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合肥光源储存环200MeV注入,800MeV能量运行,横向耦合束团不稳定性导致注入过程困难,同时影响运行的稳定性。为了克服注入过程中的横向不稳定性,目前合肥光源使用八极铁帮助注入,有效地提高了注入流强,从100mA提高到250mA以上。然而八极铁的非线性效应会改变束流的动力学孔径,影响注入效率,从而限制流强的进一步提高。合肥光源的升级改造计划中,束流的发射度从目前的160nm-rad降低到30nm-rad左右,低发射度情况下不能使用八极铁,因此我们非常有必要研发一套横向逐束团反馈系统来抑制注入过程以及运行中出现的横向不稳定性。这项工作不仅是当前合肥光源运行中亟待解决的问题,而且是升级改造工程中的重要课题之一。
横向逐束团反馈系统,是目前世界上高能加速器实验室普遍应用克服横向耦合束团不稳定性的关键技术。在合肥光源模拟横向逐束团反馈系统研发的基础上,我们开发了一套数字横向反馈系统。相对于模拟系统繁杂的构造与调试分析工具的缺乏,数字系统简洁可靠,调试手段丰富,是反馈系统更高层次的平台,也正是我们将模拟系统升级为数字系统的驱动力。数字系统通过对逐圈信号的存储,应用数字信号处理技术开发高阶的滤波器来进一步提高反馈功效。对于实验调试和数据分析,专用的数字处理器的出现进一步提升了系统的灵活性和扩展性,是反馈技术新的发展方向。
合肥光源数字横向逐束团反馈系统使用TED数字处理器。考虑到合肥光源的横向的工作点参数以及45个束团数,我们修改了处理器的FPGA程序,将其6个ADC平均分配给独立的两个反馈回路,使一台处理器能够实现独立的水平方向和垂直方向反馈。数字系统应用RF直接采样前端,简化了前端电子学线路,节约了系统成本并方便了调试和维护工作。由于合肥光源横向的工作点靠近半整数频率且工作点易发生漂移,通过分析比较各种适用于逐束团反馈计算的数字滤波器算法,我们使用时域的最小二乘法设计数字FIR滤波器,并针对注入的情况进行了滤波器参数优化。
数字横向反馈系统不论在800MeV能量运行还是在200MeV能量注入的情况下,都能有效地抑制横向的不稳定性。数字系统可以有效提高注入流强,在不加八极铁的情况下,能重复稳定注入超过250mA,与八极铁同时作用,最高注入流强超过350mA。储存环升能过程中,横向的工作点发生大的漂移而导致反馈相位发生大的改变,造成束流丢失。
文章还探讨了利用横向的条带Kicker配合现有的横向数字反馈系统进行纵向反馈的可能。围绕着数字横向逐束团反馈系统的研究工作值得深入地开展下去,使之能够在未来成为储存环稳定运行必不可少的工具和手段。