对束团数据进行采集，据此分析反馈系统的阻尼率和储存环不稳定性模式的自然 增长率。此系统不仅可以使研究人员更好的分析耦合束团不稳定性，还可以用于 检验反馈系统的工作性能，指导反馈系统的调试和运行。 1 3 3 合肥光源横向逐束团反馈系统的初步调试 在合肥光源横向逐束团反馈系统初步建造完毕后，调试过程必不可少。反馈 系统的调试主要包括时序的调整以及反馈信号相位的调试。论文中介绍了对反馈 系统进行初步调试的一些过程以及发现的问题。其中信号的连接头反射问题尤为 2 第一章绪论 严重，它大大降低了反馈系统的性能并在很大程度上制约了反馈系统有效的运 行。 第二章束流位置信号测量 第二章束流的横向运动及位置信号检测 束流测量系统是加速器的重要组成部分，被称为加速器的“眼睛”。在加速 器调试和性能研究过程中，束流测量系统是研究人员必不可少的工具，通过各种 不同的设备，可以得到束流的能量、流强、位置等参数，从而对束流的性质进行 进一步的分析，保证加速器的正常运行。 2 1 束流的横向运动 带电粒子除了沿环做周期回旋运动之外，还沿着束流平衡轨道做横向运动和 纵向运动。本论文主要介绍的是对束流横向运动的测量分析( 即x 和y 方向) 。 图2 1 自然坐标系 束流的横向运动是与粒子( 沿闭轨方向的) 运动相垂直方向的运动。在如图 2 1 的自然坐标系中，假定坐标轴s 与储存环中粒子的平衡轨道相重合，x 轴位 于粒子运动水平轨道平面内，垂直于s 轴，并与轨道的曲率半径方向一致；y 轴 垂直于水平轨道平面；束流在x 、y 方向的运动即是束流的横向运动。 现代的电子储存环中都是属于分离作用强聚焦结构【7 1 。从加速器物理中知道 粒子的横向运动是一种自由振荡运动，运动方程可以从洛伦兹力得到，当忽略了 高此项时，可取下面的形式： 窘+ 南枨卜高等 。 等一k ( s ) z ：o ( 2 2 ) 4 第二章束流位管信号测量 式中p ( s ) 是轨道的曲率半径，k ( s ) 是元件的聚焦函数。它们都是轨道方程。 卸p 是动量散度。容易看出，式2 1 和式2 2 是两个振荡方程。 当讨论电子的横向振荡时，可先设卸p = 0 。于是，式2 1 和式2 2 两个方 程有相同的形式： 等嘲咖= o ( 2 3 ) 这个方程叫希尔方程，它是一个具有周期性的振荡方程，由于储存环中平衡 轨道是闭合的，因此k ( s ) 是一个周期函数。如果一个机器具有若干磁周期结构， 则k ( j ) 还满足周期性条件：k 0 + 上) = k ( s ) ；此处l 为周期或超周期的长度。 在下面的推导中，用到的口、和y 为储存环的t w i s s 参数，并有： 办一口2 = l ( 2 4 ) 依据弗洛克( f 1 0 q u e ) 定理【8 1 ，解得： y 0 ) = 口矿彬 ( 2 5 ) 因此，束流的横向振荡轨迹可以写成： y ( s ) = 口( j ) c o s ( + 矽o ) ( 2 6 ) 其中： 矽= r 亳为粒子从s - o 到s - s 处的相移。为s _ o 的初始相位。 式2 5 表明粒子的横向振荡是一种假谐波振荡，以( s ) 为振荡的轨迹包络。 它意味着所有振荡的振幅都在以( s ) 之内。 式2 5 中的为自由振荡的相移： 2 ( 2 7 ) 式2 5 中的a 为常数，它和是由起始条件决定的，而( j ) 是自由振荡的振 幅函数，它是s 的周期函数。从式2 7 中不难得到电子回旋一圈的自由振荡频率 为： y = 去厂南 泣鼬 此即为束流的工作点，在第三章中会有更为详细的介绍。 根据： 第二章束流位置信号测量 周别为t ，则早个柬团的时域表达式为： 协茜唧( - 割 将上式进行傅立叶展开，得到： 舶) = 等曹一s 吣) 这里 l = 等唧( _ 竽 上式可以写成 厶( f ) ：+ 2 l 艺么。c 。s f ) 这里，平均( 直流) 流强为： ib = 等 m 次谐波的幅度因子为 小唧( _ 竽 通常o o 。 l ，所以对于较小的谐波数m ，其幅度因子a 。