（核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)論文）基于束流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究.pdf

中國科學技術(shù)大學學位論文相關(guān)聲明 本人聲明所呈交的學位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行研究 工作所取得的成果。除已特別加以標注和致謝的地方外，論文中 不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的 同志對本研究所做的貢獻均已在論文中作了明確的說明。 本人授權(quán)中國科學技術(shù)大學擁有學位論文的部分使用權(quán)， 即：學校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印 件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學位論文編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、 匯編學位論文。 保密的學位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 作者簽名： 基于束流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 摘要 穩(wěn)定的束流軌道對于同步輻射電子儲存環(huán)非常重要。本文研制的基于束流準 直系統(tǒng)為合肥光源電子儲存環(huán)提供了穩(wěn)定的參考軌道，并且在研制過程中對軌道 的不穩(wěn)定性進行了相關(guān)的實驗和分析。另外，通過對基于束流準直系統(tǒng)所使用的 數(shù)字束流位置處理器l i b e r a 應(yīng)用的拓展，進行了一系列束流測量與診斷的實驗。 在電子儲存環(huán)中，當束流偏離四極鐵的磁中心時，束流軌道由于四極磁場的 作用力而產(chǎn)生擾動：同時四極鐵電源的不穩(wěn)定也將對束流軌道產(chǎn)生影響。為了提 高束流的穩(wěn)定性和束流品質(zhì)，人們往往希望能夠準確的測量四極鐵的磁中心位 置，并且校正束流軌道以使其通過四極鐵的磁中心。在合肥光源電子儲存環(huán)中， 束流位置處理器( b p m ) 緊靠四極鐵安裝，因此可以使用b p m 標定四極鐵的磁 中心的位置，所采用的技術(shù)是基于束流準直技術(shù)( b b a ) 。由于合肥光源電子儲 存環(huán)的b p m 與四極鐵共享支撐但擁有一定的活動冗余，因此它們之間出現(xiàn)相對 位置變化的可能性較大，四極鐵的磁中心的位置測量尤顯重要。 基于束流準直技術(shù)可以通過直流k 調(diào)制和交流k 調(diào)制兩種方案實現(xiàn)。 使用直流k 調(diào)制方法，為了保證軌道變化b p m 能夠分辨，必須保證較大的 k 調(diào)制率，這將對束流帶來較大的擾動，進而給測量結(jié)果帶入較大誤差；另一方 面，四極鐵的磁滯現(xiàn)象也很大程度影響了測量的準確度。當k 調(diào)制率為1 5 左 右時，使用直流k 調(diào)制方法的誤差為1 0 0 a n ( r m s ) 。針對直流k 調(diào)制，本文 根據(jù)其原理進行分析，對數(shù)據(jù)處理方法以及實現(xiàn)方法進行了一系列討論，并做出 了相應(yīng)的優(yōu)化。 交流k 調(diào)制的方法可以在較小的k 調(diào)制率( o 5 ) 下工作，測量亦不會受 到四極鐵磁滯現(xiàn)象的影響。本文研制了一套采用交流k 調(diào)制的基于束流準直系 統(tǒng)，解決了大電流調(diào)制、微機控制接口、束流位置信號采集和信號處理等問題。 在對該系統(tǒng)的實驗中，對四極鐵磁中心的測量誤差為2 0 舯( r m s ) 。利用基于 束流準直系統(tǒng)已對合肥光源束基磁中心偏移進行了測量，在束流軌道慢反饋系統(tǒng) 中發(fā)揮了重要作用。 合肥光源電子儲存環(huán)的束流軌道的不穩(wěn)定性一直以來都表現(xiàn)為軌道的緩慢 漂移現(xiàn)象，本文針對這一現(xiàn)象進行了b p m 形變、移動和溫度變化等參數(shù)測量的 實驗。從實驗結(jié)果的分析中，本文發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致軌道變化的主要原因是b p m 真空 管的移動，并提出了具有針對性的解決方案。 