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

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文相關(guān)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究 工作所取得的成果。除已特別加以標(biāo)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(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。 本人授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)， 即：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或機(jī)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(xué)位論文編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(xué)位論文。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 作者簽名： 基于束流的準(zhǔn)直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 基于柬流的準(zhǔn)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(zhǔn) 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(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和分析。另外，通過對基于束流準(zhǔn)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(jìn)行了一系列束流測量與診斷的實(shí)驗(yàn)。 在電子儲存環(huán)中，當(dāng)束流偏離四極鐵的磁中心時(shí)，束流軌道由于四極磁場的 作用力而產(chǎn)生擾動：同時(shí)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(zhǔn)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(biāo)定四極鐵的磁 中心的位置，所采用的技術(shù)是基于束流準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)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(jìn)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(zhǔn)確度。當(dāng)k 調(diào)制率為1 5 左 右時(shí)，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(jìn)行分析，對數(shù)據(jù)處理方法以及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)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(zhǔn)直系 統(tǒng)，解決了大電流調(diào)制、微機(jī)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)直系統(tǒng)已對合肥光源束基磁中心偏移進(jìn)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(jìn)行了b p m 形變、移動和溫度變化等參數(shù)測量的 實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行了研究，基 于它的功能搭建了一系列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別進(jìn)行了工作點(diǎn)測量，阻尼時(shí)間測量，相 空間測量等不同實(shí)驗(yàn)。在工作點(diǎn)測量實(shí)驗(yàn)中，為了改進(jìn)束流激勵源，針對合肥光 源電子儲存環(huán)設(shè)計(jì)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(xué)基金項(xiàng)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(zhǔn)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(jī)序列窄帶白噪聲 基于柬流的準(zhǔn)直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究基于束流的準(zhǔn)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(zhǔn)直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究基于束流的準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)時(shí)發(fā)出的 電磁輻射。它是一種強(qiáng)度大、亮度高、頻譜連續(xù)、方向性及偏振性好、有脈沖時(shí) 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(xué)、材料科學(xué)、生 命科學(xué)、信息科學(xué)、力學(xué)、地學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、計(jì)量科學(xué)、光 刻和超微細(xì)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(jì)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(gè) 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(yùn)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(jìn)入儲存環(huán)達(dá)到一定的柬流積累后進(jìn)行慢加速 能量達(dá)到8 0 0m e v ，然后進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)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(fù)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(gè)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(zhǔn)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(zhǔn)直系統(tǒng)( b b a ) 實(shí)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)直技術(shù)通過b p m 對四極鐵的磁中心進(jìn)行標(biāo)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(shí)可能會產(chǎn)生的位 移。這樣的設(shè)計(jì)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(biāo)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(zhǔn)直測量需要經(jīng)常進(jìn)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(zhǔn)直系統(tǒng)。 基于柬流的準(zhǔn)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(tuán)模式下束團(tuán)個(gè)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(gè)象限，四個(gè)象限的基本元件 分布相同。儲存環(huán)上分布有3 1 個(gè)鈕扣式b p m ，其中2 4 個(gè)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(xué)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(jìn)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(jī)械式多路選通，而是采用并行處 理來自每個(gè)b p m 信號的方案，即每個(gè)b p m 對應(yīng)一個(gè)處理電子學(xué)模塊，使得所 基于柬流的準(zhǔn)直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第l 章緒論 測軌道具有同時(shí)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(gè) b p m 被選擇作為合適的位置測量點(diǎn)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(shí)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(gè)，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(gè)，分別附加在1 6 塊垂直聚焦的四 極鐵上。圖1 3 為單個(gè)象限內(nèi)的元件分布示意圖，每個(gè)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(gè)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(zhǔn)直系統(tǒng) 合肥光源電子儲存環(huán)的基于束流準(zhǔn)直系統(tǒng)通過電阻分流實(shí)現(xiàn)對四極鐵聚焦 強(qiáng)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(dú)供電，無 法通過電源直接實(shí)現(xiàn)k 調(diào)制，所以必須增加相應(yīng)k 調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)四極鐵的k 值單獨(dú)可調(diào)【1 6 】。直流k 調(diào)制通過電阻分流法實(shí)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(shí)現(xiàn)。合肥光源每塊四極鐵的繞組 基于束流的準(zhǔn)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(jì)算機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行準(zhǔn)直。b p m 讀數(shù)零點(diǎn)對應(yīng)的橫向位 置是它的電中心，對電中心的物理位置標(biāo)定后，可以在安裝過程中使其與四極鐵 的磁中心準(zhǔn)直。b p m 讀數(shù)零點(diǎn)的傳統(tǒng)標(biāo)定方法可以分為以下幾步進(jìn)行。首先， 在專用的測試臺上對每個(gè)b p m 的機(jī)械中心和電中心的偏差進(jìn)行標(biāo)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(xué)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(jī)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(zhǔn)直四極鐵和b p m 。當(dāng)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(biāo)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(zhǔn)直技 術(shù)利用b p m 對四極鐵磁中心的位置進(jìn)行測量。