[科普中国]-束流位置

束流位置处理器性能概述

在同步辐射光源的注入器或自由电子激光的高亮度注入器中，一般使用束流位置检测器（BPM）进行束团位置的非拦截测量。由于检测器感应到的束团信号极其短促，因此对其后端的信号获取和处理系统要求很高。目前合肥光源（HLS）正在进行升级改造工程，储存环的能量维持800MeV，注入器的能量将从200MeV提高到800MeV。合肥光源现有的200MeV直线加速器装有两个条带束流位置检测器，使用自制的基于对数比检波模块的BPM信号处理系统。由于已有的注入器束流位置检测器系统不能满足升级改造后束流位置测量的分辨力和稳定性等需要，应为其配备全新的BPM系统。新的BPM系统将由17个条带束流位置检测器组成，可以满足注入器轨道测量和校正的需求。在关键的BPM信号处理系统方面，我们选用由斯洛文尼亚的InstrumentationTechnologies公司生产的单次通过数字束流位置处理器LiberaBrilianceSinglePass来取代现有的系统，它具有稳定、分辨力高和扩展性好等优点。Libera是InstrumentationTechnologies公司研制的一个具备空前扩展性和灵活性的数字束流位置处理器产品族，已在国内外各大加速器中取得了广泛的运用。LiberaBrilianceSinglePass是集模拟信号处理、模数转换、数字信号处理为一体的单次通过数字束流位置处理器。它由单板计算机及XilinxVirtexProFPGA芯片组成核心处理母板，同时搭载了射频前端及ADC子板，可以同时提供机器研究以及调试所需的各种数据和信号，还可以通过直接对FPGA及嵌入式系统的开发实现新的功能。这为整个合肥光源注入器束流位置测量系统的升级改造提供了极大的便利。本文对LiberaBrilianceSinglePass做了一系列性能测试，并将测量结果和现有BPM信号获取系统的测量结果进行了对比。

实验台测试LiberaBrilianceSinglePass的实验台测试由一台任意波形发生器产生两路同步50Hz信号，一路送入脉冲波形发生器作为产生脉冲波的外部触发信号另一路送入LiberaBrilianceSinglePass作为测量触发信号。为了模拟不同流强下的束流信号，用一个可调衰减器来控制信号的大小。最后，脉冲信号通过四路功分器变成四路信号馈入LiberaBrilianceSinglePass的四个通道中模拟条带BPM的四个电极的感应信号输入。

脉冲波形发生器产生一个短脉冲以模拟束流信号。脉冲宽度为1．35ns，与升级后的注入器1ns束团宽度接近，脉冲信号的重复频率为50Hz。由于升级后注入器束团在500MHz处有丰富的频域信号，且考虑到采样率的提高会导致成本的增加，因此合肥光源升级改造工程定制的LiberaBrilianceSinglePass采样中心频率为500MHz，采样带宽为10MHz。

输入的脉冲信号先由LiberaBrilianceSinglePass的前端子板对其进行采样、滤波，然后由数字处理母板对采样后的数字信号进行位置计算针对两种不同的BPM电极安排LiberaBrilianceSinglePass有两种不同的位置计算方法。实验台测试采用正90°的计算方法，和升级后条带BPM一致，条带BPM的结构如图2所示。对于此BPM，在忽略高次项情况下，条带BPM水平和垂直方向位置的计算式为

条带 BPM标定由于 BPM 在加工过程中无法与理论设计完全一致，存在一定的误差，所以需要在其安装前进行离线标定。通过标定得到电中心与机械中心的误差、物理位置与电位置的拟合公式等有用信息，以便实际在线测量时使用。为此，我们利用LiberaBrilianceSinglePass对已加工的短条带BPM 进行了离线标定。标定系统由标定平台、信号源、天线、步进电移平台及其控制系统、数据采集系统以及PC 组成 。标定的机理在于通过向穿过 BPM 的天线馈入高频信号来模拟束流，通过固定天线移动 M 拟束流位置的变化。

