软x射线自由电子激光llrf控制系统建模及算法研究

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1、密级:博士学位论文软X射线自由电子激光LLRF控制系统建模及算法研究作者姓名:李林指导教师:顾强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2015年5月RFsystemModelingandResearchonAlgorithmofDigitalLowLevelRFSystemofSoftX-rayFreeElectronLasersByLinLiADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentofthere

2、quirementForthedegreeofDoctorinNuclearTechnologyandApplicationShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciencesMay，2015摘要自由电子激光（FreeElectronLaser，简称FEL）是利用高相对论高品质的电子束作为其工作媒质，然后在波荡器的周期性变化的磁场中以受激辐射的方式放大电磁辐射的高亮度、短脉冲、可调谐、时间和空间都相干的一种新型的光源。这些特性使得自由电子激光在多科学研究领域中有着广发的应用，特别是材料科学、光化学、信息科学、环境科学和生命科学等，

3、在国际上被称之为第四代光源而获得了广泛的发展。在这一背景下，将在上海光源园区内，建造一台能量在1GeV左右的软X射线自由电子激光装置（SXFEL），该装置主要是作为我国未来的硬X射线自由电子激光的预研装置，同时在整机集成的基础上，掌握各项关键性的技术。为了满足软X射线自由电子激光的技术要求，需要解决高性能高频系统、高梯度行波加速结构和短周期真空波荡器等关键性的技术。本论文将针对用于软X射线自由电子激光的高频低电平控制系统进行了背景分析，并详细的对低电平控制系统的RF设备进行了建模分析和控制算法进行研究。本论文详细论述了高频低电平控制系统的设计和研究工作，首先通过详细的调研确定了软x射线自由电子

4、激光的高频低电平控制系统的设计方案，根据调研的结果完成了低电平控制系统的方案设计。本论文还为SXFEL相关的高频系统建立了数学模型。分析了高压调制器的高压微波对系统的控制精度的影响。并就能量倍增器的模型进行了详细的分析，了解了能量倍增器的各个参数所带来的影响，已经通过理论初步分析了这些参数所要控制的精度范围。设计了上海软X射线自由电子激光数字化低电平控制系统的数字算法，并为那些常用的数学函数进行打包处理，作为一个通用的函数库，便于共享和移植使用。并且给出了实验室的测试结果。结合上海软x射线自由电子激光的要求，进行了基于MTCA构架的低电平控制系统的研究，完成了基于MTCA构架的低电平控制系统的

5、样机的设计，并在实验室进行了样机的桌面实验。关键词：X射线自由电子激光，低电平控制、FPGAIAbstractFreeelectronlaser(XFEL)whichusesabeamofelectronswithhighqualityhighrelativityasitsworkingmedium,andthengeneratedbywaveperiodicchangesinthemagneticfieldisanewlightsourcewithahighbrightness,shortpulse,performancecanbetuned,timeandspacecoherence.Th

6、esecharacteristicsmakethefreeelectronlaserhasawideapplicationinmanyfieldsofscientificresearch,especiallyinmaterialscienceandphotochemistry,informationscience,environmentalscienceandlifescience,internationallyknownasthefourthgenerationlightsourcehasbeenwidelydevelopment.Inthiscontext,a1GeVsoftX-rayFE

7、Lfacility(SXFEL)willbebuiltclosetoShanghaiSynchrotronRadiationFacility(SSRF).AfterthecommissioningofSXFEL,allthecriticaltechnologyissuesshouldbetestandpredominated.TheSXFELismainlyusedasthepreresearch