加速器束流诊断技术

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1、加速器束流诊断技术加速器束流诊断技术加速器束流诊断技术冷用斌上海光源2010-08-03参考文献1.?先生,Control ?单个 BPM 探头用于流强测量时,流强分辨率在 10mA 以下优于 DCCT,在 10mA以上差于DCCT;?对全环 BPM(对于上海光源为 140 个)流强数据求平均可以进一步提高测量分辨率,Sixth OCPA accelerator school Aug 201060mA 以下优于 DCCT,而 60mA 以上略差于 DCCT。同步光+Photodiode+scope -bunch chargeEPAC04, Kalantari et al., SLSSixth

2、OCPA accelerator school Aug 2010束流寿命测量/t0 0 1 / I t I e I t ?Individual bunch lifetime measurement67/hoursBunch #1Bunch #2Bunch #3 a * e-b*Q + c * e-d*Qa 3.82 0.07 hoursb 3.56 0.09 nC-1c 4.21 0.09 hours45chlifetime/Bunch #4Bunch #5Bunch #6Fitting curved 0.385 0.018 nC-10.2 0.4 0.6 0.83Bunch charge /

3、 Q nCBunDCCT 平均束流寿命 BCM 单束团束流寿命, ,Sixth OCPA accelerator school Aug 2010束流位置测量beam position measurement Sixth OCPA accelerator school Aug 2010常用束流位置测量设备静电感应型位置检测器 electrostatic BPM 钮扣电极型位置检测器 button BPM 条带形位置检测器 stripline BPM 腔式位置检测器 Cavity BPM,篇幅所限,从略光子位置检测器 Photon BPM,篇幅所限,从略荧光靶/OTR 靶同步光成像丝靶 下一小节介

4、绍刮束器Sixth OCPA accelerator school Aug 2010静电感应型位置检测器检测电压信号幅度正比于 S,全孔径内线性优良高灵敏度质子加速器中广泛应用Sixth OCPA accelerator school Aug 2010 体积较大钮扣型位置检测器I tbVBt2? ttlReN 响应较快232/3 2exp2 ctV bB 线性区较小较多用于电子/正电子环?形加速器中结构紧凑Sixth OCPA accelerator school Aug 2010button electrode for use between theundulators of the TTF

5、 II SASE FEL D N llcourtesyoe e and M. Wendt, 2003 LHCTLSSixth OCPA accelerator school Aug 2010BEPC II SSRF条带型位置检测器条带电极输出电压信号 纵向耦合阻抗输出双极脉冲输 信号 度大 型? 出 幅 于钮扣 检测器较多用于直线加速器或束流输运线中Sixth OCPA accelerator school Aug 2010 可用于束团纵向分布观测实例:上海光源储存环束流位置测量系统Timing IOCtriggerOPIControl network / EPICS CATimg fiber

6、 networkHigh level applicationDi it l BPMDigital BPM processor技术走廊束测本地站数字化 BPM 处理器电缆转接端子14 unitsBeam diagnostics station #iBPM signal feeding network. next stationShielding wallDigital BPM processorDigital BPM processorg a processorMMMM隧道内电缆转接端子及主信号电缆架Cell #4Cell#17.2 units 5 unitsCell #2iIDBPMIDBPM

7、ArcBPMArcBPMArcBPMArcBPMArcBPM2 units 5 unitsCell #2i-1IDBPMIDBPMArcBPMArcBPMArcBPMArcBPMArcBPM每单元 2 个高精度BPM 探头及 5 个常Storage RingCell #1Cell#20Cell #2Cell#19Cell #3Cell#18纽扣型双电极 BPM 探头组件规 BPM 探头Sixth OCPA accelerator school Aug 2010工作点测量tune measurement Sixth OCPA accelerator school Aug 2010基本测量原理工作

8、点定义为每圈的 振荡数 LsdsL212 N + qtutuuutu offsetcaliborbit +无激励时束流横向运动简化模型+ unoisetAtytAtx xx coscosxy ut 为主导项时,直接测定束流频谱即可得到 tune 值tEeqtu jjj cos2/12/3202外加激励时的受迫振荡Eqmj 02202 孙葆根博士,束测技术讲义Sixth OCPA accelerator school Aug 2010基本测量原理:SSRF 束流频谱102FFTuFFT 0au FFTuorbit + FFTucalibu10tudea10-2AmpliFFTu 1 2 3 4

9、5orbit_noiseFFTuelec_noise10 10 10 10 10Frequency HzSixth OCPA accelerator school Aug 2010工作点测量系统的主要应用?工作点测量?色品测量Tune 相对高频频率的变化?阻抗测量Tune 相对于束流流强的变化?聚焦强度非线性效应研究Tune 相对于 beta 振荡振幅的变化?B t 函数测量 e aTune 相对于聚焦铁强度的变化?耦合度测量Beta 振荡振幅比Sixth OCPA accelerator school Aug 2010Beam Diagnostics and Applications,A.

