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基于束流的准直系统研制及相关研究

作　者: 曹涌
导　师: 何多慧；孙葆根
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 核技术及应用
关键词: 基于束流准直束基磁中心偏移交流K调制快速傅立叶变换插值数字锁相检测 BPM真空管位移光栅尺伪随机序列窄带白噪声
分类号: TL503.6
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 72次
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内容摘要

稳定的束流轨道对于同步辐射电子储存环非常重要。本文研制的基于束流准直系统为合肥光源电子储存环提供了稳定的参考轨道，并且在研制过程中对轨道的不稳定性进行了相关的实验和分析。另外，通过对基于束流准直系统所使用的数字束流位置处理器Libera应用的拓展，进行了一系列束流测量与诊断的实验。在电子储存环中，当束流偏离四极铁的磁中心时，束流轨道由于四极磁场的作用力而产生扰动；同时四极铁电源的不稳定也将对束流轨道产生影响。为了提高束流的稳定性和束流品质，人们往往希望能够准确的测量四极铁的磁中心位置，并且校正束流轨道以使其通过四极铁的磁中心。在合肥光源电子储存环中，束流位置处理器(BPM)紧靠四极铁安装，因此可以使用BPM标定四极铁的磁中心的位置，所采用的技术是基于束流准直技术(BBA)。由于合肥光源电子储存环的BPM与四极铁共享支撑但拥有一定的活动冗余，因此它们之间出现相对位置变化的可能性较大，四极铁的磁中心的位置测量尤显重要。基于束流准直技术可以通过直流K调制和交流K调制两种方案实现。使用直流K调制方法，为了保证轨道变化BPM能够分辨，必须保证较大的K调制率，这将对束流带来较大的扰动，进而给测量结果带入较大误差；另一方面，四极铁的磁滞现象也很大程度影响了测量的准确度。当K调制率为1.5％左右时，使用直流K调制方法的误差为100μm(RMS)。针对直流K调制，本文根据其原理进行分析，对数据处理方法以及实现方法进行了一系列讨论，并做出了相应的优化。交流K调制的方法可以在较小的K调制率(0.5％)下工作，测量亦不会受到四极铁磁滞现象的影响。本文研制了一套采用交流K调制的基于束流准直系统，解决了大电流调制、微机控制接口、束流位置信号采集和信号处理等问题。在对该系统的实验中，对四极铁磁中心的测量误差为20μm(RMS)。利用基于束流准直系统已对合肥光源束基磁中心偏移进行了测量，在束流轨道慢反馈系统中发挥了重要作用。合肥光源电子储存环的束流轨道的不稳定性一直以来都表现为轨道的缓慢漂移现象，本文针对这一现象进行了BPM形变、移动和温度变化等参数测量的实验。从实验结果的分析中，本文发现了导致轨道变化的主要原因是BPM真空管的移动，并提出了具有针对性的解决方案。在对基于束流准直系统的研制过程中，本文利用其四极铁调制对Beta函数值进行了测量。本文还对于数字束流位置处理器Libera的应用进行了研究，基于它的功能搭建了一系列实验系统，分别进行了工作点测量，阻尼时间测量，相空间测量等不同实验。在工作点测量实验中，为了改进束流激励源，针对合肥光源电子储存环设计了窄带白噪声发生器，利用FPGA和数模转换电路成功得到窄带白噪声并用以激励束流横向振荡。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-10
第1章绪论  10-18
  1.1 基于束流准直研究的意义和背景  10-13
    1.1.1 闭轨测量与校正系统  11-12
    1.1.2 基于束流准直系统  12-13
  1.2 基于束流准直技术发展现状  13-16
  1.3 研究目标、内容和创新点  16-18
第2章基于束流准直理论及相关理论  18-40
  2.1 储存环线性理论  18-32
    2.1.1 横向运动  18-24
    2.1.2 梯度磁场中影响下的轨道畸变分析  24-27
    2.1.3 基于束流准直技术  27-29
    2.1.4 交流 K调制分析  29-30
    2.1.5 磁场扰动引入的Beta函数变化分析  30-32
  2.2 数字信号处理  32-40
    2.2.1 离散时间序列分析  32-36
    2.2.2 快速傅立叶变换插值  36-38
    2.2.3 数字锁相检测  38-40
第3章基于束流准直系统的研制  40-62
  3.1 分流调制硬件  40-46
    3.1.1 继电器输出端浪涌电压  43-45
    3.1.2 继电器接通关断时间  45-46
  3.2 调制控制硬件  46-48
  3.3 束流位置信号获取  48-58
    3.3.1 直流 K调制下束流位置获取  48-51
    3.3.2 交流 K调制下束流位置获取  51-58
  3.4 软件控制  58-59
  3.5 闭轨校正系统的局部凸轨  59-62
第4章相关研究实验系统的研制与集成  62-76
  4.1 BPM真空管的形变、位移和温度测量  62-65
  4.2 工作点测量  65-66
    4.2.1 扫频激励工作点测量系统  65
    4.2.2 Libera工作点测量系统  65-66
  4.3 Beta函数测量  66-67
  4.4 窄带白噪声发生器  67-73
    4.4.1 NI-PCI5421信号发生卡  68-69
    4.4.2 基于 FPGA的噪声发生器  69-73
  4.5 相空间测量系统  73-76
第5章实验研究和分析  76-132
  5.1 基于束流准直测量研究  76-96
    5.1.1 直流 K调制多观测点测量结果及分析  76-83
    5.1.2 交流 K调制测量结果及分析  83-93
    5.1.3 全环闭轨校正和轨道慢反馈  93-96
  5.2 相关研究实验与分析  96-132
    5.2.1 合肥光源轨道不稳定性研究  96-113
    5.2.2 Beta函数测量  113-116
    5.2.3 数字束流位置处理器 Libera的应用研究  116-132
第6章结论和展望  132-135
  6.1 结论  132-133
  6.2 展望  133-135
致谢  135-136
参考文献  136-140
附录A JGX-1535F固体继电器参数  140-141
附录B FPGA实现对伪随机序列的FIR滤波算法  141-144
附录C TTL向PECL的转换电路  144-145
在攻读博士学位期间发表的论文  145-147
文中附图索引  147-150
文中附表索引  150

基于束流的准直系统研制及相关研究

内容摘要

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