接近于1 。 2 3h l s 环上束流位置探测器及信号分析 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 电子储存环中，常用的束流测量设备有束流位置检测器( b p m ) 、束流流强 检测器( d c c t ) 、荧光靶等。全环有3 1 个b p m ，其中2 4 个用作束流闭轨测量 【1 0 1 、2 个用作逐圈位置测量1 1 1 、2 个作为逐束团横向反馈系统【1 2 】；并且逐束团 束流位置测量与横向反馈系统共用前端。h l s 的束测设备分布图如图2 2 所示。 7 第一二帝柬流位置信l j 测量 罐。3 p 饿暴蓑气，s 瓢 孝“= = 啪。鬟私，、 董条带位置检测器礓娄测鬟 葶”剀川” 荧光帅a g ) ：礓 厂o 直流流强检钡j 尝导( d c c t ) r f 目 掣t o k一直流清洗电极 w j 9 9 1 e r l j 一直流清洗电极 “j g g j “ 荔测篓篆w _ 三少三薹兰q 三蓼 秘 田 。墨 蟹w 栅铁 q 5 ：鬻 鸭戮筵当黼拶。 图2 2h l s 束流测量设备分布图 逐束团测量和横向反馈系统前端探测器采用的是圆形钮扣型b p m 电极【1 3 】， 钮扣型电极的特性阻抗与输出信号送至电子学线路的传输线阻抗一致，为5 0 欧 姆。钮扣型b p m 的截面图如图2 3 所示。 图2 0 钮扣型b p m 截面图 具有n 个粒子的高斯分布束团在电极上的感应电压为： ( 2 1 9 ) 上矿，一13 塑肛劳 第二章束流位置信号测量 为： 图2 - 4 钮扣电极的感应电压波形 图2 4 所示为钮扣电极的感应电压波形。当t = o 时，得到其感应电压的峰值 ( 2 2 0 ) 由此可见，峰值电压反比于束团长度。所以，钮扣型束流位置检测器常用于 束团长度较小的电子加速器和电子存储环。 感应电压的频域表达式为： ( 国) ：掣厶彳( 国) 垡 z 刀c ( 2 2 1 ) 可以看出，感应电压的幅度随频率近似线性增长。 对拾取到的b p m 位置信号的处理在下面的章节中阐述。 9 他 一一盯 塑即 万 坐秽一q = 鼬0 第三章h l s 逐束团测量系统及应用 第三章h l s 逐束团测量系统及应用 本章主要阐述的是h l s 逐束团测量系统的系统组成及其应用。重点介绍了 实时测量分析系统中时钟系统的研制以及测量分析系统的控制程序。时钟系统采 用的是自主开发的时钟信号处理板，该系统可以同时提供八路时钟信号输出。输 入信号来自高频的r f 频率信号，输出信号可根据实际应用设定为高频信号的n 分频信号，并且输出信号与高频信号同步；测量分析系统的控制程序是用 l a b v i e w 语言开发的，程序中采用功能全局变量实现数据的储存，对数据进行 所需的各种处理。在本章的最后部分简单介绍了用于b x b 反馈系统中的温度测 量系统。 3 1h l s 逐束团测量系统组成 h l s 横向逐束团模拟测量已经建造完毕，测量系统主要由前端电子学处理模 块，束团位置信号处理模块，时钟系统和高速信号采集模块组成。结构框图如图 3 1 所示。 图3 1 合肥光源逐束团横向测量系统示意图 该横向测量系统工作原理是：从b p m 四探测电极来的四路信号，经过h y b 瑚 做加减运算，得到x 和y 方向上的束流位置振荡信号和和信掣1 4 】( 图3 1 中h y b i r d 模拟处理模块输出的两路信号分别为x 方向信号和y 方向信号) ，再通过梳状带 通滤波器后与r f 信号的3 倍频信号进行混频，然后通过低通滤波器得到带宽为 1 0 0 m h z 的束流低频振荡信号。图中3 阶梳状滤波模块将使束流频谱集中在3 倍 r f 频率范围内，可得到高的信噪比和检测灵敏。1 0 0 m h z 束流低频振荡信号输 入高速信号采集模块。 i o 第三币h l s 逐束幽测量糸统及心用 3 1 1b p m 信号处理 b p m 获取的电压信号，经过h y b i r d 处理模块才能得到所需要的x 、y 位置 信号以及和信号。