Microsoft Word - 1-2,13-052H刘畅,7

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1 第 36 卷 第 8 期 核 技 术 Vol. 36, No 年 8 月 NUCLEAR TECHNIQUES August 2013 基 于 切 伦 科 夫 原 理 的 光 纤 束 损 探 测 系 统 研 制 刘 畅 1,2 冷 用 斌 1 俞 路 阳 1 周 伟 民 1( 中 国 科 学 院 上 海 应 用 物 理 研 究 所 嘉 定 园 区 上 海 ) 2( 中 国 科 学 院 大 学 北 京 ) 1 摘 要 同 步 辐 射 光 源 及 自 由 电 子 激 光 装 置 需 要 一 种 新 型 的 束 流 损 失 探 测 系 统, 用 于 实 时 监 测 小 间 隙 插 入 件 处 的 束 流 损 失 为 此 研 制 了 采 用 光 纤 作 为 探 测 器 的 束 流 损 失 监 测 系 统, 系 统 包 含 长 30 m 的 阶 跃 光 纤 光 电 倍 增 管 8 GS/s 高 速 采 集 板 卡 (10 bits) 及 配 套 作 为 输 入 输 出 控 制 器 的 PXI 总 线 工 控 机 数 据 采 集 处 理 软 件 在 Linux 系 统 下 基 于 EPICS 框 架 开 发 为 使 系 统 能 在 多 束 团 填 充 的 储 存 环 上 应 用, 设 计 了 一 种 双 端 测 量 方 案 及 数 据 处 理 方 法 初 步 束 流 实 验 结 果 表 明, 该 系 统 可 在 低 至 1 ma 条 件 下 监 测 到 束 损 信 号, 光 脉 冲 计 数 率 可 用 于 表 征 束 流 损 失 剂 量, 储 存 环 220 ma 恒 流 供 光 模 式 下 本 底 噪 声 约 占 总 计 数 率 的 3.56% 关 键 词 束 流 损 失 监 测, 光 纤, 切 伦 科 夫 辐 射,EPICS 中 图 分 类 号 TL506 DOI: /j hjs 真 空 内 永 磁 波 荡 器 等 特 种 插 入 件 已 在 上 海 光 源 及 自 由 电 子 激 光 装 置 中 应 用, 需 要 一 种 新 型 的 覆 盖 范 围 广 且 占 用 空 间 足 够 小 的 束 流 损 失 监 测 系 统, 用 来 监 测 波 荡 器 处 的 束 流 损 失 情 况 与 辐 射 剂 量, 并 能 够 提 供 一 个 快 速 保 护 机 制 保 护 永 久 磁 铁 不 被 过 量 辐 射 损 坏 新 型 系 统 要 有 一 定 的 辐 射 剂 量 与 辐 射 位 置 分 辨 能 力, 要 有 足 够 快 的 反 应 速 度, 在 辐 射 过 量 情 况 下, 能 够 快 速 反 馈 到 光 源 控 制 系 统 目 前 已 有 很 多 种 束 流 损 失 探 测 器 应 用 于 各 个 加 速 器 上 [1], 例 如 PIN 二 极 管 型 的 探 测 器, 这 种 探 测 器 的 优 点 是 能 探 测 到 很 微 量 的 束 流 损 失, 但 也 因 此 较 容 易 淹 没 在 背 景 X 射 线 和 注 入 时 的 电 子 损 失 中, 并 且 若 要 覆 盖 很 长 的 范 围 则 需 要 大 量 的 探 头 及 接 线 另 外 一 类 较 常 见 的 束 流 损 失 探 头 是 电 离 室 型 探 测 器, 并 使 用 同 轴 线 提 供 高 压, 优 点 是 有 较 好 的 位 置 敏 感 度 良 好 的 线 性 等, 但 由 于 其 相 对 较 重 难 以 维 修, 需 占 用 很 大 空 间, 不 适 合 波 荡 器 磁 铁 部 分 的 狭 小 空 间 目 前, 国 外 众 多 加 速 器 或 自 由 电 子 激 光 装 置 都 在 试 验 以 光 纤 作 为 探 测 器 的 束 流 损 失 探 测 系 统 [2 7] 光 纤 纤 细 小 巧, 很 适 合 空 间 狭 小 的 波 荡 器 区 域 ; 以 光 纤 的 长 度 可 以 很 容 易 覆 盖 整 个 波 荡 器 区 域 ; 光 纤 由 石 英 制 成, 适 应 波 荡 器 区 域 的 高 电 磁 场 环 境 较 其 它 方 法 有 更 好 的 时 间 和 位 置 分 辨 率, 整 个 系 统 响 应 速 度 很 快, 且 性 价 比 很 