在對基于束流準直系統(tǒng)的研制過程中，本文利用其四極鐵調(diào)制對b e t a 函數(shù) 值進行了測量。本文還對于數(shù)字柬流位置處理器l i b e r a 的應(yīng)用進行了研究，基 于它的功能搭建了一系列實驗系統(tǒng)，分別進行了工作點測量，阻尼時間測量，相 空間測量等不同實驗。在工作點測量實驗中，為了改進束流激勵源，針對合肥光 源電子儲存環(huán)設(shè)計了窄帶白噪聲發(fā)生器，利用f p g a 和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路成功得到窄 帶白噪聲并用以激勵束流橫向振蕩。 本論文為國家自然科學基金項目( 1 0 2 7 5 0 6 2 & 1 0 6 7 5 1 1 8 ) 資助。 關(guān)鍵詞：基于柬流準直束基磁中心偏移交流k 調(diào)制快速傅立葉變換插值數(shù) 字鎖相檢測b p m 真空管位移光柵尺偽隨機序列窄帶白噪聲 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究基于束流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)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 磚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 塢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 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究基于束流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)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 基于束流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 基于束流準直研究的意義和背景 同步輻射是相對論性帶電粒子在電磁場的作用下沿彎轉(zhuǎn)軌道行進時發(fā)出的 電磁輻射。它是一種強度大、亮度高、頻譜連續(xù)、方向性及偏振性好、有脈沖時 間結(jié)構(gòu)和潔凈真空環(huán)境的優(yōu)異的新型光源，可應(yīng)用于物理、化學、材料科學、生 命科學、信息科學、力學、地學、醫(yī)學、藥學、農(nóng)學、環(huán)境保護、計量科學、光 刻和超微細加工等眾多基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域。 合肥同步輻射熱速器( 簡稱合肥光源) 是我國在2 0 世紀8 0 年代自行研制的 第一臺以真空紫外和軟x 射線為主的專用同步輻射光源，能量在8 0 0m e v 。整個 裝置包括一臺2 0 0 m e v 直線加速器和一臺8 0 0 m e v 電子儲存環(huán)，直線和儲存環(huán) 之間有一段8 8 米長的束流輸運線。合肥光源的直線加速器主要由微波功率源及 波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)、磁鐵系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、束流測量系統(tǒng)等組 成。儲存環(huán)布局參見圖l 一1 。電子進入儲存環(huán)達到一定的柬流積累后進行慢加速 能量達到8 0 0m e v ，然后進行存儲。束流電子在彎鐵和插入元件處發(fā)射的輻射光 由光束線引出到實驗站，供同步輻射用戶研究用。同步光用戶總是希望得到穩(wěn)定 的同步輻射光源，因此儲存環(huán)電子束流軌道的穩(wěn)定性尤為重要。 電子束流軌道受到四極鐵磁場、磁鐵電源抖動、環(huán)境溫度和儲存環(huán)局部溫度 等眾多因素影響。如果束流通過四極鐵時軌道偏離了四極鐵的磁中心，四極鐵將 會對束流產(chǎn)生一個二極分量的作用力，從而給束流軌道帶入擾動：另一方面，四 極鐵電源的抖動也通過其磁場影響到束流軌道。環(huán)境溫度和儲存環(huán)局部溫度的變 化也將對束流軌道造成負面影響。為了抑制以上因素對束流軌道的作用，束流軌 道的不穩(wěn)定性研究成為合肥光源束流測量與診斷的一個重要課題。 