如图2 3 ( a ) 所示，合肥光源的束流位置探测电极为安装于真 空室壁上斜4 5 0 的钮扣型电极。来自b p m 的四个电极信号，具有相似的波形和 相同的相位，幅度正比于通过束团的电荷量。它们之间细微的幅度差反映了通过 的束团质心相对于探测器中心点偏移。式3 1 为h y b r i d 处理模块所进行的模拟运 算。 x o c ( 一心+ k 一屹) ( 3 1 ) 】，o c ( 心一心+ 一屹) 其中，k 、v 6 、匕和v 。是钮扣型b p m 的四个输出信号，x 为x 方向位置信 号，】，为y 方向位置信号。 需要注意的是：由于从b p m 获取的原始束团信号是脉宽不足1 n s 的窄脉冲 信号，因而对四根从b p m 输出端到模块输入端电缆的时序要求非常严格，必须 把其误差控制在p s 量级。 熙黧孵圜蕊衄蟹圈田娜雹隳黑碉骢固呼平皿p 墨回呼唧 酉磊簿；i 一瓣露惑瓣甄攀蓼wi 酉磊! 。赫一飘囊薹衢! 瓣j 瓣l 鍪警萝l 乙一上一l一 i j 一j l 图3 2 单束团模式前端模块输出信号 图3 3 单束团模式3 一t a p 梳状滤波器输出信号 图3 2 为单束团状态下用示波器测得的前端处理模块输出信号，其中通道二 ( 上面的信号) 是y 方向信号，通道三( 下面的信号) 是x 方向信号。信号的幅 度大小与x y 方向的振荡大小，所选b p m 处的l a t t i c e 参数以及束流强度都有关 系。在单束团信号的后面，可以看到有一些小的噪声信号，这点在第五章中会有 专门介绍。 在系统中，横向( x 、y ) 振荡信号测量选择中心频率为3 牢i 讧( 2 1 。从前端处 理模块中输出的信号包含有太多的频率成分，为使信噪比更佳，采用了模拟延时 实现3 级f i r ( 梳状带通滤波) 滤波器。经过梳状带通滤波器，使得束流频谱集 第t 章h l s 逐束团洲鞋系统及应川 中在设计的检测频率附近。该滤波器的另一个特点是在通带内具有非常好的线性 相频响应。 图3 _ 3 为示波器测得的通过3 阶梳妆滤波之后的信号，其中通道二( 上面) 是x 方向信号，通道三( 下面) 是y 方向信号。为了进一步滤除噪声，在3 阶梳 妆滤波器之后，加入了一个带通滤波器，选用的是博亚公司生产的中心频率为 6 1 2 m h z ，带宽为4 0 0 m h z 的带通滤波器。图3 4 所示为单束团模式下经过带通滤 波器之后的束团信号。 ? 5 4 5 。j 。? 5 。? f ：t - 一- 。一 ，“如”。8 1 5 “8 1 r 蟹鼍翟霉匿 图3 4 单束团模式带通滤波器输f i | 信号 滤波后的信号馈入下一级与各阶i i f 谐波作混频或鉴相处理。对于横向和电 荷测量而言，这是一个下变频过程，混频器的作用是将测量频段从3 倍r f 变换 到d c 附近。抛开信号交扰、端口耦合和干扰信号暂不考虑( 这些成分至少比变 频成分小2 0 d b ) ，我们感兴趣的频率成分在d c 一1 0 2 m h z 的范围内。从中频输出的 信号包含了从直流到6 0 0 m h z 以上的高频混叠频率成分，所以必须在中频输出端 插入合适的低通滤波器，我们选用的是m i n i 公司的1 0 0 m h z 低通滤波器。从低通 输出的信号才+ 是真正想要的下变频信号。 3 1 2 时钟系统 合肥光源逐束吲测量系统中的时钟系统采用自主开发的时钟信号处理板，其 结构框图如图3 5 所示。在测量系统中，高速信号采集卡工作在外触发与外时钟 状态，下面所要介绍的时钟信号处理板可以同时作为时钟源与触发源，从而保证 采集到的双通道数据同步。 第三章h l s 逢束团测量系统发应用 图3 - 5 时钟信号处理扳 该时钟信号处理板是个两层电路板，可以有两路信号输入，8 路信号输出。 在此我们只输入一路信号，即输入r f 信号，通过具体的程序设定每一路输出的 信号频率。