CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
储存环逐束团三维位置测量技术研究
周逸媚
Subtype博士
Thesis Advisor冷用斌
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword上海光源 逐束团 三维位置测量 正常供光模式 注入瞬态过程
Abstract上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)是我国现已建成并投入运行的唯一一台高性能第三代同步辐射光源,其主体由三台电子加速器构成:150 MeV直线加速器、3.5 GeV增强器以及3.5 GeV电子储存环。电子储存环中运行的束流通常由多个独立的束团组成,传统的束流诊断系统测量的是多束团的平均参数(例如全环闭轨、逐圈平均横向位置、逐圈平均相位等),获得的是所有束团的共性行为信息,能够满足一般的调束及运行需求。如想进一步优化光源运行性能,需要对每一个束团的个性行为进行监测分析,如能实现高精度的逐束团横向位置和纵向相位测量,既可以对加速器运行状态实行更好地监控,同时也可以研究束流不稳定性。另一方面,储存环的注入过程是一个特殊瞬态过程,如能定量观测分析注入后各束团三维位置随时间的演化,有利于评估注入器与储存环的匹配程度,优化注入性能。因此,高精度逐束团三维位置诊断技术是提升现有装置性能,建造下一代同步辐射光源需要提前研究的关键技术问题。论文探讨了整个逐束团三维位置测量系统的搭建过程,主要内容包括束流信号的拾取,信号采集系统以及数据处理等模块。为了实现逐束团三维位置的高精度测量和在线监测两个目标,上海光源提出了两套系统方案:基于高采样率示波器的逐束团三维位置测量和基于高速采集板卡逐束团三维位置测量。主要研究内容包括:1、逐束团横向位置信息的获取,针对两个系统分别采用示波器峰值点附近插值拟合和数据采集板卡直接RF采样两种方法来获取各纽扣电极信号的幅度值,最终根据差比和法计算横向位置。2、逐束团纵向相位信息的获取,针对两个系统分别提出了两种测量方法:相关函数法和纵向差比和查表法。相关函数法主要是利用高采样示波器的全部采样点,通过与各束团响应函数建立的查找表进行模式匹配找出最佳匹配相位,再叠加初始相位和平衡相位,可认为是一种近似的绝对相位测量。该方法响应函数的构建采用等效采样的波形重建技术获得。纵向差比和查表法主要是通过数据采集板卡采集过零点附近的两个点,根据两通道信号的和差比值来找到相位查找表中对应的相位。该方法的响应函数是在单束团模式下通过时钟信号延时扫描,多次采集后进行数据拼接获得。3、分析了两个系统可能存在的系统测量误差,特别是束团间串扰引入的误差。用于高采样示波器数据处理的相关函数法解决了高带宽下时域信号处理的难题,信号处理仅受系统带宽限制,6 GHz带宽下束团间串扰很小,因此该系统测量误差较小,适用于相位差绝对值的定量分析。而基于高速采集板卡的逐束团三维位置测量系统的带宽仅有1.2 GHz,存在着明显的束团间串扰,因此,难以测定不同束团间的相对相差,适用于单个束团相位相对变化的测量和分析。4、两个系统在上海光源稳态运行和注入瞬态过程中分别完成了逐束团三维位置实验测量,对测量结果进行了误差分析和分辨率评估。对比了非注入状态储存束团的三维位置振荡过程和注入融合后补注束团的三维位置振荡过程,验证了测量系统的准确性。分析相位测量误差的主要来源,分别利用单点随机测量和主成分分析(PCA)法对逐束团横向位置和纵向相位测量进行分辨率评估。基于高速采集板卡系统,电荷量在大于0.6 nC时,横向位置的测量分辨率好于10μm,纵向相位的测量分辨率好于0.8 ps(2.5 mrad),而基于示波器相关函数法进行纵向相位测量,分辨率可以明显提高,最佳达到了0.2 ps(0.6mrad)。5、对注入瞬态过程进行定量分析研究。为了成功剔除储存电荷和串扰信号,上海光源提出了两种补注电荷三维位置提取算法:电荷加权平均法和参考束团比较法。针对提取的补注电荷横向位置和纵向相位,分别利用betatron阻尼振荡公式和同步衰减振荡公式,拟合出了betatron振幅、betatron阻尼时间、同步振荡振幅、同步衰减时间、初始到达时间等多个储存环动力学参数。其中betatron振幅和同步振荡振幅表征了储存环和注入器的不匹配程度,betatron阻尼时间和同步衰减时间反映了储存环动力学性能。6、对注入瞬态过程进行了长时间三维位置参数监测,借助这个非稳态过程的分析来获取储存环动力学参数随时间的演化过程,从而实现机器状态的在线追踪甚至对运行风险的预警。7、介绍了逐束团三维位置测量系统的其他应用。高精度逐束团三维位置测量可用于尾场信息和能量损失因子的分析。在特殊填充模式下进行束流实验,通过改变检验束团电荷量,测定检验束团相对于参考束团的相位变化来获得能量损失因子。后续将在多束团填充模式下进行尾场研究,建立并优化尾场模型,提取尾场信息。
Pages136
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32452
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
周逸媚. 储存环逐束团三维位置测量技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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