儲存環(huán)中快速束團(tuán)橫向尺寸檢測器的設(shè)計(jì)

程超才 孫葆根 楊永良 周澤然 盧平 吳芳芳 王季剛 唐凱 羅箐 李皓

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儲存環(huán)中快速束團(tuán)橫向尺寸檢測器的設(shè)計(jì)

程超才 孫葆根 楊永良 周澤然 盧平 吳芳芳 王季剛 唐凱 羅箐 李皓

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室 合肥230029）

一種利用可見光的快速束團(tuán)橫向尺寸檢測器(Fast Beam Transverse Profile Monitor, FBPM)正在研制過程中，并用于測量快速束流位置和尺寸，該裝置將應(yīng)用到升級改造完成后的合肥光源。FBPM基于日本濱松公司生產(chǎn)的多陽極光電倍增管(Multi-Anode Photo-Multiplier Tube, MAPMT) R5900U-00-L16，它每個(gè)通道擁有的有效感光區(qū)域?yàn)?.8 mm′16 mm，典型上升時(shí)間為0.6 ns，因此擁有足夠的空間分辨率和時(shí)間分辨率。本文介紹了同步光成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了低噪聲寬帶前置放大器，基于光電倍增管4個(gè)相鄰?fù)ǖ涝O(shè)計(jì)了對數(shù)處理算法。離線測試結(jié)果表明，透鏡焦距的測量誤差小于±1 mm，放大器帶寬達(dá)到420 MHz，4個(gè)通道相對參考通道2的增益偏差小于0.2 dB，4通道峰值信號偏差不超過2%。

快速束團(tuán)橫向尺寸檢測器，逐圈橫向尺寸和位置，多陽極光電倍增管，對數(shù)處理算法

在電子儲存環(huán)和對撞機(jī)等加速器裝置中，基于可見光的同步光橫向截面測量系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。CCD (Charge Coupled Device)測量設(shè)備可用于精確、穩(wěn)定在線測量束斑橫向尺寸和位置，但常規(guī)CCD曝光時(shí)間長和幀率低。合肥光源現(xiàn)有同步光橫向截面測量系統(tǒng)選用德國AVT (Allied Vision Technologies)公司Prosilica GE系列的GE680數(shù)字相機(jī)，其全分辨率(640′480)下最大幀率為205 fps，一幀時(shí)間內(nèi)束流在儲存環(huán)中運(yùn)行了大約1.8萬圈，因此CCD相機(jī)的測量結(jié)果實(shí)際上是束團(tuán)多圈回旋疊加的平均值。

為跟蹤單個(gè)束團(tuán)的逐圈橫向尺寸和位置，需要利用高速采集設(shè)備將光信號讀出來，再通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄌ崛∈鴪F(tuán)的橫向信息。典型的就是俄羅斯VEPP-4M[1?3]和美國CESR-c[4?5]的正負(fù)電子對撞機(jī)上利用快速光電倍增管獲取對撞點(diǎn)束團(tuán)的橫向尺寸，但兩種方案均采用高斯擬合的方式，需要同時(shí)獲取16通道甚至32通道的數(shù)據(jù)信息，不僅增加了系統(tǒng)的成本，高速高帶寬的數(shù)據(jù)量給系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來很大困難。因此，為減小系統(tǒng)的復(fù)雜度，本文設(shè)計(jì)了一種快速束團(tuán)橫向尺寸和位置計(jì)算方法，它僅需要多陽極光電倍增管(Multi-Anode Photo-Multiplier Tube, MAPMT) 4個(gè)連續(xù)通道的光電流信號，采用對數(shù)處理技術(shù)獲取逐圈橫向尺寸和位置。