实验采用直径0．7mm的铜丝模拟束流，使用精度为0．02mm的游标卡尺进行物理定位，定位精度好于0．1mm。控制标定平台上的步进电机以步长0．5mm，在BPM机械中心周围5mm范围内进行遍历，同步记录LiberaBrilianceSinglePass测到的位置信号其结果在中心位置附近LiberaBrilianceSinglePass测得的束流电位置信号和物理位置具有良好的一致性。我们对测量数据进行拟合，得到物理位置与电位置值的拟合公式为

在线测试目前合肥光源直线加速器的微脉冲频率为2856MHz，宏脉冲宽度为1μs，脉冲重复频率为1Hz。目前直线加速器上装有两个条带BPM，我们使用其中之一进行束流位置的在线测试。该条带BPM的电极张角为60°，内半径为19mm，通过以往的标定实验得到的标定系数为Kx$9．46mm，Ky$10．08mm。现有的BPM信号获取处理系统是合肥光源自行研制开发的对数比处理系统，工作频率为2856MHz。现在我们改用Lib－eraBrilianceSinglePass在直线加速器对储存环注入束流时进行在线测试一开始直接将BPM电极感应信号输入LiberaBrilianceSinglePass进行测量，发现测得的水平方向位置抖动在100μm左右，垂直方向位置抖动在200μm左右，远远差于离线测试分辨力，且差于自行研制的对数比BPM数据处理系统的测量结果。通过研究发现由于目前直线加速器上安装的条带BPM是按照现在合肥光源直线加速器的束流情况进行设计的，BPM感应电压的信号集中在2856MHz附近，经过LiberaBrilianceSinglePass内部的500MHz的滤波后，信号损失很大，信号幅度大幅衰减。

而在输入信号幅度很小的情况下，LiberaBrilianceSinglePass的分辨力将大大变差为了更真实地测试LiberaBrilianceSinglePass的性能在条带BPM和LiberaBrilianceSinglePass之间增加一个前端处理电路。我们在BPM电极信号输入LiberaBrilianceSinglePass之前加上4个混频器，本振频率为2356MHz，这样BPM感应到的电极信号先经过衰减器（因混频器的输入功率有限制）、混频器由2856MHz下变频到500MHz再经过滤波器输入到LiberaBrilianceSinglePass进行处理利用改进后的测量系统测得的实时数据。根据测量数据算得水平方向位置变化的均方根值为26μm，垂直方向位置变化的均方根值为19μm。由于实测的位置抖动包括束流本身的位置抖动，所以LiberaBrilianceSinglePass的在线测量的水平和垂直分辨力应该分别好于26μm和19μm在2006年使用自行研制的对数比BPM数据处理系统测得的水平方向分辨力为58μm，垂直方向分辨力为33μm。由测量结果可知LiberaBrilianceSinglePass具有更好的性能1

束流位置测量系统概述兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)由主环(CSRm)和实验环(CSRe)组成,每个环有一套电子冷却装置。电子冷却是通过以相同平均速度运动的离子束与强流电子束的库仑碰撞将离子束的横向振荡与纵向振荡能量转移到电子束,从而降低储存环中离子束横向发射度和纵向动量散度、提高束流品质目的的方法。CSRm电子冷却装置能够提供能量低于35keV、最大流强3A的准直性及单色性很好的电子束流,用于冷却能量低于64MeV/u的重离子束。