合肥光源的束流參考軌道是以四極鐵的磁中心為基準設(shè)立的，通過將束流穩(wěn) 。定在參考軌道上可以減小四極鐵可能帶來的軌道擾動。四極鐵的磁中心的測量通 過基于束流準直系統(tǒng)( b b a ) 實現(xiàn)。合肥光源的閉軌校正系統(tǒng)通過校正線圈對束 流軌道的調(diào)整而使其穩(wěn)定在參考軌道上。四極鐵的磁中心測量愈準確參考軌道上 束流受到四極鐵的擾動也就愈小，因此基于柬流準直技術(shù)的研究對于同步輻射光 源的穩(wěn)定性具有重要意義。 合肥光源電子儲存環(huán)上的束流位置監(jiān)測器( b p m ) 均安裝在四極鐵旁邊， 基于束流準直技術(shù)通過b p m 對四極鐵的磁中心進行標定。四極鐵和b p m 真空 管都被固定在同一物理支攆上，不同的是b p m 真空管的固定方式允許在水平方 向上出現(xiàn)百微米范圍的移動，這是考慮到b p m 真空管在烘烤時可能會產(chǎn)生的位 移。這樣的設(shè)計使得b p m 和四極鐵由于各種因素可能出現(xiàn)百微米范圍的相對移 動的，也就是說，使用b p m 對四極鐵的磁中心的標定結(jié)果將會受到其他因素的 影響而改變。這使得在合肥光源基于束流準直測量需要經(jīng)常進行。 下面將簡要介紹目前合肥光源電子儲存環(huán)的閉軌測量與校正系統(tǒng)和基于束 流準直系統(tǒng)。 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第1 章緒論 1 1 1 閉軌測量與校正系統(tǒng) 合肥光源電子儲存環(huán)周長6 6 1 3 米，回旋頻率為4 5 3 3 i v h z ，高頻頻率2 0 4 0 1 6 m h z ，多束團模式下束團個數(shù)為4 5 。全環(huán)安裝了1 2 塊二極鐵和3 2 塊四極鐵。 合肥光源儲存環(huán)可以分為東南西北( e s w - n ) 四個象限，四個象限的基本元件 分布相同。儲存環(huán)上分布有3 1 個鈕扣式b p m ，其中2 4 個b p m 向閉軌測量系統(tǒng) 提供軌道位置，如圖1 - 1 所示。 圖1 - 1h k s 電子儲存環(huán) 閉軌測量系統(tǒng)【l5 】由信號檢測電極、模擬信號處理電子學模塊系統(tǒng)、數(shù)字信 號獲取系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理和顯示四大部分組成，如圖1 2 所示為軌道測量部分的框 圖。為研制一套高精度和高穩(wěn)定性的閉軌測量系統(tǒng)，閉軌測量系統(tǒng)的信號傳輸、 處理和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，在2 0 0 2 年進行了系統(tǒng)升級，而信號檢測仍利用環(huán)上原安 裝的鈕扣式b p m 。在信號傳輸上，沒有使用機械式多路選通，而是采用并行處 理來自每個b p m 信號的方案，即每個b p m 對應(yīng)一個處理電子學模塊，使得所 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第l 章緒論 測軌道具有同時性。由于i l l s 橫向自由振蕩頻率野= 3 5 4 ，b - - - 2 6 1 ，為滿足存 儲環(huán)3 - 5 倍自由振蕩頻率軌道測試，按照色散函數(shù)測量布局的要求，沿環(huán)2 4 個 b p m 被選擇作為合適的位置測量點來完成全環(huán)閉軌測量。 圈1 _ 2 合肥光源閉軌測量系統(tǒng)框圖 閉軌校正系統(tǒng)所使用的校正線圈附加在四極鐵和二極鐵上，合肥光源實際上 只使用了四極鐵上的校正線圈，其中水平方向的校正線圈有1 6 個，分別附加在 1 6 塊水平聚焦的四極鐵上：垂直方向有1 6 個，分別附加在1 6 塊垂直聚焦的四 極鐵上。圖1 3 為單個象限內(nèi)的元件分布示意圖，每個象限內(nèi)編號為1 ，4 ，5 ，8 的四極鐵在水平方向聚焦；其他的四極鐵在垂直方向聚焦。四極鐵的名稱就是根 據(jù)其所在象限和該象限內(nèi)的所屬編號共同組成，例如b q 3 e 代表e 象限的q 3 。 由于所有的b p m 均安裝在四極鐵旁，所以b p m 的名稱沿用其旁邊的四極鐵名 稱，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 單個象限內(nèi)的元件分布示意圖 目前的閉軌校正系統(tǒng)提供了局部凸軌( l o c a lb u m p i n g ) 、軌道位置歷史記錄 和全環(huán)慢速反饋等功能。 