高 其 缺 点 是 对 连 续 损 失 探 测 较 难, 在 垂 直 于 束 流 流 向 的 截 面 覆 盖 效 率 较 低, 对 于 绝 对 的 束 流 损 失 测 量 不 够 准 确 等 在 探 测 波 荡 器 区 域 束 流 损 失 时, 最 关 注 的 还 是 狭 小 空 间 覆 盖 长 度 及 响 应 速 度, 因 此 采 用 光 纤 作 为 探 测 器 的 束 流 损 失 探 测 系 统 适 合 应 用 需 要 1 基 于 光 纤 的 束 流 损 失 探 测 原 理 加 速 器 所 损 失 的 电 子 打 在 束 流 真 空 管 壁 上, 产 生 了 二 级 电 子, 这 些 二 级 电 子 具 有 很 高 能 量, 速 度 非 常 快, 接 近 光 速 而 光 在 石 英 介 质 中 传 播 的 速 度 约 为 2/3 光 速, 当 这 些 电 子 通 过 石 英 制 成 的 光 纤 时 就 会 产 生 切 伦 科 夫 光 若 采 用 阶 跃 型 光 纤, 使 得 产 生 的 切 伦 科 夫 光 可 沿 阶 跃 光 纤 传 播, 在 光 纤 的 一 头 使 用 光 电 倍 增 管 (Photo Multiplier Tube) 将 切 伦 科 夫 光 转 换 成 电 信 号 并 放 大 信 号, 再 利 用 示 波 器 或 是 数 据 采 集 系 统 将 电 信 号 采 集 并 加 以 观 察 分 析, 可 得 到 切 伦 科 夫 辐 射 在 光 纤 中 发 生 的 位 置 与 强 度, 这 个 位 置 在 一 定 程 度 上 反 映 了 束 流 损 失 发 生 的 位 置, 而 强 度 则 与 束 流 损 失 量 即 丢 失 电 荷 量 的 多 少 有 关 图 1 表 示 束 流 损 失 时 的 原 理 示 意 图 第 一 作 者 : 刘 畅, 男,1987 年 出 生,2013 年 于 中 国 科 学 院 上 海 应 用 物 理 研 究 所 获 硕 士 学 位, 信 号 与 信 息 处 理 通 讯 作 者 : 冷 用 斌, leng@sinap.ac.cn 收 稿 日 期 : , 修 回 日 期 :

2 核 技 术 2013, 36(8): 图 1 束 流 损 失 探 测 原 理 示 意 图 Fig.1 Schematic drawing of detection principle. 如 图 1 所 示, 在 光 纤 上 产 生 的 切 伦 科 夫 光 会 沿 光 纤 向 两 端 传 播, 因 此 在 光 纤 的 两 端 都 可 以 看 到 切 伦 科 夫 光 脉 冲 信 号 就 单 束 团 的 单 次 电 子 损 失, 可 在 两 端 都 安 置 好 PMT, 利 用 两 个 PMT 获 取 信 号 时 间 的 差 异, 很 容 易 得 到 损 失 的 位 置 然 而 一 个 束 团 若 在 很 短 时 间 内 连 续 丢 失 两 次, 由 于 束 团 速 度 接 近 光 速, 大 于 光 在 光 纤 中 传 播 的 速 度, 再 考 虑 到 电 子 脱 离 轨 道 达 到 光 纤 的 时 间 差, 在 束 流 方 向 的 下 游 端, 两 次 脉 冲 有 可 能 叠 加 到 一 起, 而 上 游 端 则 相 反, 由 于 传 播 的 路 程 更 长 了, 两 次 脉 冲 的 时 间 差 更 大 了 ; 若 是 两 次 时 间 相 距 较 长 的 脉 冲, 在 下 游 端, 由 于 束 团 速 度 大 于 光 速, 第 二 次 的 损 失 产 生 的 切 伦 科 夫 光 脉 冲 要 比 第 一 次 损 失 产 生 的 光 脉 冲 更 早 地 到 达 下 游 端, 使 得 下 游 端 得 到 的 信 号 对 判 断 束 损 位 置 产 生 了 一 定 的 影 响, 在 上 游 端 使 得 束 流 损 失 位 置 分 辨 率 有 了 一 定 提 升 为 解 决 这 个 问 题, 可 以 只 选 择 将 PMT 安 装 在 上 游 的 方 案, 同 时 使 用 一 个 同 步 信 号 定 时, 控 制 数 据 采 集, 在 下 游 端 安 置 一 个 光 吸 收 器, 吸 收 传 向 下 游 的 切 伦 科 夫 光, 使 之 不 发 生 反 射 对 上 游 信 号 产 生 影 响 这 种 方 案 适 合 自 由 电 子 激 光 等 束 团 间 隔 较 大 装 置 的 束 损 