合肥光源光电法束团长度测量系统研制和应用研究

摘要

束流的纵向不稳定性是制约流强提高和储存环稳定运行的重要因素。而束团长度和纵向分布是反映束流纵向不稳定性发生的阈值和不稳定的强度的最主要指标。通过测量束团长度和纵向分布随流强等参数的变化，不仅能够对纵向不稳定性进行检测，同时能够分析环的整体阻抗特性。另外，束团长度作为重要的纵向参数，环的很多物理量都依赖于该量。为此，作者研制了能够在线测量束团长度和纵向分布的测量系统。 同步光与储存环中的束流信号具有相同的时间结构，据此，时域测量该同步光脉冲的时间结构或者频域测量脉冲的频率成分计算都可以得到束团的长度。根据该原理研制光电测量系统来检测束团长度和纵向分布。测量系统的性能对最后的测量结果的精度和可信度具有至关重要的影响。为了能够达到高精度、高灵活性、高性价比、逐束团测量和在线测量的设计目标，本文调研并实践了多种系统实现方案，其中时钟是整个系统的核心。由于合肥光源的束团长度约为300ps(多束团模式)，时钟的抖动值越大，测量结果的误差越大。本文通过设计合适的电路，成功地将时钟的抖动值控制在5ps以下，该抖动值对束团长度的测量和束团纵向分布的测量的影响可以忽略。另外，本文设计了单束团选取电路，能够在多束团运行模式下，实现逐束团的测量。谐波法测量是实现在线测量的有效途径。本文设计了谐波法测量电路，通过研制关键的频率合成电路，能够产生与束流信号精确同步的，在0.05～2.4GHz范围内的任意频率的信号，能够以最大的灵活性将束流的高频成分下变频。 束团伸长的原因同样是本文研究的重点之一。通过测量单束团模式下，束团长度随流强和纵向分布随流强的变化，得出势阱效应对束团长度的影响的大小，同时分析了环的阻抗模型，得到了环的宽带阻抗。测量了能散随流强的变化，发现纵向微波不稳定性在单束团模式下10mA以下没有发生。测量了多束团模式下的束团长度随流强的变化，结合课题组的研究成果，简单分析了多束团下，束团长度受到纵向微波不稳定性和高次模的影响的程度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1合肥光源介绍

1.1.2合肥光源目前的束团长度和纵向分布测量系统

1.2 束团长度和纵向分布测量技术发展现状

1.2.1条纹相机测量技术

1.2.2光电测量技术

1.2.3单光子计数技术

1.2.4 电子学法

1.3 研究目的、内容和创新

第2章 理论分析和计算

2.1 储存环电子的纵向运动和束团长度

2.1.1储存环电子的纵向运动方程[16]

2.1.2束团长度

2.1.3束团纵向相空间分布

2.2 单束团模式下束团拉伸效应的理论分析

2.2.1尾场和阻抗

2.2.2势阱效应理论

2.2.3纵向振荡模式

2.2.4纵向微波不稳定性理论

2.3 多束团模式下束团拉伸效应的理论分析初步

第3章 测量系统的设计和实现

3.1 引言

3.2 测量系统的设计和整体架构

3.3 光电转换模块的设计和实现

3.3.1光学系统介绍

3.3.2光功率计算和光电接收器选择

3.4 时钟模块设计和实现

3.4.1时钟模块的设计目标

3.4.2锁相环技术及其在频率综合中的应用

3.4.3 Jitter(抖动)及其测量技术

3.4.4门和触发器实现时钟管理

3.4.5计数器方式ASIC实现时钟管理

3.4.6锁相环方式实现时钟管理

3.5 单束团选取模块

3.5.1设计目标

3.5.2常见的实现方法

3.5.3系统框图

3.5.4硬件设计

3.5.5软件设计

3.5.6测试和改进

3.6 示波器和频谱仪测量系统设计

3.6.1高速示波器介绍

3.6.2高速频谱仪介绍

3.6.3控制软件设计

3.7 皆波法测量频率的选择

3.7.1束流信号的频谱计算

3.7.2束流信号频谱的实际测量

3.8 一分四和频率综合模块

3.8.1一分四模块

3.8.2本振信号发生模块

3.8.3混频滤波模块

3.9 信号处理模块

3.9.1设计目标

3.9.2实现方案

3.9.3 Libera的硬件结构

3.9.4 Libera的软件结构

3.9.5 Libera的相关测试

3.10 远程PC中的测量和控制软件设计

3.11 系统标定和电源模块

3.11.1 光电接收器和放大器标定

3.11.2 频率综合模块的标定

3.11.3 信号处理模块的标定

3.11.4 结论

第4章 测量系统的应用及相关测量

4.1 单束团模式下束团长度测量结果及分析

4.1.1束团长度随流强的变化

4.1.2纵向振荡对束团长度测量结果的影响

4.1.3系统噪声对束团长度测量的影响

4.1.4触发模式对束团长度测量结果的影响

4.1.5束团长度随腔压的变化

4.1.6单束团模式下能散的测量

4.1.7势阱效应分析

4.2 多束团模式下束团长度测量结果及分析

4.2.1触发模式对束团长度测量结果的影响

4.2.2不同束团的拉伸规律

4.2.3单束团模式和多束团模式的束团拉伸对比

4.2.4多束团模式下能散的变化

4.2.5多束团模式下的纵向振荡测量

4.3 多束团模式下谐波法测量束团长度

第5章 结论及展望

5.1 结论

5.2 展望

5.2.1系统应用的更多研究

5.2.2系统本身的改进

致谢

参考文献

在攻读博士学位期间发表的论文