1 系統(tǒng)原理框圖

改造后的合肥光源(Hefei Light Source II, HLS II)機(jī)器研究光束線(B8)目前有四路應(yīng)用，其中兩路用于MAPMT測量束斑水平和垂直方向橫向尺寸和位置。光源點(diǎn)水平方向尺寸約為220mm，垂直方向根據(jù)耦合度不同，尺寸的變化范圍為51.4?115mm。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，彎鐵產(chǎn)生的同步光經(jīng)過兩次分光和三次透鏡聚焦，最終到達(dá)MAPMT感光面處的光斑水平方向放大6倍，垂直方向放大12倍。由于MAPMT為線性陣列，測量水平光斑尺寸時(shí)將MAPMT垂直放置，測量垂直光斑尺寸時(shí)將MAPMT水平放置。兩個(gè)方向的放大倍數(shù)均可以通過改變透鏡位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同機(jī)器參數(shù)下光斑橫向尺寸的測量需求。圓孔狹縫將入射光限制在光軸中心±3.8 mrad內(nèi)，以減小雜散光的干擾及景深效應(yīng)[6?7]的影響。為減小透鏡對不同波長光折射率不同引起的像差效應(yīng)，經(jīng)過中心的入射光通過波長為500 nm、半高全寬為10 nm的帶通濾波片后送入MAPMT。兩個(gè)方向的MAPMT均通過三維調(diào)整支架固定在光學(xué)平臺，連續(xù)4個(gè)通道的光電流信號經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換和放大后送入高速數(shù)據(jù)采集卡，完成4通道不一致標(biāo)定、對數(shù)運(yùn)算和反饋高壓的控制等。

高速數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集卡采用NI (National Instruments)適配器模塊NI 5761和FPGA模塊NI PXIe-7966R。NI 5761為DC耦合版本，帶寬為DC-500 MHz，采樣率為250 MS?s?1，用儲存環(huán)RF (Radio Frequency)時(shí)鐘信號作為采樣時(shí)鐘，并通過調(diào)節(jié)時(shí)鐘延遲實(shí)現(xiàn)4通道峰值信號的同步采樣；NI PXIe-7966R含有兩塊板載SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)，每塊大小均為256 MB，帶寬為1.6 GB?s?1，用于存儲4通道逐圈數(shù)據(jù)。兩路數(shù)據(jù)采集設(shè)備與嵌入式控制器NI PXIe-8133均插入PXI Express機(jī)箱NI PXIe-1075，通過機(jī)箱的背板總線完成交互式通信。嵌入式控制器根據(jù)得到的幅度信號通過GPIB (General Purpose Interface Bus)接口控制MAPMT的供電高壓，避免入射光功率過高造成MAPMT壽命降低甚至損壞，MAPMT的加載電壓在?500??900 V變化時(shí)，增益變化為4.4′104?1.05′107，系統(tǒng)的動態(tài)范圍超過100。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)

由于透鏡加工和機(jī)械安裝誤差，透鏡焦距和主平面位置并非理論設(shè)計(jì)值，擺放到光學(xué)平臺前需要進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)選用接近500 nm中心波長的藍(lán)光LED光源。

焦距采用共軛成像法計(jì)算得到，如下：

式中，為物與像（屏）之間的距離；為兩次呈清晰像時(shí)透鏡中心的距離，實(shí)際以鏡室邊沿作為參考，取兩次測量過程中鏡室邊沿的距離差。

測量距離引起的誤差為隨機(jī)誤差，通過多次測量可抵消，并將這種單次測量誤差控制在±2 mm內(nèi)，即。因此，焦距的測量誤差為：

利用式(3)進(jìn)行非線性曲線擬合，可得到物方和像方主平面相對鏡室邊沿的距離：

(3)

式中，為被測透鏡兩主平面之間的距離；m為鏡室的厚度；為透鏡的平均焦距；i為物點(diǎn)距離鏡室前邊沿的距離；i為鏡室前邊距離物方主平面的距離；i￠為像點(diǎn)距離鏡室后邊沿的距離；i￠為鏡室后邊距離像方主平面的距離。

透鏡焦距和主平面相對位置測量結(jié)果如表1所示，對MAPMT成像支路的三個(gè)消色差聚焦透鏡，焦距測量與焦距平均值的偏差D均小于±1 mm，并且實(shí)測焦距與理論焦距相比相對誤差小于3.6%。