在信号输入处理板之前，有必要对其进行放大滤波处理，放大器和滤 波器都是选用珊i n i 公司的器件，并且把它们都放置于处理板上。 图3 6 ( a ) 时钟信号处理板原理煳 第三章h l s 逐束团测量系统及应用 图3 - 6 ( b ) 时钟信号处理板原理图 处理板的设计原理图如图3 6 所示。原理图的设计分为两部分：以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心的控制部分( a ) 和以i d t 5 v 9 8 8 5 ：i ! ；：片为核心的时钟信号处理部分 ，b ) 。控制部分通过单片机的p 3 6 和p 3 7 两个管脚把程序输入处理芯片中。 一个稳定的电源与地是任何一块p c b 板正常工作的基础。稳定的电源与地可以为 信号提供稳定的电压参考电平，并为系统提供足够的能源，同时将电源分布到系 1 4 第三章h l s 逐束团测量系统及应用 统的所有器件中，还可以控制信号直接的干扰。 在处理板中，选用的放大器是1 5 v 直流电源供电，a t 8 9 c 5 2 单片机的工作电 压是5 v ，i d t 5 v 9 8 8 5 芯片的工作电压是3 3 v 。在具体设计中，采用直流稳压电 源输入1 5 v 直流电压，为进一步消除电源的纹波，确保电源的稳定，在处理板上 放置辽宁朝阳电源公司所产的1 5 v 一5 v 电源模块，以及5 v 一3 3 v 电源转换芯片。 同时，在处理板的电源输入端放置一个l o u f 的大电容，当需要高速切换的电流 输入、输出时，可以迅速的提供电路系统所需要的高速切换电流，保证电流系统 的供电需求；并且在芯片的所有电源管脚与地管脚之间跨接o 0 1 u f 的小电容。 在完成元器件的焊接之后，也是首先对处理板的电源系统进行检测。 处理板的核心芯片是i d t 公司生产的i d t 5 v 9 8 8 5 电可擦除可编程时钟发生器芯 片。该芯片内置三个锁相环，每个都可以独立编程，处理同一个输入信号。通过 1 2 c 或者j t a g 接口可以把程序写进芯片，一个内置的e e p r o m 使得各端口配置可 以保存在芯片当中，无需每次运行的时候都重复操作。在该时钟信号处理板中， 选用的是i2 c 方式，即使用a t 8 9 c 5 2 单片机把处理好的程序输入芯片中，对每个 输出端口所输出的信号频率进行设定。 在高速信号处理板的设计当中，信号的串扰问题尤为重要n5 l 。在高速电路中， 电感的阻抗要远远大于通道的电阻，信号电流的返回通道遵循着最小电感原则， 而不是低速电路中的最小电阻原则。由于电路中的电感与信号流动的环面积成正 比，因而，当其它因素相同是，环面积越大，电感越大。在实际的设计中，选择 的是双层p c b 板，两个布线层不得不相邻，为减小线与线之间的串扰，在两个布 线层上的布线方向基本都呈9 0 。，垂直布线。 在完成了对时钟信号处理板的开发之后，选取四个输出端口并分别对其输出 频率进行设定，其中输出端口一为原r f 信号，输出端口二和端口三为4 5 分频信 号，端口四为3 分频信号。端口二和三设定为4 5 分频输出是因为合肥光源储存 环运行状态下是4 5 个束团，因而很多时候需要4 5 分频r f 信号作为触发以同步 信号测量和采集；在未来的数字反馈系统当中，数字信号处理核心板将会用到3 分频的r f 信号作为系统时钟n 引。 3 2 实时采集分析系统 合肥光源逐束团采集分析系统的核心部分是a c q i r i s d c 4 4 0 高速数字采集卡， 安装在带有内嵌式的控制器模块高性能6 up x i 机箱上。该采集卡的最高采样率 可达4 0 0 m s ，由于所需采集的模拟信号的频带是d c 1 0 0 m h z ，因而它完全司以 满足要求。同时，它可以双通道同时采集数据，即可以同步采集x 、y 方向的信 妊：币i 。s 逐束叫洲驻系统及f i 川 号，有利于对束流进行分析。