1 1 2 基于束流準直系統(tǒng) 合肥光源電子儲存環(huán)的基于束流準直系統(tǒng)通過電阻分流實現(xiàn)對四極鐵聚焦 強度調(diào)制( 簡稱k 調(diào)制) 。由于合肥光源電子儲存環(huán)上的四極鐵不單獨供電，無 法通過電源直接實現(xiàn)k 調(diào)制，所以必須增加相應(yīng)k 調(diào)制電路來實現(xiàn)四極鐵的k 值單獨可調(diào)【1 6 】。直流k 調(diào)制通過電阻分流法實現(xiàn)。圖7 所示為電阻分流系統(tǒng)的 框圖，圖中給出了一組共電源的四極鐵的分流實現(xiàn)。合肥光源每塊四極鐵的繞組 基于束流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究第1 章緒論 電阻約為2 5n a i l ，分流電阻選用10 或者2o ，最大功率為5 0 w ，對應(yīng)的k 調(diào) 制率為1 0 屯5 。直流固態(tài)繼電器完成分流電阻的切換，繼電器控制器選用數(shù) 字輸出卡，通過3 2 路數(shù)字輸出直接驅(qū)動固態(tài)繼電器開關(guān)。計算機控制軟件采用 l a b v i e w 編掣1 7 1 。 田1 4 可開關(guān)的電阻分流系統(tǒng)的框圖 基于柬流準直系統(tǒng)所需的軌道位置值來自閉軌測量系統(tǒng)所使用的b p m 。軌 道位置數(shù)據(jù)通過) ! p i c s t l 8 】下的c h a n n e l a c c e s s 在控制以太網(wǎng)發(fā)布。以太網(wǎng)客戶端 使用l a b v i e w 調(diào)用w m d o w s 操作系統(tǒng)下的c aa e t i v e x 控件獲取發(fā)布的軌道位 置數(shù)據(jù)。通過閉軌校正系統(tǒng)的局部凸軌使束流軌道橫向掃描四極鐵，并用拋物線 擬合搜尋四極鐵磁中心【1 9 】。 1 2 基于束流準直技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 四極鐵和b p m 可以在安裝的過程中進行準直。b p m 讀數(shù)零點對應(yīng)的橫向位 置是它的電中心，對電中心的物理位置標定后，可以在安裝過程中使其與四極鐵 的磁中心準直。b p m 讀數(shù)零點的傳統(tǒng)標定方法可以分為以下幾步進行。首先， 在專用的測試臺上對每個b p m 的機械中心和電中心的偏差進行標定，常用的方 法有天線法【1 l 【2 】和拉直絲法p l 。其次，考慮b p m 電子學線路的偏移并且測量信號 傳輸電纜的衰減和相移，這一步需要精密測量。最后確定b p m 的機械中心和四 極鐵磁中心的偏差，根據(jù)已測得的數(shù)據(jù)安裝并準直四極鐵和b p m 。當b p m 、信 號傳輸電纜和b p m 電子線路模塊最終安裝后，這樣的標定是非常困難的。 電子儲存環(huán)中b p m 通常安裝在四極鐵附近，所以可以采用基于束流準直技 術(shù)利用b p m 對四極鐵磁中心的位置進行測量。近年來，基于束流準直技術(shù)已經(jīng) 成為加速器中束流診斷技術(shù)的熱點，國內(nèi)外許多實驗室都非常重視這一技術(shù)的研 究和應(yīng)用。 基于束流準直技術(shù)在實現(xiàn)上分為直流k 調(diào)制技術(shù)和交流k 調(diào)制技術(shù)。直流 k 調(diào)制技術(shù)最初用于單電源供電的四極鐵磁中心的測量。美國伯克利國家實驗室 的a l s 4 1 和法國的b e s s y 5 1 1 6 】利用該技術(shù)對所有單電源供電的四極鐵次中心進行 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第1 章緒論 了測量。對于單電源供電的四極鐵，通過調(diào)節(jié)電源的電流即可對四極鐵強度k 引入直流調(diào)制。 對于不能夠滿足單電源供電的電子儲存環(huán)，多塊四極鐵串聯(lián)在同一電源下， 不能夠簡單的通過調(diào)節(jié)電源電流的方式來實現(xiàn)四極鐵k 值的調(diào)制。實現(xiàn)單塊四 極鐵k 值調(diào)制可以通過對四極鐵并聯(lián)分流電阻的方式完成。如圖l 一5 所示為日本 k e k 的p f 儲存環(huán)的電阻分流調(diào)制系統(tǒng)【7 l 。