第 36 卷 第 8 期 核 技 术 Vol. 36, No.8 2013 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 201800) 2( 中 国 科 学 院 大 学 北 京 100049) 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: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.080102 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,E-mail: leng@sinap.ac.cn 收 稿 日 期 :2013-04-01, 修 回 日 期 :2013-04-19 080102-1
核 技 术 2013, 36(8): 080102 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 2.2.1 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 080102-2
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. 2.2.2 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 1 0.01 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 H10721-01 型 光 电 倍 增 管, 其 主 要 技 术 参 数 如 表 1 型 号 Type No. H107 21-01 表 1 H10721-01 主 要 技 术 指 标 Table 1 Specification of H10721-01. 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 230 870 0.57 1 300 600 光 电 倍 增 管 工 作 需 要 外 接 一 个 5 V 的 直 流 电 源 和 一 个 0.5 1.1 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 080102-3
核 技 术 2013, 36(8): 080102 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. 080102-4
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 0 6 300 停 机 维 护 1 13 531 机 器 研 究 10 34 663 机 器 研 究 100 215 417 机 器 研 究 140 361 998 机 器 研 究 220 177 051 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 1 173 653 2 170 210 3 173 535 4 167 026 5 176 134 6 176 279 7 165 896 8 178 082 9 180 969 10 174 346 11 179 545 12 179 682 13 173 618 14 183 945 15 179 275 16 177 923 17 179 963 18 180 315 19 169 776 20 167 230 080102-5
核 技 术 2013, 36(8): 080102 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, 2002 2 Goettmann W, Korfer M. Beam loss position monitor using cerenkov radiation in optical fibers[c]. Proceedings of DIPAC 2005, Lyon, France, 2005 3 Giovenale D Di. On-line beam loss position monitor for SPARC[C]. Proceedings of FEL2009, Liverpool, UK, 2009 4 Wulf F, Korfer M. Beam loss and beam profile monitoring with optical fibers[c]. Proceedings of DIPAC09, Basel, Switzerland, 2009 5 Marenchal X M. Beam based development of a fiber beam loss monitor for the SPring-8/XFEL[C]. Proceedings of DIPAC09, Basel, Switzerland, 2009 6 Marechal X M, Itoga T. First operation of a fiber beam loss monitor at the SCALA FEL[C]. Proceedings of IPAC2011, San Sebastian, Spain, 2011 7 Obina T. Optical-fiber beam loss monitor for the KEK photon factory[c]. Proceedings of IBIC12, Tsukuba, Japan, 2012 080102-6
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 201800, China) 2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, 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 TL506 080102-7