10、Hofmann,BIW1998工作点测量的主要方法主要优点 主要缺点扫频法 测量精度高对激励信号总功率要求较低采样时间长对束流扰动较大FFT 法 数据处理方法灵活系统结构简单(现代)白噪声激励时对激励信号总功率要求较高,现代高速高采样时间短,数据刷新率高对束流扰动较小精度采集技术及数字信号处理技术发展前测量精度相对较低锁相环法 可及时跟踪工作点的变化测量精度高,数据刷新率高需特殊硬件实现对束流扰动最大Sixth OCPA accelerator school Aug 2010Tune and Chromaticity Measurements in LEP,H. Schmickler,BIW1

11、992工作点测量的主要方法:扫频法基本思想:在频域逐点测出束流的频幅响应曲线,根据局部极大值确定工作点frfV1V2BPM1800HybridV3 V4BPFAmp.Beam LPFSpectrumanalyzerTrackPowerAmpExcitationelectrodegeneratorGP-IB BusBeamGP-IBCardPC ComputerSixth OCPA accelerator school Aug 2010孙葆根博士,束测技术讲义合肥光源 Tune 测量系统(旧)工作点测量的主要方法:FFT 法基本思想:对横向束流信号进行谐波分析,根据共振峰位置确定工作点 1800

12、V1 V2 AGC CPU 模块 BPM x,y PC 机 合成器 V3 V4 放大器 14bitADC 时钟 产生器 内存FFT 处理器束流 计数器 定时 N Trig 功放 噪声源 控制 窄带噪声源 激励电极Sixth OCPA accelerator school Aug 2010COSY 的 FFT 法工作点测量系统 孙葆根博士,束测技术讲义工作点测量的主要方法:锁相环法基本思想:采用带鉴相器的频率反馈回路锁定共振频率,反馈频率即为工作点 1800 V1 V2 BPF 环路BPM 相控 Tune 值鉴相器 合成器 V3 V4 放大器 滤波器 x,y振荡器 初始 tune Ubeam U

13、osc 束流 功放 激励电极 移相器Sixth OCPA accelerator school Aug 2010CERN 锁相环法工作点测量系统 孙葆根博士,束测技术讲义实例:SSRF 工作点测量系统Sixth OCPA accelerator school Aug 2010Configuration is the same for Booster and Ring实例:SSRF 工作点测量系统Typical TBT data during tune measurementDaily operation panelDaily operation:FFT of 10k TBT data, unc

14、ertainty E-4Precise measurement: FFT of 400k TBT data, uncertainty E-5Sixth OCPA accelerator school Aug 2010Precise tune measurement实例:SSRF 工作点测量系统Horizontal ramping tune Vertical ramping tune Tune drift during rampingTBT data 400k samples, cover 240msFFT windows size 2048, 1/1.23ms 800HzTune measur

15、ement uncertainty E-3Sixth OCPA accelerator school Aug 2010横向尺寸/分布测量transverse beam size / di ib i str ut on measurementSixth OCPA accelerator school Aug 2010常用横向束斑分布测量设备荧光靶/OTR 靶同步光成像同步光空间干涉仪丝靶刮束板/刮束器,篇幅所限,从略Sixth OCPA accelerator school Aug 2010束流截面测量系统:基本测量原理荧光靶高能电子轰击荧光材料(Al O /YAG)后 被轰击部位释? 2 3

16、,放荧光,光斑形状即反映了电子束团截面形状,采用成像系统采集处理光斑数据即可获得束团截面尺寸存在荧光在多晶/单晶结构内的反射、折射问题存在高流强时的饱和问题存在转换效率/线性度问题Sixth OCPA accelerator school Aug 2010BEAM DIAGNOSTICS FOR ACCELERATORS,H. Koziol,CERN, Geneva, Switzerland束流截面测量系统:基本测量原理OTR 靶高能电子穿越不同电介质边界时所辐射电磁波 光斑形,状即反映了电子束团截面形状,采用成像系统采集处理光斑数据即可获得束团截面尺寸所有电子穿越靶片时均依照同样的机理辐射电磁波,近乎理想的线性连续谱,不单色则存在色散问题信号较弱Sixth OCPA accelerator school Aug 2010ADVANCED, TIME-RESOLVED IMAGING TECHNIQUES FOR ELECTRON-BEAM CHA