同樣采用電阻分流實現(xiàn)k 調(diào)制的電子 儲存環(huán)還有美國的s p e a r ! ”，瑞典的m a x i i g 0 0 l 等。 圍1 - 5k e kp f 儲存環(huán)分流調(diào)制系統(tǒng) 實現(xiàn)直流k 調(diào)制的第二種實現(xiàn)方法是通過并聯(lián)附加電源吸入電流改變單塊 四極鐵電流。德國的d e l t a 電子儲存環(huán)目前采用這種方法，如圖1 - 6 所示。附 加電源為壓控電流源，除了能夠?qū)崿F(xiàn)直流k 調(diào)制亦可以實現(xiàn)交流k 調(diào)制。 圖1 - 6d e l t a 電子儲存環(huán)分流調(diào)制系統(tǒng) 四極鐵k 調(diào)制的第三種實現(xiàn)是在四極鐵的磁極周圍安裝輔助繞組( b a c k - l e g w i d i n g ) 。當一定的電流通過輔助繞組時，輔助繞組產(chǎn)生的磁場與四極鐵自身產(chǎn) 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究第1 章緒論 生的磁場疊加，從而改變了四極鐵內(nèi)部的磁場梯度，達到改變k 值的目的。目 前使用該方法實現(xiàn)四極鐵k 調(diào)制的電子儲存環(huán)有瑞士c e r n 的l e p 1 2 】【1 3 1 ( 如圖 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 】電子對撞機等。 圖1 - 7l e p 電子儲存環(huán)k 調(diào)制系統(tǒng) ( a ) 車i 蕁助繞組示意圖，( b ) k 調(diào)制系統(tǒng) 直流k 調(diào)制的電路簡單而容易實現(xiàn)，并且對控制和數(shù)據(jù)處理要求不高，因 此得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用直流k 調(diào)制做基于束流準直測量時，通常選用b p m 或者 光位置監(jiān)測器p b p m ( 僅垂直方向) 測量束流軌道位置。一般b p m 或者p b p m 的分辨率為l a n 左右，因此，為了能夠提高測量的可信度，需要保持較高的k 值調(diào)制率。但是，太高的k 值調(diào)制率會對束流軌道引入擾動，降低測量精度。 因此，使用直流k 調(diào)制進行基于束流準直測量時，必須在測量精度和k 調(diào)制率 之間找到平衡。另一方面，四極鐵磁芯的磁滯效應(yīng)也為直流k 調(diào)制的基于柬流 準直測量帶來了精度瓶頸。 由瑞士的c e r n 提出的交流k 調(diào)制技術(shù)【”1 在l e p 電子儲存環(huán)上得到了應(yīng)用。 該技術(shù)對四極鐵的k 值進行周期性調(diào)制，一般周期為幾到十幾赫茲，然后使用 鎖相環(huán)或者數(shù)字信號處理分析柬流軌道信號。磁滯效應(yīng)在交流調(diào)制的模式下不會 對測量帶來影響；另一方面由于鎖相環(huán)和數(shù)字信號處理對于信號的信噪比要求的 放寬，也使得k 值的調(diào)制率不必很大。但是，交流k 調(diào)制對于調(diào)制控制和柬流 軌道數(shù)據(jù)采集和處理的要求都較直流k 調(diào)制有很大提高。表1 1 給出了國內(nèi)外電 子儲存環(huán)基于束流準直測量的結(jié)果比較。 實驗室方法 k 值變化量 誤差( 腳磚精度( m a x 電阻分流器 2 - 3 n a n a s p e a r 電阻分流器 1 - 3 5 0n ，a k e k 電阻分流器 5 2 0n a d e 【j r a 附加電源5 n ，a1 5 0 a l s 單電源供電n an a5 0 b e s s y 單電源供電 1 n a2 0 d a r c s b u r y 交流k 調(diào)制0 5 1 n a 1 0 0 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第1 章緒論 c e r n 交流k 調(diào)制 l 礦 3 0 - 5 0 1 0 0 b e p c輔助繞組n an a 5 0 表1 1 國內(nèi)外電子儲存環(huán)基于束流準直測量的結(jié)果比較 1 3 研究目標、內(nèi)容和創(chuàng)新點 本文希望通過基于束流準直技術(shù)的研究和相關(guān)研究進一步提高合肥光源電 子儲存環(huán)束流軌道的穩(wěn)定性。