CSRm电子冷却装置的冷却作用使重离子束的横向尺寸显著缩小,为束流重复注入提供空间,从而实现重离子束流的累积。累积增益取决于电子冷却过程的冷却时间τ:其中,Qi和Ai为离子的电荷态和质量数,βi和γi为相对论因子,θi和θe为冷却段内离子束和电子束相对于储存环真空管道中心轴的张角,ηec为冷却段长度和储存环周长的比值,je为电子束密度。装置冷却段内离子束与电子束的相对位置决定了两者之间的夹角,进而影响束流的冷却时间。据此,在CS-Rm的电子冷却装置上建立了用于同时测量电子束和离子束位置的测量系统,测量各种校正线圈对电子束和离子束位置的影响,优化装置运行中束流的相对位置,提高对重离子束的冷却效率。

测量系统结构在电子冷却装置冷却段两端各装有一套圆筒形束流位置探针,每套探针由4个彼此绝缘、电学特性相同的圆筒形极板组成。极板由半径100mm、长度8mm和壁厚1mm的圆筒形不锈钢材料沿对角面对称切割而成,并按照相对于束流的上下左右关系对称安装在真空管道内。因为极板为圆筒形且沿对角面对称切开,所以有较大的感应面积,感应灵敏度高,线性度好。当束团通过时,极板可等效为一电流源,探针极板上产生感应电荷,进而产生极板对地的电压,该电压受带电粒子与极板之间距离的影响:包括前置放大器、数据采集卡以及电子束调制、离子束测量触发、计算机(数据处理软件)系统。前置放大器选用PET公司P/NAM-4A-000110-11030N型宽带放大器,对探针极板感应的弱信号进行线性放大,之后送入60MS/s实时采样率、12位垂直分辨率的PXI-51058通道高精度数字化仪进行数据采集,通过软件对数据进行傅里叶变换、频谱信号强度分析获得束流位置信息。

由于容式位置探针只能感应束团信息,故不能测量直流电子束在极板上的感应信号;而且冷却过程中直螺线管冷却段内电子束与离子束同时存在,电子束和离子束流强相差3个量级,使得电子束和离子束团感应在极板上的信号叠加,时域信号分析不能得出电子束与离子束团信息。为此,位置测量时需要对电子束进行频率调制,通过傅里叶变换将探针极板上感应的时域信号转换为频域信号,频谱中不同的频率信号表示电子束、离子束团的不同感应信号。调制方法是在电子枪端对电子束发射控制极电源进行频率调制,调制频率要求区别于离子束团的回旋频率,以便于后期分析频谱信号。根据离子束团在CSRm回旋频率范围为0.2—1.6MHz的条件,系统选择由外部信号源提供的频率为3MHz的正弦信号作为调制信号。频谱分析时3MHz频率信号为电子束感应信号,相应能量的离子回旋频率信号为离子束团感应信号。针对各极板上束流频率信号强度,按照公式(3)和(4)获得束流位置信息。为了防止电子枪端35kV高压对调制信号的电磁干扰,外部调制信号转换为光信号经光纤传送至调制模块。

离子束测量触发系统的触发信号使用储存环加速腔产生的回旋频率信号或者加速器事例触发系统提供的事例触发脉冲,触发脉冲经光纤传送至高精度数据采集卡触发数据采集,以保证离子束团位置测量同步。

测量系统测试由于位置探针已安装于电子冷却段真空管道内,系统不能进行实验室离线测试,为了检查测量系统的准确性,需要进行电子束校正线圈偏移能力的在线测试。校正线圈是沿电子束运动方向安装在电子束真空管道四周的22组线圈,参数不同的线圈对电子束有不同的偏移能力。其中4组线圈(CX1,CX2,CY1,CY2)在电子枪区域对电子束进行偏移;6组线圈(CX3,CX4,CX5,CY3,CY4,CY5)在电子枪端弯曲螺线管区域对电子束进行偏移;2组线圈(CX6,CY6)在直螺线管冷却段区域对电子束进行偏移;CX表示电子束水平方向的线圈,CY表示电子束垂直方向的线圈。