( a c a i r i s d ( ：4 4 ( ) 的具体参数见附录a ) 3 2 1 采集卡硬件的设置 合肥光源储存环的高频频率是2 0 4 0 1 6 m h z ( 供光模式) ，任意两柬团之间的 问隔是4 9 n s 。在对信号的采集过程中，设定采样率与高频频率相同，并且使用 外触发模式同步两通道数据，触发源来自对高频信号的分频信号。在默认情况下， 设置采集卡采样率为2 0 4 0 1 6 m s ，时钟为外部时钟，使用外部触发工作状态。 为确保采集到的数据可以真实反映束团振荡状态，需要对时序进行调整，使 得每次采样的数据都在束团的峰值点，图3 7 所示为调节好时序后分别使用泰克 示波器( a ) 和a c q i r i s 数据采集卡( b ) 观测到的反馈信号n3 波形( 光纤滤波器输 出信号) 。两幅图片是对同时对同一信号的观测结果，可以看出，用两种方式观 测到的反馈信号的幅度大小一致，x 方向信号峰一峰值为11 m v ，y 方向信号较小， 峰一峰值为8 n v 。 ； 毫学、吁矿氏p f 。氓冬f 、审、尹f 谚、 。? ，j 卜 、t 崎；。v 、。；j 峨p 、j 移妒、i 搿j 譬蚺。 产s ；： ：，； ； i i i f ： 伟酉丽订_ f 藕菲f i l、。，j【 ( b ) 数据采集 观测到的反馈信号 图3 7时序调整后观测到的信号比较 笫三章h l s 逐束团测量系统及应用 3 北控制分析程序介绍 完成了对信号的处理以及信号时序的调整，就可以对信号进行采集分析。 a c q i r i sd c 4 4 0 是双通道采集卡，可以同时采集两通道数据。在此，把x 方向信 号输入通道一，y 方向信号输入通道二；高频信号的4 5 分频信号输入触发输入 接口；高频信号输入外部时钟接口作为系统工作时钟信号。至此，硬件上的组建 已经完成，在此基础上，使用l a b v i e w 开发了一套基于高速信号采集的测量分 析程序，程序流程框图如图3 8 所示。程序主要由三部分组成：采集参数的设置、 数据的存储和数据的分析处理。 图3 8 实时测量分析系统程序框图 程序首先需要完成的是对硬件的识别，即识别安装在p x i 机箱上的高速采集 卡并初始化采集参数，采集参数的设置与合肥光源储存环束流的部分运行参数有 关，同时也与采集卡的硬件限制有关。同时，在数据的采集过程中，可能需要对 采集参数进行调整，可以通过程序中的调整采集参数模块对采集数据大小、触发 源、采集延时和采集量程进行设置。 第= 争h l s 逐束团测量系统及肫用 发胃血，采集参数之后便可以对信号_ 基行采集j 程序把每次采集到的数据放 置于功能全局变量之中，达到在下一次采集之前，数据不会改变的目的。功能全 局变量只是一个广泛意义上的变量，它是将一个w h i l e 循环放置在子程序中，并 使用移位寄存器保存可读写的数据，这种技术与全局变量类似。与全局变量相比， 该方法的优势在于可以控制对移位寄存器中数据的访问；并且，由于测量系统中 使用的微处理器是单处理器，双通道同时采集，如果使用全局变量暂时储存数据 的话，很可能产生竞争状态，然而，功能全局变量是一个不可重入的子v i ，这 意味着在多个位置调用该变量时，将使用它的同一副本，每次只有在一个位置对 其进行调用，使用功能全局变量就确保了4 i 会产生竞争状态，从而可以有效的保 存采集到的数据资源，同时实现埘全局数据资源进行访问保护，这些都是其它变 量无法完成的。 每次采集完成后，便可以刈f 渚存于功能全局变量中的数据进行相应的分析处 理，此时处理的数据都是同一次采集到的数据。控制程序的界面如图3 9 所示。 图3 9实时测型：分析系统程序界面 借助于l a v v i e w 的事件结构程序模式以及功能全局变帚的使用，该测量分 析程序可以很容易的实现功能上的扩展，为将来进一步扩充刘束流信号其它参数 的分析提供了便捷的途径。 