测 量 对 于 储 存 环 中 多 个 束 团 间 隔 较 短 且 束 流 损 失 发 生 并 不 频 繁 的 情 况, 可 以 选 择 在 上 下 游 都 安 置 PMT, 并 设 置 同 步 定 时 信 号, 利 用 上 下 游 获 取 信 号 的 时 间, 计 算 出 束 损 发 生 位 置 及 发 生 束 损 的 束 团 序 号 2 硬 件 设 计 2.1 系 统 结 构 光 纤 是 在 隧 道 中 沿 着 储 存 环 铺 设, 光 纤 两 端 均 会 通 过 辐 射 防 护 结 构 引 到 实 验 室 中, 此 系 统 硬 件 结 构 如 图 2 所 示 上 游 一 端 光 纤 与 PMT 相 接, 下 游 端 接 光 吸 收 装 置 或 是 PMT 这 样, 在 光 纤 上 产 生 的 切 伦 科 夫 光 信 号 会 在 光 纤 中 传 播 到 PMT,PMT 将 光 信 号 转 换 为 电 信 号 并 提 供 增 益, 由 PMT 信 号 输 出 端 口 引 出 输 出 信 号 的 数 据 采 集 方 案 考 虑 到 稳 定 性 和 与 上 海 光 源 控 制 系 统 的 连 接, 采 用 高 速 数 据 采 集 板 卡 进 行 模 拟 数 字 变 换, 然 后 数 据 由 PXI 总 线 输 送 到 输 入 输 出 控 制 器 (Input Output Controller), 最 终 通 过 IOC 的 数 据 服 务 器 实 现 与 控 制 系 统 连 接 图 2 系 统 硬 件 结 构 Fig.2 Hardware architecture of beam loss monitor system. 2.2 探 测 器 件 选 型 光 纤 选 型 探 测 系 统 基 于 切 伦 科 夫 原 理, 对 于 光 纤 的 用 法 与 常 规 使 用 方 法 有 很 大 不 同, 因 此 对 光 纤 提 出 新 的 要 求 首 先, 光 纤 需 要 铺 设 在 有 辐 射 的 隧 道 内, 要 求 光 纤 有 较 长 时 间 耐 辐 射 的 特 性 ; 其 次, 光 信 号 需 要 在 光 纤 中 传 播, 光 纤 需 要 制 成 阶 跃 型 光 纤, 并 且 对 光 纤 孔 径 与 带 宽 有 一 定 要 求 ; 最 后, 要 能 屏 蔽 外 界 的 光 进 入 光 纤 中, 需 要 光 纤 外 皮 对 可 见 光 的 屏 蔽 性 能 较 好, 但 又 不 能 太 厚 且 材 料 不 影 响 到 电 子 穿 透 根 据 系 统 对 光 纤 的 要 求, 参 考 日 本 KEK 实 验 室 光 纤 束 损 系 统 的 配 置 [7], 采 用 了 美 国 OFS 公 司 生 产 的 HCP-M0600T 型 号 光 纤, 其 数 值 孔 径 为 0.37, 芯 直 径 (600±10) m, 对 850 nm 光 的 衰 减 为 8 db/km, 总 长 30 m, 采 用 硬 质 石 英 包 被, 最 外 层 是 ETFE 材 料 保 护 层 现 场 铺 设 的 光 纤, 其 中 间 10 m 左 右 与 束 流 管 平 行, 并 且 经 过 了 四 极 磁 铁 二 极 磁 铁 等 结 构, 如 图 3 所 示

3 刘 畅 等 : 基 于 切 伦 科 夫 原 理 的 光 纤 束 损 探 测 系 统 研 制 图 3 束 损 探 测 用 光 纤 现 场 布 局 Fig.3 Layout of optical fiber used for beam loss detection 光 电 倍 增 管 (PMT) 选 型 将 光 信 号 转 换 成 电 信 号 并 且 提 供 较 大 的 信 号 增 益, 需 要 用 到 光 电 倍 增 管 切 伦 科 夫 辐 射 产 生 的 电 磁 波 波 长 主 要 是 在 紫 外 到 可 见 光 区 的 连 续 光 谱, 且 较 集 中 在 短 波 长 的 蓝 色 光 附 近, 波 长 约 500 nm 切 伦 科 夫 光 信 号 非 常 弱 并 且 时 间 很 短 在 ns 因 此 在 挑 选 光 电 倍 增 管 时 主 要 考 虑 其 增 益 曲 线 要 适 合 切 伦 科 夫 光 信 号 波 长, 响 应 时 间 要 足 够 短 参 照 上 述 需 求, 选 定 了 Hamamatsu 公 司 生 产 的 H 型 光 电 倍 增 管, 其 