SXFEL腔式束流位置测量系统关键技术研究

论文摘要

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。

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摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 FEL的原理及发展简介

1.1.2 对位置测量系统的要求

1.2 腔式BPM系统国内外发展现状

1.2.1 国外各大装置关于CBPM系统的发展现状

1.2.2 国内CBPM技术研究现状

1.2.3 国内外发展现状总结

1.3 本文主要研究内容与创新点

第二章腔式BPM基本原理及相关理论

2.1 束流位置测量方法及原理

2.2 腔式BPM基本原理

2.3 系统组成及常见信号处理方法

2.4 本章小结

第三章腔式BPM系统性能影响分析及优化

3.1 腔体间串扰的评估方法及对性能的影响分析

3.1.1 引起腔体间串扰的因素

3.1.2 腔体间串扰的评估方法

3.1.3 腔体间串扰对束流位置测量的精度及分辨率的影响

3.1.4 小结

3.2 束流倾角对CBPM进行位置测量的影响分析及优化

3.2.1 束流轨迹含有倾角入射腔体情况

3.2.2 束团自身含有倾角入射腔体情况

3.2.3 束流倾角入射对束流偏移方向判断的影响分析

3.2.4束流倾角实验

3.2.5 小结

3.3 本振信号幅相稳定性对CBPM进行位置测量的影响分析及优化

3.3.1 本振信号相位晃动的影响分析

3.3.2 本振信号幅度抖动的影响分析

3.3.3 CBPM系统本振源优化方案

3.3.4束流实验

3.3.5 小结

3.4 CBPM 系统中时序信号（ADC 采样时钟/触发）稳定性要求的研究

3.4.1 理论分析及相关参数仿真

3.4.2 束流实验

3.5 本章小结

第四章 SXFEL 装置中 CBPM 系统的研制调试及性能评估

4.1 整体布局及位置测量系统的搭建

4.1.1 腔式探头

4.1.2 射频前端

4.1.3 数字信号束流位置处理器

4.2 信号处理算法优化

4.3 CBPM系统束流位置分辨率评估

4.3.1 K值标定

4.3.2 位置分辨率

4.4 系统优化的可行性分析

4.4.1 基于ADC的仿真分析和讨论

4.4.2 RF前端的分析和讨论

4.5 本章小结

第五章结论与展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈健

导师: 冷用斌

关键词: 上海软射线自由电子激光,腔式系统,位置分辨率,性能分析

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

分类号: O434.1

总页数: 136

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