通過對基于束流準直技術(shù)的研究，提高對四極鐵磁 中心的測量精確度，從而獲得使束流更為準確的參考軌道。通過對同步光引起 b p m 真空管的形變和溫度測量和分析，找出了引起束流軌道不穩(wěn)定的原因，為 柬流軌道校正提供有意義的參考；在研究過程中拓展思維，提出柬流測量和診斷 中的新應(yīng)用。 直流k 調(diào)制方法測量四極鐵磁中心在實際應(yīng)用的過程中可以根據(jù)不同的實 現(xiàn)方法以及數(shù)據(jù)處理方法達到不同的效果。閉軌校正系統(tǒng)的局部凸軌功能可以實 現(xiàn)將束流軌道在四極鐵中掃描過不同的橫向位置。局部凸軌在掃描目標四極鐵的 同時并不改變大多數(shù)四極鐵位置的束流軌道，僅僅改變的是目標四極鐵附近束流 軌道。改變單塊校正線圈的電流值也可以達到讓束流軌道掃描四極鐵的效果，但 是幾乎整個束流軌道都會被改變。本文對這兩種不同的方式應(yīng)用在基于束流準直 測量中，并對結(jié)果作出分析。 直流k 調(diào)制下的數(shù)據(jù)處理可以分別通過直線擬合和拋物線擬合進行。由于 基于束流準直技術(shù)可以通過多個觀測點方式進行( 具體參見2 1 3 2 ) ，每個觀測 點的結(jié)果對于最終測量的貢獻亦有所不同。本文討論不同觀測點得到的測量結(jié) 果，以及不同數(shù)據(jù)處理方式對結(jié)果的影響。 直流k 調(diào)制下的基于束流準直系統(tǒng)可以被應(yīng)用于b e t a 函數(shù)測量中。本文利 用合肥光源電子儲存環(huán)的工作點測量系統(tǒng)，并對直流k 調(diào)制基于柬流準直系統(tǒng) 作出相應(yīng)的改裝，然后對b e t a 函數(shù)進行測量。 本文對交流k 調(diào)制基于束流準直測量進行實驗，著手解決交流大電流調(diào)制、 調(diào)制頻率可控、束流位置信號數(shù)字化和微機接口等問題。用于調(diào)制四極鐵電流的 固體繼電器能夠快速接通和關(guān)斷，因此對固體繼電器使用交流的控制信號即可實 現(xiàn)對四極鐵的交流調(diào)制。大調(diào)制電流和四極鐵自身表現(xiàn)出來的電感特性給固體繼 電器帶來瞬態(tài)沖擊電壓，本文計算并設(shè)法減小沖擊電壓的幅度，保護繼電器不受 損壞。本文開發(fā)調(diào)制控制硬件為繼電器生成控制信號，并且提供微機接口。 交流k 調(diào)制下的基于束流準直測量須要對束流位置信號的幅度作出估計。 對此本文采用數(shù)字信號處理的方法，所以要求對束流位置信號數(shù)字化。目前合肥 光源電子儲存環(huán)使用的柬流位置處理器是模擬系統(tǒng)，對束流位置信號的數(shù)字化在 此基礎(chǔ)上實現(xiàn)。交流k 調(diào)制所涉及到的數(shù)字束流位置信號處理，本文利用數(shù)字 信號處理的相關(guān)算法完成。 在基于束流準直測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用閉軌校正系統(tǒng)對束流軌道進行了校 正。在儲存環(huán)中，影響束流軌道穩(wěn)定性的不可預(yù)知的因素很多，包括插入件間隙 調(diào)變、磁鐵溫度的變化、環(huán)境溫度變化、機械振動、真空室移動、電源漂移與紋 波等。合肥光源使用軌道慢速反饋系統(tǒng)抑制這些不可預(yù)知因素帶來的束流不穩(wěn)定 性。目前合肥光源的全環(huán)垂直軌道的穩(wěn)定性為 士3 0 恥m 【5 7 ) ，在水平方向軌道穩(wěn)定 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究第1 章緒論 性也被大大改善。但是在慢速反饋下，在儲存環(huán)個別位置軌道仍然表現(xiàn)出十分明 顯的漂移現(xiàn)象。本文對b p m 真空管的形變、位移和溫度進行了測量，通過實驗 發(fā)現(xiàn)了b p m 真空管的移動現(xiàn)象。通過綜合分析b p m 真空管溫度、位移和流強 的關(guān)系，本文對引起束流軌道漂移的主要原因作出了合理的分析和推斷，并且結(jié) 合合肥光源的現(xiàn)實情況提出了解決方案。本文對提出的解決方案作出了原型，并 在實驗中獲得了很好的效果，證明了其可行性。 新興的數(shù)字束流位置處理器已經(jīng)在世界上不少電子儲存環(huán)上得到應(yīng)用。