表1 透鏡焦距和主平面位置

2.2 信號調(diào)理電路

選用時(shí)域法處理逐圈束團(tuán)信號，要求相鄰兩個(gè)束團(tuán)信號之間不會產(chǎn)生堆疊。對HLS II，單束團(tuán)模式下束團(tuán)之間的間隔約為220 ns，多束團(tuán)全環(huán)填充模式下束團(tuán)之間的間隔約為4.9 ns。自制的信號調(diào)理板為4通道，每通道兩級放大電路，其中第一級放大10倍，第二級放大兩倍。第一級放大器選用美國ADI公司生產(chǎn)的超低噪聲、高速電壓反饋運(yùn)算放大器AD8099[8]，其典型電壓噪聲，電流噪聲，帶寬高達(dá)3.8 GHz。第二級放大器選用美國TI公司生產(chǎn)的超高寬帶電流反饋運(yùn)算放大器OPA695[9]，用于驅(qū)動后級電路。對高速脈沖信號，為減小阻抗不匹配引起的反射，調(diào)理電路的第一級連接50W的對地電阻，實(shí)現(xiàn)傳輸線的末端匹配；同時(shí)緊靠放大器的輸出端串聯(lián)50W的匹配電阻實(shí)現(xiàn)始端匹配，單個(gè)通道的理論放大倍數(shù)為20 dB。

前端信號調(diào)理板在輸入功率為?30 dBm時(shí)4通道增益測量結(jié)果如圖2所示。根據(jù)矢量網(wǎng)分測量結(jié)果，信號調(diào)理板帶寬約為420 MHz，4個(gè)通道相對通道2的增益偏差均小于0.2 dB，滿足時(shí)域法逐圈信號的放大需求。

圖2 前端信號調(diào)理板4通道增益曲線

2.3 算法設(shè)計(jì)

束團(tuán)橫向尺寸和位置提取算法基于對數(shù)處理技術(shù)。圖3給出MAPMT 4個(gè)連續(xù)通道處的光強(qiáng)度分布，同步光在水平和垂直方向的光強(qiáng)投影為高斯分布，實(shí)線表示光斑中心與參考中心重合時(shí)高斯光強(qiáng)的分布，虛線表示當(dāng)光斑中心偏離參考中心時(shí)的高斯光強(qiáng)分布，對光強(qiáng)在有效區(qū)域內(nèi)積分得到4個(gè)通道的光電流信號1、2、3、4。

束團(tuán)橫向尺寸信號和位置信號的計(jì)算如下：

式中，ln(,)為尺寸信號；ln(,)為位置信號；1、2、3、4分別為4個(gè)通道的增益因子。

圖3 MAPMT處光強(qiáng)度分布

Fig.3 Light intensity distribution at the MAPMT.

當(dāng)1=2=3=4，即通道響應(yīng)特性一致時(shí)，模擬計(jì)算得到[10]：當(dāng)尺寸為0.8?2 mm和位置為±2 mm時(shí)，束團(tuán)尺寸信號與光斑尺寸呈線性關(guān)系，位置影響小于1%；當(dāng)尺寸為0.6?2 mm時(shí)，束團(tuán)位置信號與實(shí)際位置成線性關(guān)系，線性范圍超過±2 mm，且尺寸對位置靈敏度的影響小于1%。理想束團(tuán)尺寸信號和位置信號隨尺寸和位置的變化如下：

當(dāng)1、2、3、4不全相等，即通道響應(yīng)特性不一致時(shí)，引入通道不一致性因子s和p，得到實(shí)際尺寸信號和位置信號如下：

(6)

由式(6)可知，有通道差異時(shí)尺寸信號隨光斑尺寸呈現(xiàn)明顯的非線性效應(yīng)，但位置信號隨光斑位置變化呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。s和p是由通道增益因子決定的常數(shù)，可以采用同步光成像法標(biāo)定測量。在電子儲存環(huán)中，利用基于CCD的同步光橫向截面測量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地獲取光斑尺寸，并且在短時(shí)測量過程中，光斑尺寸的變化可以忽略。對位置信號進(jìn)行擬合，得到位置信號隨光斑位置變化的斜率測量值和截距測量值，代入式(6)，得到通道增益標(biāo)定參數(shù)測量值和，因此修正后束團(tuán)尺寸信號和位置信號的表達(dá)式為：

3 單束團(tuán)離線實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單束團(tuán)模式下，MAPMT輸出信號周期為儲存環(huán)回旋周期，對合肥光源此值約為220 ns。光電流信號脈沖寬度約為2 ns，單通道最大陽極平均電流小于10mA，因此最大陽極峰值電流約為1.1 mA，50W終端電阻上產(chǎn)生的峰值電壓小于60 mV。