近年來，基于束流準(zhǔn)直技術(shù)已經(jīng) 成為加速器中束流診斷技術(shù)的熱點(diǎn)，國內(nèi)外許多實(shí)驗(yàn)室都非常重視這一技術(shù)的研 究和應(yīng)用。 基于束流準(zhǔn)直技術(shù)在實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行 基于柬流的準(zhǔn)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)四極鐵k 值的調(diào)制。實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)直流k 調(diào)制的第二種實(shí)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(shí)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(shí)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(dāng)一定的電流通過輔助繞組時(shí)，輔助繞組產(chǎn)生的磁場與四極鐵自身產(chǎn) 基于柬流的準(zhǔn)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(dá)到改變k 值的目的。目 前使用該方法實(shí)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(jī)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(shí)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(zhǔn)直測量時(shí)，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(jìn)行基于束流準(zhǔn)直測量時(shí)，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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)直測量的結(jié)果比較。 實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(zhǔn)直測量的結(jié)果比較 1 3 研究目標(biāo)、內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn) 本文希望通過基于束流準(zhǔn)直技術(shù)的研究和相關(guān)研究進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)際應(yīng)用的過程中可以根據(jù)不同的實(shí) 現(xiàn)方法以及數(shù)據(jù)處理方法達(dá)到不同的效果。閉軌校正系統(tǒng)的局部凸軌功能可以實(shí) 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(biāo)四極鐵的 同時(shí)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(biāo)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(dá)到讓束流軌道掃描四極鐵的效果，但 是幾乎整個(gè)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(zhǔn)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(jìn)行。由于 基于束流準(zhǔn)直技術(shù)可以通過多個(gè)觀測點(diǎn)方式進(jìn)行( 具體參見2 1 3 2 ) ，每個(gè)觀測 點(diǎn)的結(jié)果對于最終測量的貢獻(xiàn)亦有所不同。本文討論不同觀測點(diǎn)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(zhǔn)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(diǎn)測量系統(tǒng)，并對直流k 調(diào)制基于柬流準(zhǔn)直系統(tǒng) 作出相應(yīng)的改裝，然后對b e t a 函數(shù)進(jìn)行測量。 本文對交流k 調(diào)制基于束流準(zhǔn)直測量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jī)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(shí) 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(jì)算并設(shè)法減小沖擊電壓的幅度，保護(hù)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(jī)接口。 交流k 調(diào)制下的基于束流準(zhǔn)直測量須要對束流位置信號的幅度作出估計(jì)。 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(shí)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(zhǔn)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(jìn)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(jī)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(zhǔn)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(gè)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(jìn)行了測量，通過實(shí)驗(yàn) 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(qiáng) 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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行采集。 本文還對l i b e r a 展開討論，進(jìn)行了工作點(diǎn)測量、流強(qiáng)跟蹤、橫向振蕩阻尼時(shí)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(diǎn)測量進(jìn)行測量時(shí)，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(diǎn)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(shí)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(jìn)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(bǔ)償方法進(jìn)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(kuò)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(zhǔn)直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究第2 章基于柬流準(zhǔn)直理論及相關(guān)理論 第2 章基于束流準(zhǔn)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(zhǔn)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)度風(fēng)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(qiáng)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(dāng)：譬，即四極鐵在一個(gè)方向上( 水平 彩卯 場 白 堡勿哆卜毽 = = 芝 墨 ，、l 基于束流的準(zhǔn)直系統(tǒng)研 i 及相關(guān)研究第2 章基于束流準(zhǔn)直理論及相關(guān)理論 垂直) 聚焦，則在另一個(gè)方向上散焦。當(dāng)電子通過四極鐵的磁中心時(shí)，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(yùn)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(gè)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(jì)動量) 將沿著理想軌道永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。但是實(shí)際的儲存環(huán)中， 由于磁場誤差、準(zhǔn)直誤差以及同步輻射動能損失等等因素，電子的運(yùn)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(biāo)系【2 1 1 ( 如圖2 - 2 所示) ，其中 s 代表電子運(yùn)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(biāo)系示柵 電子運(yùn)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(shí)際能量與理 想能量e 之差；七( s ) 為四極鐵強(qiáng)度，七( s ) ：一e ! 當(dāng)。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(zhǔn)直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第2 章基于束流準(zhǔn)直理論及相關(guān)理論 其中是一個(gè)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(yùn)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(yùn)動稱為橫向運(yùn)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(yán)，電子運(yùn)行一周所完成的橫向振蕩 周期數(shù)p 稱作工作點(diǎn)，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(gè)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(xué)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(gè)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(yùn)行一周的轉(zhuǎn)移矩陣 m 滿足 基于柬流的準(zhǔn)直系統(tǒng)研制及相關(guān)研究 第2 章基于束流準(zhǔn)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(yùn)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(yùn)動的解滿足轉(zhuǎn)移矩陣的關(guān)系。 轉(zhuǎn)移矩陣可以進(jìn)一步被定義到儲存環(huán)上任意兩點(diǎn)s j 和s 2 之間： 隴牡，斛。 根據(jù)橫向運(yùn)動的解( 2 - 8 ) ，可以推導(dǎo)得出m 2 j 的表達(dá)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(biāo)為1 和2 的各個(gè)參數(shù)分別