主 要 技 术 参 数 如 表 1 型 号 Type No. H 表 1 H 主 要 技 术 指 标 Table 1 Specification of H 响 应 光 谱 Spectral response / nm 上 升 时 间 Rise time / ns 暗 电 流 Dark current / na 最 佳 工 作 波 长 Optimum wavelength / nm 光 电 倍 增 管 工 作 需 要 外 接 一 个 5 V 的 直 流 电 源 和 一 个 V 的 控 制 电 压 源, 控 制 电 压 决 定 增 益, 根 据 产 品 提 供 的 说 明 书 和 系 统 需 要, 选 定 1 V 控 制 电 压, 对 应 增 益 约 为 10 6, 在 此 条 件 下, 束 损 脉 冲 电 信 号 幅 度 在 百 毫 伏 量 级, 与 数 据 采 集 设 备 输 入 量 程 相 匹 配 2.3 数 据 采 集 设 备 数 据 采 集 设 备, 考 虑 到 长 期 稳 定 运 行 性 较 全 的 IO 板 卡 系 列 及 高 速 的 CPU 运 算 能 力, 参 考 上 海 光 源 束 测 系 统, 选 择 PXI 总 线 工 控 机 作 为 前 端 输 入 输 出 控 制 器 的 硬 件 平 台 数 据 采 集 板 卡 使 用 Agilent DC252 高 速 数 据 采 集 板 卡, 其 最 高 采 样 率 达 8 GS/s, 分 辨 率 达 10 bits, 输 入 模 拟 带 宽 2 GHz, 输 入 信 号 量 程 有 50 mv 至 5 V 的 多 种 选 择, 能 够 完 成 上 升 时 间 为 0.57 ns 的 PMT 输 出 电 信 号 的 实 时 采 样, 同 时 满 足 较 大 动 态 范 围 内 的 束 损 测 量 需 求 其 缓 存 达 0.5 M 数 据 点, 单 次 采 样 可 覆 盖 储 存 环 束 团 运 行 数 十 圈 控 制 器 选 用 了 Agilent 公 司 提 供 的 与 采 集 板 卡 配 套 PXI 总 线 工 控 机 另 外, 在 系 统 搭 建 初 期, 为 了 方 便 实 验 使 用 了 Agilent 公 司 的 DSO9064A 型 号 示 波 器 作 为 数 据 采 集 设 备, 采 样 率 最 高 达 10 GS/s, 单 次 数 据 获 取 最 大 采 样 点 可 达 100 M 点 其 内 置 的 直 方 图 统 计 余 辉 模 式 等 功 能, 便 于 在 初 步 实 验 研 究 中 进 行 现 场 数 据 分 析 3 软 件 设 计 上 海 光 源 控 制 系 统 是 基 于 Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS) 框 架 开 发 的, 因 此, 束 损 监 测 系 统 必 须 提 供 一 个 EPICS 数 据 接 口, 以 便 和 控 制 系 统 实 现 无 缝 连 接 根 据 这 一 要 求, 系 统 软 件 在 Linux 系 统 下 基 于 C 语 言 开 发, 实 现 采 集 板 卡 的 配 置 信 号 波 形 采 集, 并 在 EPICS 框 架 内 实 现 与 控 制 系 统 的 数 据 接 口 其 结 构 图 如 图 4 所 示 EPICS 为 用 户 提 供 了 很 完 整 的 软 件 框 架, 用 户 仅 需 要 将 其 中 的 一 些 模 块 修 改 与 控 制 系 统 相 关 联 即 可, 图 中 深 色 部 分 为 需 要 修 改 的 适 用 本 系 统 的 程 序, 其 它 的 部 分,EPICS 已 经 提 供 其 中 硬 件 支 持 (Device support) 主 要 完 成 EPICS 中 记 录 (Record) 与 采 集 板 卡 驱 动 程 序 的 接 口 任 务,Record 命 名 中 带 有 CF 的 均 为 数 据 采 集 板 卡 配 置 控 制 相 关, longout ao 等 为 EPICS 结 构 中 数 据 类 型