测量系统测量线圈在不同电流下电子束的位置,进而统计、拟合获得相应线圈的实验偏移能力。通过比较线圈理论偏移能力和实验偏移能力的差别,判断测量系统位置测量的准确性。图4给出了电子束水平(a)和垂直方向(b)的线圈CX6和CY6在不同电流下电子束位置测量和偏移能力线性拟合结果。表1给出了部分校正线圈理论偏移能力、实验偏移能力和它们的偏差量。结果表明,线圈理论偏移能力和实验偏移能力差别小于0.5mm/A,即测量系统有较好的位置测量准确性。

束流位置在线测量离子束在7—25—175MeV/u的加速过程中一个注入、累积、加速周期流强结构图。首先离子在7.0MeV/u经过持续9.5s的注入冷却累积至110μA;接着进行高频捕获(a点)、第一次加速,离子束能量提高到25MeV/u,流强达到180μA;然后进行第二次高频捕获(b点)、加速,12.5s时刻加速结束(c点),这时离子束能量提高到175MeV/u,流强达到400μA;最后束流储存2s后慢引出。每个周期中离子束在高频捕获、加速过程中,离子束团回旋频率改变,探针极板上感应信号频谱发生改变,位置信息可获得。电子束感应信号在3MHz调制频率有类似频谱信号,电子束位置信息也可获得。X表示水平方向,Y表示垂直方向。

可知,在电子冷却装置4m长的冷却段内电子束与离子束存在夹角,水平方向电子束与离子束夹角为0.825mrad,垂直方向电子束与离子束夹角为1.025mrad,垂直方向离子束比电子束低大约11mm(如图6所示)。由于电子束在冷却段内的直径为59mm,电子束能够包裹离子束,这时电子束对离子束仍有高的冷却效率。当然,通过电子冷却装置内的校正线圈以及储存环内的校正磁铁可分别对电子束和离子束进行位置调节,最终使得离子束与电子束相互平行且束流中心位置重合。2

束流位置读出系统概述束流位置信息是控制束流轨道的必要参数，它对环的闭轨校正等物理过程具有重要作用。中科院高能所为研究强流束的束流损失问题，在“973计划”支持下建立了973－RFQ束流测量线整个束流测量线共有6个BPM。为了控制束流轨道，实时监测束流位置状态，需要对此6个BPM制作一套束流位置读出系统，将束流位置信息实时显示。制作完成的系统将移植到中国散裂中子源(CSNS)的束流位置测量系统中。

公司的对数比处理模块，输出束流水平、垂直方向的位置信号X、Y各6路，和信号的对数和(SUM)共3路，因此制作的束流位置读出系统需要读出此15路信号。X、Y和SUM信号都是脉宽为50～1200μs，重复频率为1～125Hz，幅值动态范围为±2V的脉冲信号。

BPM信号采集系统1.系统布局

该系统用来采集X、Y、SUM信号到软件数据库中。CSNS工程的控制系统是基于EPICS(ExperimentalPhysicsandIndustrialControlSys-tem，实验物理和工业控制系统)的，所以973－RFQ的BPM信号采集系统也采用EPICS作为软件平台，便于移植。EPICS是用来开发基于网络的分布式控制系统的一组软件工具，它的基本组成部分为OPI(操作员接口)层———采用UNIX、Linux等操作系统的工作站，运行各种EPICS工具;IOC(输入输出控制器)层———一般采用VME/VXI系统，包括机箱、处理器和各种I/O插件;网络通讯模块层(通道访问CA)———为IOCs和OPIs提供基于TCP/IP协议的CA访问通信，它提供CAClient和任意数目的CAServ-er之间的透明通信。

OPI采用了BEPCII工程的bepc21工作站，在Solaris操作系统下已安装EPICS3．13．8开发环境，已有MEDM/EDM/StripTool(显示界面绘制工具)、ChannelArchiver(历史数据存档工具)等丰富的OPI工具。IOC层选用了VME系统，由VME64x机箱，Motorola公司的MVME5100机箱控制器，Hytec公司的A/D卡、载板、信号转接板组成。实验中采用PC机来远程访问EPICS服务器和终端调试IOC。

