基于FPGA的储存环逐束团流强测量系统研制

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逐束团流强测量是监测多束团储存环运行的重要手段,同时也是研究束流不稳定性阈值和束流注入填充模式的重要方法,是top-off恒流注入不可或缺的技术手段。国内外的大型加速器,如国际上的SPring-8、BESSY、KEKB、NSLS Ⅱ,国内的BEPC Ⅱ、SSRF、HLS Ⅱ等均有逐束团流强测量系统。HLS II现有的逐束团流强测量系统采用高速数字示波器采样BPM和信号,利用积分法测流强,示波器的采样分辨率为8bit,且采样时刻与束团不同步,需要利用插值算法来重新构建信号波形。由于合肥光源未来将进行top-off恒流注入,对逐束团流强测量系统有更高精度的要求。本文首先调研了国内外主要加速器中所采用的逐束团流强测量方案,并对逐束团流强测量理论进行了分析推导,详细分析了利用条带型BPM和纽扣型BPM和信号测量逐束团流强的原理,同时也分析了纵向振荡和束团伸长效应对测量的影响以及应对方法。在此基础之上提出了新的HLS Ⅱ逐束团流强测量方案。本文接着介绍了新研制的逐束团流强测量系统的硬件架构。该系统主要由高速高精度ADC、高性能FPGA、USB以及本地PC构成。ADC采样分辨率是]2bit,最高采样率可达250MS/s。采样时钟来源于加速器高频时钟,因此采样与逐束团同步。FPGA内部的移相模块可实现对采样时钟的高精度移相,使ADC采样到信号峰值。除此之外,FPGA内部还构造了FIFO用于缓存采样数据。USB负责将数据传送到主机中,以便进行分析处理。本文还详细介绍了对采样数据的处理算法。对数据的处理主要是由LabVIEW软件来完成的。LabVIEW通过CA Lab与EPICS通信,实时获取DCCT流强值用来标定逐束团流强。将采样信号在LabVIEW中做FFT运算可以从中分析出逐束团的纵向工作点。最后,对新研制的逐束团流强测量系统进行了在线测试。测试结果表明,在开启储存环纵向反馈抑制了纵向振荡以后,测量精度高,均方根误差可达0.002mA。本系统除了测量逐束团流强外,还实现了纵向工作点的测量,未来还可以测量逐束团寿命等,为合肥光源储存环性能提升,提供更多的束流诊断手段。
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