CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
SXFEL腔式束流位置测量系统关键技术研究
陈健
Subtype博士
Thesis Advisor冷用斌
2019-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Place of Conferral中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword上海软X射线自由电子激光 腔式BPM系统 位置分辨率 性能分析
Abstract上海软X射线自由电子激光(SXFEL)是中国第一台能辐射出X射线的相干光源,主要由光阴极注入器、主加速器和两级高增益谐波放大器(波荡器)组成,其目标是在软X射线波段区实现9nm出光并验证级联的高增益谐波放大模式的可行性。为降低FEL辐射输出功率的衰退,在波荡器段要求电子束轨道与光子束的轨迹尽可能重合,使二者能有效地进行相互作用从而实现高效的能量转换和传输。为实现上述目标,对束流横向位置测量系统的指标要求,是在±500μm动态范围内位置分辨率好于1μm(束团电荷量500pC条件下)。在此背景下,本课题从腔式BPM的基本原理出发,采用数值仿真和束流实验相结合的方法,较为全面地分析了影响腔式BPM(CBPM)系统性能的主要因素,提出了相应的优化方案;完成了CBPM系统的研制和搭建,完善了在线信号处理算法,进而形成了一套完整的腔式束流位置在线测量系统。研究内容主要包括:1、研究了腔体间串扰的评估方法以及串扰对测量分辨率的影响。通过分析腔体间串扰产生的机理以及腔体模式信号的特性(谐振频率、Q值、位置依赖/独立性等),提出了可基于束流条件下进行腔体间串扰评估的主成分分析(PCA)和谐波分析方法。借助上海深紫外FEL(SDUV-FEL)和大连相干光源(DCLS)的测试平台完成了束流实验并验证了评估方法的实用性。最后讨论了腔体间的串扰程度对束流位置测量的精度和分辨率带来的影响。2、分析了束流倾角入射对位置测量分辨率的影响。采用路径积分方法对束流倾角入射和束团自身的倾角对束流位置测量分辨率的影响进行了定量的数值仿真分析;设计并完成了专项束流实验(结合矫正铁和相邻的CBPM)对上述分析结果进行验证,实验结果与仿真预期相符,据此提出了SXFEL装置中CBPM探头偏心100μm运行的方案以确保系统分辨率满足要求。3、研究了本振信号幅相稳定性对CBPM系统性能的影响。通过数值仿真计算了LO信号幅度和相位的抖动对中频信号幅相提取精度的影响,根据分析结果,优化了LO源的工艺技术指标要求。在SXFEL上采用相邻两个相位腔进行了信号幅相提取精度的对比实验,在其它配置不变的条件下,采用优化后的本振源可将电荷量相对测量分辨率从0.144%提高到0.076%,将束流到达时间分辨率从1ps提高到80fs,测试结果验证了仿真的正确性,也极大地优化了系统的性能。4、研究了时序信号(触发/ADC采样时钟)的稳定性对系统测量分辨率带来的影响。分析确认当触发信号的抖动大于ADC的采样时钟周期时,对IF信号的相位提取会产生一个固定偏差,影响BAM的精确测量以及束流偏移方向的判断,束流实验结果和仿真及理论计算结果均相吻合。基于此分析结果,优化了系统时序信号的稳定性技术指标要求。5、对在线信号处理算法进行了优化。对传统的FFT信号处理方法进行分析,针对DBPM电子学中FPGA内部资源不足只能截取有效波形处512点数据进行FFT算法处理的特殊情况,提出了固定FFT谐振频率点处的index来解调相位的优化方案,解决了由于栅栏效应引起的相位解调存在较大误差的问题。6、在SXFEL波荡器入口的漂移段采用三个相邻的CBPM构成一个位置分辨率评估平台,采用关联分析的方法对位置分辨率进行了精确评估。在束团电荷量为500pC、系统动态范围在±800μm的条件下,实验确认系统分辨率好于880nm。满足了SXFEL装置对CBPM系统位置测量分辨率好于1μm@500pC?±500μm的指标要求。最后对系统性能优化的可行性进行了分析和讨论,依据定量的数值仿真分析结果提出了三种可能的优化技术方案:一是将IF信号降至较低频进行量化从而有效利用ADC的性能;二是提高ADC的采样率以获得更多的信号处理增益;三是在IF信号SNR高于ADC的SNR的情况下,可通过提高ADC的SNR以匹配前端输出IF信号的信噪比。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31184
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Recommended Citation
GB/T 7714
陈健. SXFEL腔式束流位置测量系统关键技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2019.
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