2.硬件性能

选定各硬件产品的性能指标如下:MVME5100———主频450MHz;内存512MB;运行VxWorks5．4操作系统。A/D卡———型号为Hytec公司的ADC8411U;采样频率1Hz～100kHz可选，实验中选定100kHz;通道数16;分辨率16位;量程±5V;采样时间2μs，转换时间8μs;IP(In-dustrialPackage)结构，需配合VME总线的载板使用。载板———型号为Hytec公司的VCB8002;VME64x标准;支持IP接口，可以同时搭载4块IP板;需配合信号后转接板使用。信号后转接板———型号为Hytec公司的VTB8307;VME64x标准;有4个SCSI50路接口。信号连接线———DB15转SCSI，一端是6个DB15口，一端是1个SCSI口。0.3IOC数据库开发IOC层是EPICS控制系统中最重要的部分，其结构如图2所示。其中，IOC数据库是IOC层的核心，它的基本单位是记录(Record)，每个数据通道对应一个记录，这样一个个的记录就构成了模块化的IOC动态数据库。在EPICS环境下，一个I/O设备的IOC实例开发包括两部分内容:主机上IOC数据库开发及交叉编译和IOC数据库下载到目标机运行。而IOC数据库开发又包括Record(用户应用程序)、RecordSupport、DeviceSupport以及DeviceDriver的开发。

本系统的A/D卡和载板的RecordSup-port、DeviceSupport以及DeviceDriver都由生产厂家提供。实验中结合实际采集需求，在应用环境下对它们进行了删减、编译、调试，发现了A/D卡用户手册中2个缺少的内容和A/D卡驱动程序中2个bug，进行了修正及完善。整个IOC数据库开发过程包括以下内容:

(1)运行A/D卡和载板驱动于应用环境下通过建立应用目录，修改Makefiles文件内容，使用gmake命令编译，并下载应用到目标机，使A/D卡和载板的驱动程序能在实际应用环境下运行。调试中发现问题如下:AD卡对MVME5100来说有一个内存偏移量，在设置载板的下载参数时应将此参数设置上，否则MVME5100将读不到A/D卡。A/D卡手册上没有写明此内容，给的驱动程序中也没有定义此参数。后经过跟厂商交流解决此问题，MVME5100读到A/D卡。

(2)选定A/D卡工作模式并编写应用程序选定的A/D卡有2种工作模式:寄存器模式，触发模式。根据BPM位置信息是脉冲信号特点，选定触发工作模式，其工作过程为:当A/D卡被触发时，信号被A/D卡采集，经过ADC变换被储存到A/D卡的FIFO内存中(每个通道有自己独立的一个FIFO内存，一次最多可存储256个位的样本);当FIFO已满时，就会产生一个中断;之后FIFO保持不变直到它的值被完全读取，才能进行下一次的触发。根据A/D卡驱动内容编写A/D卡数据读出的应用程序，用15个waveform记录实现对15个BPM位置信号的读出，其记录扫描方式选为中断扫描。将应用程序下载到目标机运行，发现问题如下:只能读取A/D卡1个通道采集到的数据，不能实现多通道读取。通过跟厂商交流找出原因是由于A/D卡的固件程序中存在bug，返回厂商进行修改。修改后发现问题:读不到A/D卡所有通道的数据;VME超级终端一直显示FIFO已满。通过阅读A/D卡驱动程序找出原因是由于驱动程序中存在bug，没有在中断函数中使能waveform记录开始读取数据的标志变量。通过修改驱动程序将此问题解决。

