逐束团截面尺寸测量技术研究

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1、博士学位论文逐束团截面尺寸测量技术研究作者姓名：陈汉骄指导教师:冷用斌研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别:工学博士学科专业:核技术及应用培养单位:中国科学院上海应用物理研究所2018年6月StudyofBunch-by-bunchBeamSizeMeasurementTechnologyAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofD

2、octorofPhilosophyinNuclearTechnologyByCHENHanjiaoSupervisor:ProfessorLengYongbinShanghaiInstituteofAppliedPhysicsChineseAcademyofSciencesJune2018摘要摘要上海光源是（ShanghaiSynchrotronRadiationFacility，SSRF）是第三代中能同步辐射光源，其电子储存环为周长432m的同步环形加速器，用以储存3.5GeV电子束并发出高品质的同步辐射光。储

3、存环中电子束团横向截面尺寸是评估电子束团运动状态的重要参数。实现对横向截面尺寸高精度，高速的测量，不仅能够更好地监控加速器运行状态，还有助于研究电子束团不稳定性行为，为加速器优化，升级提供参考。目前上海光源横向截面尺寸采用可见光空间干涉仪与X射线小孔相机两种方法进行测量。这两种方法能够实现对于横向尺寸的高精度测量，然而由于他们的成像探头均为CCD相机，存在曝光时间与重复频率的限制，无法完成逐圈及逐束团级别的高速截面尺寸测量。随着上海光源二期工程建设，储存环中将安装更多的插入件，相应地束流横向不稳定性问题将更为严峻

4、，急需更为强大的束流诊断工具用于此类问题的分析研究；另一方面，现有同步辐射光源的升级改造及未来衍射极限环光源的建设运行，也对储存环注入过程的优化提出了新的需求，采用何种手段来观测分析注入瞬态过程，从而定量地为注入系统参数优化提供指导意见，提高注入品质，减小注入过程对于光源用户的扰动，是束测系统面临的新挑战。。在此背景下，上海光源束测组开发了逐束团截面尺寸测量系统，用于实现逐圈及逐束团的横向截面尺寸测量。逐束团截面尺寸测量系统基于上海光源同步光诊断平台搭建，主要包括前端光学成像，高速光电转换探头，信号提取与调理，信

5、号高速采集与数据处理等模块。光学部分，利用望远镜系统对光源点直接放大成像；高速光电转换探头选用滨松光子公司（HamamatsuPhotonics）多阳极光电倍增管阵列探头（Photomultiplierarraytube），上升时间为0.6ns，满足上海光源逐束团间隔2ns的要求；利用自制信号提取板卡，及宽带高增益模块实现对于多通道光电倍增管阵列信号的提取与调理；利用宽带高采样率示波器或者商业高采样率数据采集板卡实现信号的高速采集；在Matlab平台下，利用软件重采样算法对数据预处理，I逐束团截面尺寸测量技术研究

6、利用主成分分析（PrincipleComponentAnalysis,PCA）算法对数据进行优化，利用高斯拟合算法，结合多通道数据计算束团中心位置及束团横向截面尺寸。借助上述系统，上海光源束测组对储存环恒流运行模式下注入瞬态过程进行了观测和分析，捕捉到了束团注入时的位置及尺寸β振荡现象，分析了不同束团kicker漏场失配与前序束团尾场的贡献差异，并利用频谱工具分析了补注束团与储存束团行为的差异，结果与理论预期相符。上述结果与逐束团束流位置测量系统（BPM）获取的数据结果完全一致，从侧面验证了系统的准确性与可靠性。

7、也利用了PCA方法分析位置尺寸振荡模式，并进行了不同运行周期注入的比较。综上所述，上海光源束测组成功完成了逐束团截面尺寸测量系统的搭建和测试，在储存环机器研究中投入了使用,实现了国际上首例2ns间隔的逐束团横向截面尺寸测量,首次捕捉到并分析了电子储存环注入过程中横向尺寸的β振荡现象。证明该系统能够用于横向高速不稳定性现象的观测，达到了预期的目标。后续工作可以考虑增加信号采集通道，搭建多板卡同步的信号采集系统，提高尺寸和位置测量分辨率；也可以研究更为有效的快速尺寸与位置计算算法，并结合可编程逻辑门阵列（FPGA）硬

8、件结构，实现在线的逐束团尺寸测量，实现实时反馈每次注入信息，捕捉其他瞬态不稳定现象。关键词：上海光源，逐束团尺寸测量，同步光诊断，注入过程观测IIAbstractAbstractShanghaiSynchrotronRadiationFacility(SSRF)isoneoftheadvancedthirdgenerationlightsources.Witha432mr