4 核 技 术 2013, 36(8): 图 4 束 流 损 失 监 测 系 统 的 软 件 结 构 Fig.4 Software architecture of beam loss monitor system. 4 信 号 处 理 方 法 对 于 直 线 加 速 器 运 行 在 单 束 团 模 式 的 情 况, 可 以 采 用 仅 在 上 游 设 置 一 个 PMT 的 信 号 采 集 处 理 方 案 信 号 传 输 及 获 取 的 原 理 如 图 5 所 示, 波 形 记 录 仪 在 外 触 发 同 步 下 开 始 数 据 采 集, 以 外 触 发 到 达 时 间 为 时 间 零 点, 记 束 损 发 生 时 间 为 t 2 信 号 在 光 纤 中 的 传 播 时 间 为 t 3, 波 形 记 录 仪 采 集 到 束 损 信 号 的 时 间 为 t 1, 则 有 : l l t1 t2 t3 (1) c v 式 中,c 为 真 空 中 光 速 ;v 为 光 在 光 纤 中 的 速 度, 可 用 光 纤 折 射 率 n 与 c 来 计 算 ;l 为 束 损 发 生 位 置 由 式 (1), 可 根 据 测 量 所 得 的 t 1 计 算 得 到 束 损 位 置 l 为 : t cv l 1 c v (2) 对 于 储 存 环 运 行 在 多 束 团 填 充 模 式 的 情 况, 单 端 PMT 检 测 方 案 存 在 缺 陷 以 上 海 光 源 储 存 环 为 例, 全 环 填 充 500 个 束 团, 两 个 束 团 时 间 间 隔 2 ns, 空 间 间 隔 约 为 0.6 m 当 沿 束 流 管 道 铺 设 的 光 纤 长 10 m 时, 约 有 16 个 束 团 在 光 纤 的 探 测 范 围 中, 在 光 纤 上 游 的 PMT 探 测 到 的 信 号, 可 能 是 靠 近 上 游 束 团 的 束 团 丢 失 的, 也 可 能 是 靠 近 下 游 束 团 在 前 面 某 个 时 间 丢 失 的, 信 号 沿 光 纤 传 播 刚 刚 到 达 对 于 这 种 情 况, 需 要 采 用 上 下 游 双 端 安 装 PMT, 同 步 采 样 进 行 关 联 分 析 的 信 号 采 集 处 理 方 案 波 形 记 录 仪 在 外 触 发 同 步 下 开 始 数 据 采 集, 若 在 触 发 到 达 后 第 N+1 个 束 团 发 生 束 损, 则 信 号 传 输 及 获 取 原 理 如 图 6 所 示, 上 下 游 PMT 分 别 在 t 1 t 2 时 刻 看 到 了 束 损 脉 冲 根 据 图 6 所 示 关 系, 可 得 到 式 (3) 和 (4), 式 中,t 11 与 t 21 为 束 团 经 过 光 纤 上 游 端 到 达 束 损 发 生 地 点 用 时,t 12 为 束 损 产 生 的 Cerenkov 光 信 号 向 上 游 段 传 播 到 达 PMT 的 用 时,t 22 为 Cerenkov 光 信 号 到 达 下 游 端 PMT 用 时,Δt 为 两 束 团 间 隔 时 间,L 为 与 束 流 管 道 平 行 的 光 纤 长 度,c v l 意 义 与 单 数 团 情 况 相 同 l l t1 t11 t12 N t N t (3) c v l L l t2 t21 t22 N t N t (4) c v 两 式 联 立 解 方 程 组 得 到 : L v( t ) 2 t1 l 2 (5) 2t1cv ( L t1v t2v)( v c) N 2cv t (6) 这 样 就 可 得 到 束 损 位 置 l 及 发 生 束 损 的 束 团 序 号 N+1 图 5 单 束 团 束 流 损 失 及 损 失 点 定 位 原 理 示 意 Fig.5 Single-bunch beam loss progress and corresponding locating algorithm. 图 6 多 束 团 束 流 损 失 及 损 失 点 定 位 原 理 示 意 Fig.6 Multi-bunch beam loss progress and corresponding locating algorithm