本文 提出應(yīng)用數(shù)字束流位置處理器l i b e r a 對交流k 調(diào)制下數(shù)字束流位置進行采集。 本文還對l i b e r a 展開討論，進行了工作點測量、流強跟蹤、橫向振蕩阻尼時間 和相空間測量等應(yīng)用研究。 在利用l i b e r a 對工作點測量進行測量時，遇到了掃頻束流激勵與l i b e r a 測 量無法同步的困難。本文提出使用窄帶白噪聲激勵束流，并且自行開發(fā)了以 f p g a 為核心的窄帶白噪聲發(fā)生器，將其應(yīng)用于束流激勵。 根據(jù)以上研究內(nèi)容，本文的創(chuàng)新點總結(jié)如下： - 在傳統(tǒng)四極鐵直流k 調(diào)制方法的基礎(chǔ)上，提出將“遲鈍”b p m 剔除 的方法減小系統(tǒng)誤差； - 在國內(nèi)首次提出四極鐵交流k 調(diào)制測量四極鐵磁中心并予以實現(xiàn)，顯 著減小了測量誤差： - 首次使用高靈敏度光柵尺對b p m 真空室的形變進行跟蹤，發(fā)現(xiàn)了致 使束流軌道改變的主要原因，并提出采用補償方法進行束流軌道修正， 從而提高軌道校正和軌道反饋的有效性； - 擴展數(shù)字束流位置處理器l i g e r a 的功能，提出多種束流參數(shù)測量與診 斷的應(yīng)用； 開發(fā)基于f p g a 的窄帶白噪聲發(fā)生器，并將其應(yīng)用于束流激勵。 基于束流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究第2 章基于柬流準直理論及相關(guān)理論 第2 章基于束流準直理論及相關(guān)理論 本章首先簡要介紹電子儲存環(huán)物理中的一些相關(guān)概念；然后給出了基于束流 準直技術(shù)的理論依據(jù)，以及其他相關(guān)研究的理論。本章還給出了應(yīng)用在本文研究 中的數(shù)字信號處理的相關(guān)理論。 2 1 儲存環(huán)線性理論 2 1 1 橫向運動 b 1 圖2 - 1 四極鐵內(nèi)磁場及洛倫茲力示意圖 ( a ) 四極鐵橫向截面，( b ) e i 極鐵內(nèi)洛倫茲力作用示意 電子儲存環(huán)中，使電子保持在環(huán)內(nèi)運行的導(dǎo)向場【2 0 l 主要由二極鐵和四極鐵 產(chǎn)生。二極鐵內(nèi)垂直方向上的磁場強度風為常數(shù)，而水平方向上沒有磁場分量， 根據(jù)洛倫茲力的產(chǎn)生原理，電子在二極鐵內(nèi)將在水平方向上發(fā)生彎轉(zhuǎn)，并且彎轉(zhuǎn) 半徑與水平位置無關(guān)。四極鐵對儲存環(huán)中的電子產(chǎn)生聚焦( 或者散焦) 作用，它 內(nèi)部的磁場具有固定梯度( 參見圖2 1 ) 。四極鐵內(nèi)部的磁場強度可以表示為 ( 2 1 ) 其中a 只砂和a 邑舐分別是水平磁場梯度和垂直磁場梯度，吻和分別是電 子到四極鐵磁中心的水平距離和垂直距離。四極鐵磁場所產(chǎn)生的洛倫茲力與電子 距離四極鐵磁中心的距離成正比，這使得四極鐵能夠?qū)﹄娮赢a(chǎn)生聚焦或者散焦的 作用。通過麥克斯韋電磁場理論得到! ! 當：譬，即四極鐵在一個方向上( 水平 彩卯 場 白 堡勿哆卜毽 = = 芝 墨 ，、l 基于束流的準直系統(tǒng)研 i 及相關(guān)研究第2 章基于束流準直理論及相關(guān)理論 垂直) 聚焦，則在另一個方向上散焦。當電子通過四極鐵的磁中心時，它將不會 受到任何作用力。四極鐵的聚焦作用保證電子能夠在儲存環(huán)真空室的孔徑范圍內(nèi) 運動。 電子在儲存環(huán)中的理想軌道是閉合的，它由彎轉(zhuǎn)段( 二極鐵) 和漂移段( 直 線節(jié)) 組成，并且通過每一個四極鐵的磁中心。如果不考慮同步輻射的動能損失， 理想電子( 具有設(shè)計動量) 將沿著理想軌道永遠運動下去。但是實際的儲存環(huán)中， 由于磁場誤差、準直誤差以及同步輻射動能損失等等因素，電子的運行軌道與理 想軌道并不吻合。為方便分析，這里引入自然坐標系【2 1 1 ( 如圖2 - 2 所示) ，其中 s 代表電子運動方向，默y 分別代表水平方向和垂直方向，統(tǒng)稱為橫向。 圖2 - 2 自然坐標系示柵 電子運動的線性近似方程( 希爾方程) 為 工q 南刪) j = 高等 y 一k 0 y = 0 ， ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 其中p 為電子在二極鐵中的彎轉(zhuǎn)半徑，p = p 礬；衄是電子的實際能量與理 想能量e 之差；七( s ) 為四極鐵強度，七( s ) ：一e ! 