圖4給出了模擬單束團(tuán)信號的原理框圖。脈沖產(chǎn)生器選用美國Avtech Electrosystems公司AVM系列的AVM-1-C，采用與RF時(shí)鐘同步，經(jīng)過45倍分頻后的信號作為外部觸發(fā)信號。模擬信號幅度約為3.43 V，脈寬約為2 ns，將輸出信號首先衰減40 dB，利用3個(gè)DC?4 200 MHz的功分器將輸入信號一分為四，再經(jīng)過等長線和4個(gè)通道模擬前端送入高速數(shù)據(jù)采集卡，采集卡選用RF時(shí)鐘作為采樣時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為204.03 MHz，調(diào)節(jié)RF時(shí)鐘信號的延遲，保證在信號的峰值處進(jìn)行采樣。

圖4 離線模擬單束團(tuán)信號原理框圖

圖5給出模擬單束團(tuán)信號4個(gè)周期的測量結(jié)果，其中橫坐標(biāo)表示模擬束團(tuán)編號，縱坐標(biāo)表示采樣得到的信號幅度。每個(gè)測量周期內(nèi)包含45個(gè)采樣點(diǎn)，除了在特定位置出現(xiàn)不為零的束團(tuán)填充外，其余各測量點(diǎn)處電壓幅度基本為零。模擬單束團(tuán)信號經(jīng)45倍抽取以后得到的峰值信號一致性很好，剔除直流偏置后峰值信號最大偏差不超過2%，這種差異可以通過提高輸出信號的幅度予以減小，也可以通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 模擬單束團(tuán)信號波形

4 結(jié)語

快速束團(tuán)橫向尺寸檢測器(Fast Beam Transverse Profile Monitor, FBPM)基于對數(shù)處理技術(shù)提取束團(tuán)逐圈橫向尺寸和位置信息，目前已經(jīng)完成了光學(xué)系統(tǒng)搭建，前端信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)，對數(shù)處理算法的計(jì)算和仿真，并進(jìn)行了部分離線測試。測試結(jié)果表明，放大器帶寬達(dá)到420 MHz，通帶內(nèi)各通道對參考通道2的增益偏差不超過0.2 dB，4通道峰值信號幅度測量誤差小于2%，滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)中根據(jù)4通道信號幅度信息提取逐圈束團(tuán)橫向尺寸和位置的要求。

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Design of fast beam transverse profile monitor in electron storage ring

CHENG Chaocai SUN Baogen YANG Yongliang ZHOU Zeran LU Ping WU Fangfang WANG Jigang TANG Kai LUO Qing LI Hao

(National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei230029, China)

Background: Many issues such as beam dynamics and beam instability concerning machine performance and stability are being studied in accelerator facility. As a consequence, a Fast Beam Transverse Profile Monitor (FBPM) using visible synchrotron radiation is being developed and will be applied for the upgrade project of Hefei Light Source (HLS II). Purpose: This study aims to design a FBPM apparatus to measure beam position and size in electron storage ring. Methods: A Hamamatsu Multi-Anode Photo-Multiplier Tube (MAPMT) R5900U-00-L16 is applied to the development of FBMP. This MAPMT has a 0.8 mm′16 mm effective area per channel and 0.6 ns typical rise time which has enough spatial and temporal resolution. Logarithm processing technique with four successive channels is used to acquire beam parameters. Results: The test results show that measurement errors of focal length are within±1 mm, bandwidth of low noise wideband amplifier is approximately 420 MHz, gain errors between all the four channels and the second channel are less than 0.2 dB, and peak signal errors among them are no more than 2%. Conclusion:The FBMP apparatus proposed in this paper meet the requirements of acquiring beam turn-by-turn transverse beam position and size with only four channels of MAPMT.

FBPM, Turn-by-turn transverse size and position, MAPMT, Logarithm processing technique

TL594, TL506

TL594，TL506

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.070104

國家自然科學(xué)基金(No.11175173、No.11105141、No.11375178)資助第一作者：程超才，男，1989年出生，2011年畢業(yè)于安徽大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，核科學(xué)技術(shù)專業(yè)

孫葆根，E-mail: bgsun@ustc.edu.cn

2015-03-12，

2015-03-30