5 刘 畅 等 : 基 于 切 伦 科 夫 原 理 的 光 纤 束 损 探 测 系 统 研 制 5 束 流 实 验 5.1 信 号 检 测 模 块 初 步 实 验 测 试 整 个 系 统 于 2013 年 2 月 完 成 硬 件 调 试 及 隧 道 内 光 纤 铺 设, 在 上 海 光 源 恢 复 束 流 期 间 进 行 了 初 步 的 束 流 实 验 研 究, 验 证 了 光 纤 结 合 PMT 用 于 储 存 环 束 流 损 失 检 测 的 可 行 性 实 验 中 选 择 Agilent 公 司 的 DSO9064A 采 样 示 波 器 作 为 数 据 采 集 设 备, 图 7 为 发 生 束 损 时 示 波 器 获 取 到 的 PMT 的 典 型 输 出 波 形, 信 号 底 宽 约 5 ns, 脉 冲 幅 度 由 损 失 剂 量 决 定 图 8 束 损 信 号 直 方 图 统 计 测 量 结 果 Fig.8 Typical histogram result for beam loss signal. 表 2 不 同 流 强 下 统 计 超 过 检 测 阈 值 的 束 损 信 号 点 数 Table 2 Numbers of beam loss hits above the threshold at different beam currents. 图 7 PMT 检 测 到 束 损 脉 冲 波 形 Fig.7 Typical pulse waveform acquired by PMT due to beam loss. 利 用 示 波 器 工 作 在 余 辉 模 式 下 的 直 方 图 统 计 功 能, 分 别 在 停 机 维 护 机 器 研 究 用 户 供 光 运 行 的 不 同 束 流 条 件 下, 实 测 了 不 同 流 强 时 超 过 检 测 阈 值 的 束 损 信 号 点 数, 作 为 系 统 噪 声 本 底 机 器 研 究 期 间 的 束 损 剂 量 及 供 光 运 行 期 间 束 损 剂 量 的 一 个 估 计 值 示 波 器 配 置 为 2 Hz 外 触 发 工 作 模 式, 采 样 率 10 GS/s, 总 样 点 数 100 M, 采 样 时 间 窗 口 10 ms, 直 方 图 累 计 统 计 时 间 10 min,140 ma 流 强 下 的 典 型 实 测 结 果 如 图 8 所 示 实 测 数 据 显 示 束 损 信 号 波 形 的 基 线 具 有 白 噪 声 特 性, 其 幅 度 可 用 RMS 值 (N RMS ) 表 征, 为 尽 可 能 降 低 此 类 噪 声 对 束 损 信 号 统 计 结 果 的 影 响, 选 择 6N RMS 作 为 检 测 阈 值 实 验 结 果 汇 总 如 表 2 所 示 为 验 证 系 统 测 量 的 重 复 性, 在 上 海 光 源 220 ma 流 强 Top-up 用 户 供 光 模 式 下, 实 测 了 20 组 数 据, 实 验 条 件 与 上 述 实 验 条 件 相 同, 直 方 图 累 积 统 计 时 间 为 每 次 10 min, 结 果 如 表 3 所 示 束 流 流 强 / ma Beam current 超 过 检 测 阈 值 的 束 损 信 号 点 数 Number of hits 储 存 环 运 行 模 式 Storage ring operation mode 停 机 维 护 机 器 研 究 机 器 研 究 机 器 研 究 机 器 研 究 Top-up 用 户 供 光 表 3 Top-up 用 户 供 光 模 式 下 统 计 超 过 检 测 阈 值 的 束 损 信 号 点 数 Table 3 Numbers of beam loss hits above the threshold at operation mode. 统 计 序 号 信 号 点 数 Series number Number of hits

6 核 技 术 2013, 36(8): 分 析 表 2 3 数 据 得 到 如 下 推 论 : 机 器 研 究 期 间, 因 束 流 轨 道 寿 命 耦 合 度 等 参 数 没 有 优 化 至 最 佳, 束 损 剂 量 相 对 较 大 而 用 户 供 光 运 行 期 间, 上 述 束 流 参 数 已 进 行 充 分 优 化, 束 损 剂 量 应 该 较 小 比 较 表 2 中 220 ma 用 户 供 光 数 据 与 140 ma 的 机 器 研 究 数 据 可 知 与 预 期 相 符 在 储 存 环 参 数 不 变 的 前 提 下, 超 过 检 测 阈 值 的 束 损 信 号 点 数 与 束 流 流 强 正 相 关, 即 束 流 流 强 越 强, 统 计 得 到 的 脉 冲 数 越 多, 与 预 期 相 符 在 束 流 情 况 相 对 稳 定 的 220 ma 流 强 top-up 模 式 下 多 