當。七( s ) 值為正，則四極鐵在水 口餓 平方向上起聚焦作用；否則在水平方向上起散焦作用。k ( s ) 是以儲存環(huán)周長l 為周期的周期函數(shù)，七( s ) = j | o + 三) ，它完全由儲存環(huán)上二極鐵和四極鐵的分布 位置決定。 考慮水平方向，電子在儲存環(huán)內(nèi)的橫向軌道可以被分成兩部分： x=xc+x8，(2-4) 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第2 章基于束流準直理論及相關(guān)理論 其中是一個閉合的軌道，它并不是理想軌道，稱為平衡軌道；是橫向振蕩 軌道。顯然，如果( 2 4 ) 右邊的兩部分滿足 ( 高州s ，卜高等 陋5 ， 即- + ( 石茜+ 后c s ， 劫= 。， c 2 6 ， 那么，式( 2 2 ) 也被滿足成立式( 2 - 5 ) 擁有唯一周期解k o ) = ，7 ( s ) a f e ，其中，7 ( s ) 稱 為動量分散函數(shù)口1 1 。在垂直方向，式( 2 3 ) 的形式與( 2 6 ) 4 - 刪，因此可以統(tǒng) 一表示為 工。= r ( s ) x ，( 2 7 ) 其中工代表橫向運動，水平方向或者垂直方向；置( 。) 是以周長工為周期的函數(shù)。 方程( 2 - 7 ) 所描述的電子運動稱為橫向運動，它的解滿足以下形式： ( 力= 口( j ) c o s u ( s ) 一9 0 】，( 2 8 ) 其中a 和腡與位置5 無關(guān)，由電子的初始狀態(tài)決定；p ( s ) 又稱b e t a 函數(shù)，是以 儲存環(huán)周長三為周期的周期函數(shù)，它滿足方程 ! 【2 0 ) 】。= i c ( s ) p 2 0 ) + 2 ( s ) a ( 2 - 9 ) 振蕩相位函數(shù)盧( j ) 可以描述為( s ) 2 j 未嚴，電子運行一周所完成的橫向振蕩 周期數(shù)p 稱作工作點，h ，2 去心，o ) 凼。 方程( 2 7 ) 的解由f l o q u e = t 理論所闡述，即具有周期函數(shù)系數(shù)的二階微分方程 的解由兩個線性無關(guān)的解工，和x 2 的線性組合而得到【2 2 1 。根據(jù)數(shù)學上已經(jīng)證明了 的f l o q u e t 定理，希爾方程的解將由兩個基本解x l 和砌的線性組合得到，新和初 被稱為f l o q u e t 解。它們分別具有如下形式： 搿簍c o ：( s ) e 囂 陋 k ( s ) = 叫” 、 其中6 3 ，0 ) 和1 , 0 2 0 ) 是以周長工為周期的周期函數(shù)。定義電子運行一周的轉(zhuǎn)移矩陣 m 滿足 基于柬流的準直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第2 章基于束流準直理論及相關(guān)理論 。 x d 。s ，+ + l 三) ， = m 耄葛 ， m=lco。蒿sji-+oqqoa：，。sminp。0+72qsinqp。m，肛1 1 壽m s i n c o s m 訕m j 其中= y 0 + 三) 一y ( j ) 。式( 2 一1 2 ) 可以寫成 肘= ，c o s + ；三 s i n ， i 口= 一q q 。 =砰 【，= 釅+ q 。 稱為t w i s s 參數(shù)。根據(jù)( 2 1 4 ) 的定義，可以得到t w i $ 6 滿足以下的關(guān)系： 一口2 + 辦= l 一秒。 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 橫向運動的解( 2 8 ) 可以通過f l o q u c t 解的線性組合得到，( 2 8 ) 和( 2 1 4 ) 中的覷s ) 是相同的物理量，因此，橫向運動的解滿足轉(zhuǎn)移矩陣的關(guān)系。 轉(zhuǎn)移矩陣可以進一步被定義到儲存環(huán)上任意兩點s j 和s 2 之間： 隴牡，斛。 根據(jù)橫向運動的解( 2 - 8 ) ，可以推導(dǎo)得出m 2 j 的表達式為叫 m 2 12 c o s p 2 + a , 咖鸕。) 掃萬s i n 鸕。 一醬囂c o s 鸕- 、c o s 嶼t - a 2 s i n 1 2 = s i n t n + ， 一面菰瞄如、 ) 其中下標為1 和2 的各個參數(shù)分別