需要说明的一点是：在合肥光源逐束团反馈系统当中，选取了q 7 s 和q 2 w 第二二覃h l s 逐束团测量系统及应用 两个b p m 【1 7 】，区l 而存测星系统中可以对米自此两个b p m 的横向信号、和信号进 行测量分析。实现的方法是通过采用n i 公司的p x i 6 7 0 4 多功能控制卡，选择所 需的输入信号。 采集卡采集到的两通道数据都是一维数组，数组的尾部是对采集参数及其它 采集信息的说明。为获取有用的数据，首先必须对采集到的数掘进行初步的处理， 删除尾部采集信息，山于系统主要进行的是逐束团分析，对数据进一步处理，转 化为二维数组，从而呵以任意选择想要分析的单一束团数据。 3 3 采集信号分析 完成信号采集后，j 以首先对其进行初步的观察与分析。在时域上观察信弓1 是最直接的方式，程序中i j 。以对已经初步处理过的数据在时域上观测。在时域， 可以很明显地看到各束团的相对振荡幅度，束流的运动情况等信息。在频域观察 信号也是初步分析的一种手段，对采集数掘作f f t 变换，得到频域上的信息。 如图3 1 0 为初步分析数据界而。 0 0 0 8 0 0 0 b 一 0 0 0 4 一 删 0 0 0 2 一 三o 一 & 一0 0 0 2 一 一0 0 0 4 一 一00 0 6 一 一0 0 0 8 一 一0 0 l 一 9 0 9 8 9 2 0 09 3 0 09 4 0 09 5 0 0 j 9 6 0 09 丫0 0日丁b 0 t i m e 00 0 50 10 1 50202 5030 3 s0 404 s0 ，5 f r e q p e n c y 3 3 1 工作点测量 图3 1 0时域& 频域数据观测 在电子储存环中，i ：作点可以定义为束流在两个横向每圈的d 振荡数vf 式 2 8 ) 。它由整数部分和分数部分组成，其整数部分可以通过单个佼f f 铁激励所产 生的闭轨失真来测量f 7 1 ，而分数部分则需要采用工作点测量系统进行精确测量， 0 0 0 0 0 0 0 0 嘞 啪 唧 m m 螂 啪 一 一 一 一 一 名0 二a 第i 窜h 【，s 逐求团洲丛系统及j _ 用 在合月1 已源) ( 方向一f 作l _ ：i j 的整数部分为气；y 方向：r 作，颤的整数部分为2 。 工作点的测量方法有很多种，其中最常用的方法是扫频激励法，快傅立叶法 和锁相坏法1 7 j 。无论采用哪种方法，都需要激励器和检测器。用一个扫频信号或 者白噪声信号对储存环中的束流进行激励，当激励频率j 等于束流d 振荡频率 的分数部分q 国。时，即国，= g o ，则出现共振，因而可以通过测量该共振频率得 到工作点的分数部分。图3 一1 1 为通过频谱仪观测到的x 方向信号频谱，可以看 到，在两个网旋频率中间的两个峰值处的频率即是x 方向f j 振荡频率。其中m l 和m 2 两处频率分别为f 1 = 2 0 0 6 2 5 m h z ，f 2 = 2 5 3 1 2 5 m h z ；由两个频率值计算得 出的工作点一致：1 一f l f 萨0 5 5 8 = “。 图3 。1 lx 方向f j 振荡频潜观测 在本测量系统中，采用快速傅立叶法测量工作点。图3 1 2 为工作点测量系统 示意图，系统中，利用a f g 3 2 5 2 任意波形发生器产生白噪声，经功率放大器后 输入反馈腔激励束流；同时从b p m 拾取束流信号，测量系统中的高速信号采集 卡对信号进行采集，然后川f f t 进行分析得到束流的横向振荡频率，从而实现 工作点测量；期问所有的控铜j 都是通过p x i 控制器平台实现的。 第三章h l s 逐束团测量系统及应用 图3 1 2 工作点测量系统示意图 图3 1 3 为实验中测得的x 方向工作点结果。图中：横坐标为束团号，纵坐 标为工作点的小数部分。程序中，对采集到的逐束团数据进行分析，把采集数据 处理成4 5 个束团数据之后，再进行工作点分析处理，由此可得每个束团的工作 点。图3 1 3 的测量结果表明，当时几乎所有的束团都被激励，所测得的x 方向 工作点小数部分为0 5 4 8 2 ，y 方向工作点小数部分为o 5 9 0 2 。