次 统 计 数 据, 发 现 统 计 测 量 点 数 约 在 10% 浮 动, 考 虑 到 每 次 束 流 损 失 的 不 确 定 性, 测 得 束 损 信 号 点 数 变 化 在 可 接 受 范 围 内, 验 证 系 统 测 量 的 可 重 复 性 因 背 景 辐 射 及 PMT 本 底 噪 声 的 存 在, 无 电 子 束 流 ( 相 应 无 束 损 ) 时 的 信 号 脉 冲 计 数 并 不 为 零, 与 220 ma 供 光 运 行 时 的 束 损 计 数 率 相 比, 约 占 真 实 束 损 信 号 的 3.56% 在 正 式 的 数 据 采 集 分 析 系 统 中, 可 以 通 过 上 下 游 PMT 输 出 信 号 的 关 联 分 析 来 剔 除 此 类 噪 声 5.2 数 据 采 集 模 块 初 步 实 验 测 试 在 220 ma top-up 供 光 运 行 模 式 下, 对 基 于 PXI 平 台 的 数 据 采 集 处 理 模 块 进 行 了 初 步 功 能 测 试, 通 过 EPICS waveform 记 录 获 取 到 的 总 点 数 为 0.5 M 的 原 始 波 形 数 据 如 图 9(a) 所 示, 从 图 中 的 原 始 波 形 可 知 系 统 中 存 在 较 大 的 高 频 本 底 噪 声 考 虑 到 束 损 信 号 的 检 测 不 需 要 2 GHz 的 带 宽, 可 对 原 始 数 据 进 行 数 字 低 通 滤 波 的 降 噪 处 理, 图 9(b) 为 500 MHz 低 通 滤 波 前 后 局 部 放 大 的 束 损 信 号 波 形, 可 以 看 出 滤 波 后 的 波 形 与 示 波 器 获 取 到 的 波 形 基 本 一 致 图 9 PXI 波 形 记 录 仪 获 取 的 原 始 波 形 (a) 及 低 通 滤 波 后 局 部 放 大 波 形 (b) Fig.9 Raw waveform acquired by PXI digitizer (a) and low-pass filtered waveform (b). 6 结 语 根 据 切 伦 科 夫 原 理, 在 上 海 光 源 储 存 环 上 搭 建 了 利 用 石 英 光 纤 作 为 探 测 器 的 束 流 损 失 监 测 系 统, 分 析 了 此 系 统 用 于 束 损 位 置 精 确 定 位 的 可 行 性, 针 对 储 存 环 多 束 团 填 充 运 行 模 式 提 出 了 PMT 双 端 检 测 进 行 关 联 分 析 的 数 据 处 理 方 法 初 步 束 流 实 验 结 果 表 明, 石 英 光 纤 结 合 PMT 可 对 电 子 储 存 环 束 流 损 失 进 行 有 效 检 测,PXI 平 台 数 据 采 集 模 块 可 正 确 获 取 束 损 信 号 在 后 续 研 究 中, 束 损 位 置 计 算 算 法 的 编 码 实 现 及 束 流 实 验 PMT 线 性 度 的 测 定 及 分 析 本 底 噪 声 脉 冲 在 线 甄 别 方 法, 将 是 关 注 的 重 点 参 考 文 献 1 Wittenburg K. Beam loss monitoring and control[c]. Proceedings of EPAC 2002, Paris, France, Goettmann W, Korfer M. Beam loss position monitor using cerenkov radiation in optical fibers[c]. Proceedings of DIPAC 2005, Lyon, France, Giovenale D Di. On-line beam loss position monitor for SPARC[C]. Proceedings of FEL2009, Liverpool, UK, Wulf F, Korfer M. Beam loss and beam profile monitoring with optical fibers[c]. Proceedings of DIPAC09, Basel, Switzerland, Marenchal X M. Beam based development of a fiber beam loss monitor for the SPring-8/XFEL[C]. Proceedings