(3)制定A/D卡触发方案由于采集的信号为窄脉冲信号，实验中选定同步触发方案进行A/D卡采集，这样每次都能将脉宽段信号采集到数组前端，便于舍去后面的无效点。

输入同步触发信号给A/D卡后，发现问题如下:实验中的A/D卡采用的是双重使能触发，先通过软件启动硬件，然后通过硬件输入外触发信号启动采样。厂商给的A/D卡用户手册中没有写明此内容，导致没有进行软件使能，输入外触发信号后，A/D卡不工作。通过阅读驱动代码，并与厂商进行交流后，编写了ARM使能程序，并在EPICS终端输入ARM使能命令，解决此问题。

3.测试结果

实验中用信号源模拟出一个脉宽为500μs、周期为40ms的窄脉冲信号进行测试，并模拟出它的同步信号触发A/D卡进行采样。测试得到的数据如图3所示。该信号采集系统实现了对窄脉冲信号的100kHz同步触发采样(500μs脉宽内50个采样点)。对脉宽内数据求方差值，得到读出系统分辨率远远好于BPM全系统分辨的要求，符合设计要求。

信号处理实验中对A/D卡采集到的束流位置信号进行了数值平均滤波，滤除噪声影响，具体算法:将脉宽段内数据去掉一个最大和一个最小值，对剩余数据求平均。信号采集系统采集到的X、Y信号是电平信号，单位为V;而束流位置x、y是距离，单位为mm;要将X、Y通过一个转换系数转换成x、y。对于973－RFQ的束流而言，束流在真空管道中的一定范围内，此系数是一个常数。实验中采用100mV=1mm进行转换。这两部分内容通过添加在A/D卡的驱动程序中来实现。

束流位置显示该束流位置读出系统采用了EPICS客户端软件EDM(扩展显示管理器)来制作用户界面。共制作了2种不同的显示界面来展示束流位置信息，一种是沿时间轴将每个束团的位置信号绘制成波形动态显示;另一种是在XY平面绘制束团的动态位置。用该束流位置读出系统对973－RFQ调试阶段的频率为1Hz、脉宽为50μs的束流位置信号进行测量。由现场动态运行结果看出，973－RFQ中束流位置基本状态，波动很小。3

束流位置监测器概述电磁耦合型束流位置监测器(BPM)是粒子加速器中最为常见的束流诊断设备,对于电子或正电子加速器而言又以条带电极型和钮扣电极型探头为主,其电极输出信号中除包含束团位置信息外,还包含束团电荷量、束团长度等信息,因此如果配以合适的信号处理电子学及信息提取算法,应该可以从单一的BPM探头中同时提取出束团位置、束团电荷量、束团长度等参数,并在此基础上推导出束流损失、束流寿命、束团截面形状因子等参数,实现单一探头进行多参数束流诊断的目的。本文首先关注于束团电荷量(束流流强)信息的提取,以理论分析、数值仿真结合上海光源储存环束流试验的方法,对束流流强信息提取算法、该算法的适用条件、当前设备条件下可以达到的性能进行了研究。

光源储存环束流位置测量系统上海光源(SSRF)是我国近年建成的第三代同步辐射光源,由一个周长432m的3.5GeV电子储存环、一个150MeV至3.5GeV的电子增强器、一个150MeV的电子直线加速器、若干同步辐射光束线和实验站构成。其储存环设计运行流强为300mA,束流寿命10h,束团长度14ps(1倍σ),弯铁处束团截面尺寸小于百μm,束流中心位置稳定度要求达到μm量级。为实现上述运行目标,在储存环中建立了一个闭轨测量精度达到亚微米量级的BPM系统,由沿环均布的140组四钮扣电极探头,分布在储存环内技术走廊中的140套数字BPM电子学设备,以及在两者之间传送束流信号的信号传输网络构成。这一位置测量系统也可用于流强测量。

1.检测电极布局及流强修正因子

上海光源储存环中的束流真空室截面形状为八边形,检测电极直径为10mm,。采用有限元分析方法编写计算软件,计算得到第一象限内归一化流强修正因子。kQ值以kQ(0,0)为基准进行了归一化,探头中心区域(R