在同一时间，在 频谱仪上观测束流的频谱，x 方向的振荡峰值频率为2 4 8 7 m h z ，y 方向的振荡峰 值频率为2 6 8 m h z ；可以算出，通过频谱仪测得的x 方向工作点小数部分为： 2 4 8 7 4 5 3 3 6 = o 5 4 8 5 ，y 方向工作点小数部分为：2 6 8 4 5 3 3 6 = 0 5 9 1 1 。两种 方式测得的结果在误差范围内一致( 精确到小数点第四位) 。 ( a ) x 方向工作点 第三苹h l s 逐束团测量系统及l j i 川 该系统的频率响应为： 日( q ) = 一s g n ( q ) 上式表示的l t i 系统称为离散时问9 0 。移相器或离散时间 利用希尔伯特变换以及已知的储存环运行参数，可以在式 ( 3 3 ) 希尔伯特滤波器。 2 9 的基础上算出 式2 1 0 ，从而求得( j ，y7 ) 。以少为横轴，以y 为纵轴，就可以重建出束团在该 b p m 位置处的相空间。如下图所示。 ( a ) 4 4 号束团0 1 0 0 0 圈相空间 ( b ) 4 4 号束团1 0 0 0 2 0 0 0 圈相空间 笫- 三章h l s 逐束幽测量系统毖p ，川 ( e )1 号束团0 1 0 0 0 圈相空间 ( f ) 1 号束团1 0 0 0 2 0 0 0 圈相空间 图3 1 4 相空间重建结果 图3 一1 4 重建的是y 方向的相空间图像，此时测得的y 方向工作点为 2 5 9 1 = 2 罢，对应的相空间出现了2 2 条“摆臂”，即为2 2 阶共振。图3 1 5 进一 步细化显示了4 5 号束团在1 0 0 0 一2 0 0 0 圈之间的相空问图像，可以看出，在 1 0 0 0 一2 0 0 0 圈的过程中，此时该束团呈现出先发散后收缩的运行过程。 ( a ) 4 5 号束团1 0 0 0 1 2 5 0 圈相空间( b ) 4 5 号束团1 0 0 0 1 5 0 0 圈相空间 2 4 m = 节h l s 逐束团测量系统及m 用 i 西一则“h hl _ l e 一 e j ，。 0 l 一 0 麓必 a 旃鞠缀一 ! 。二 。| 棚群一 ? e ； 脚 ：! 5 - - 4 矗n _i i 自p ；! ! e j 融r _臻酪 -u 灌蠢暨： ! 一! 、雾 z ：! j j ! 一j 。4 1 i 一：! 一； _ 。j，7 7 一 ! 一5一：e 一；j：! ! 一5 i f u ，叠l ：j ( c ) 4 5 号束团1 0 0 0 1 7 5 0 罔相空间( d ) 4 5 号束团1 0 0 0 2 0 0 0 圈相空间 3 4 温度测量系统 图3 1 54 5 号束团1 0 0 0 2 0 0 0 圈相空间细化 在合肥光源反馈系统中，反馈信号经过宽带功率放大器馈入反馈腔中。攀于 对具体反馈功率人小的1 ：确定性，为确保反馈系统工作时不会出j ：馈入的功率过 人而导致对反馈腔的损坏，构建了卟温度测量系统，以实时观察反馈腔接口处 f 1 电| j h 型 m 姒br 麓簇3 2 控制器 温度探测汁 。j 。i j 人j ，、 图3 1 7 温度测量系统示意图 金属铂( 1 ，) 的电附值随温度的变化m 变化，并u 有很好的重现性和稳定性， 利用铂的此种特性制成的传感器称为钔r 包阻温度传感器。通常使f j 的铂电阻温度 传感器零度阻值为】o o ( 2 ，电阻变化牢为o 3 8 5lf 2 。 如3 17 示意图中所示，把传感器采集到的模拟信号输入热电阻输入模块 a d a m 一4 0 13 ( 如图：3 一l8 ) ，其。 ，a d a m 数掘采集模块提供rj 种输入方式f 如图 3 一1 9 ) ，在系统中采用的足四线接入方式。在具体现场布胃巾，把a d a 模块置j ： 处理器旁边，而从反馈腔到处理器之问有一定的足巨离，选取普通屏蔽电缆f 输， 因此，必须考虑电缆的也m 倩，根 l l