of DIPAC09, Basel, Switzerland, Marechal X M, Itoga T. First operation of a fiber beam loss monitor at the SCALA FEL[C]. Proceedings of IPAC2011, San Sebastian, Spain, Obina T. Optical-fiber beam loss monitor for the KEK photon factory[c]. Proceedings of IBIC12, Tsukuba, Japan,

7 刘 畅 等 : 基 于 切 伦 科 夫 原 理 的 光 纤 束 损 探 测 系 统 研 制 Development of fiber beam loss monitor based on Cerenkov principle LIU Chang 1,2 LENG Yongbin 1 YU Luyang 1 ZHOU Weimin 1 1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai , China) 2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing , China) Abstract Background: A new type of beam loss monitor (BLM) system is needed in the synchrotron radiation light source or FEL facility to monitor the real-time beam loss inside the small-gap insertion devices. Purpose: A BLM system was developed with optical fiber as the probe to meet the requirements of SSRF. Methods: The whole system consists of a 30-m long step-index fiber, photomultiplier tubes (PMT), a 10-bit 8-GS/s high-speed waveform digitizer and a PXI input-output controller. The software was developed under the Linux system based on Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS). A new measurement and corresponding calculation method were designed to make the system work well with the multi-bunch operation mode in the storage ring of SSRF. Results: The BLM system worked well at SSRF. And the results of beam experiments showed that the system could detect beam loss properly even at the 1-mA low current case. Conclusions: This system could be used in the detection of beam loss dose and position. In the experiments the counts of light pulses can be used as a rough estimation of beam loss dose. The noise floor is about 3.56% of the total count in the 220-mA top-up user operation mode. Key words Beam loss monitor, Fiber, Cerenkov radiation, EPICS CLC TL