楊桂森 冷用斌 賴龍偉 俞路陽 袁任賢 閻映炳

上海光源逐束團(tuán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制

楊桂森1,2冷用斌1賴龍偉1俞路陽1袁任賢1閻映炳1

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

為進(jìn)一步提升光源性能，需要對加速器非線性束流動力學(xué)問題、寬帶束流阻抗問題、恒流模式下注入脈沖引入的束流位置擾動問題進(jìn)行研究，從而優(yōu)化新增設(shè)備阻抗、優(yōu)化束團(tuán)填充模式、優(yōu)化注入模式，提高不穩(wěn)定性流強(qiáng)閾值。而逐束團(tuán)診斷技術(shù)的研究，是達(dá)成上述目標(biāo)的技術(shù)基礎(chǔ)。上海光源研制了一套逐束團(tuán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由RF前端、數(shù)據(jù)采集卡和EPICS軟件三部分組成。RF前端將束團(tuán)信號展寬到2ns，利用四路采樣率為125MHz的ADC組成等效的500MHz逐束團(tuán)采樣，利用EPICS實現(xiàn)后續(xù)信號處理。在線測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測逐束團(tuán)位置信息，并可獲得逐束團(tuán)工作點，為機(jī)器研究提供了有力手段。

逐束團(tuán)，數(shù)據(jù)采集，RF前端，等效采樣，束團(tuán)位置

多束團(tuán)不穩(wěn)定性會導(dǎo)致束流品質(zhì)的下降，研究束流不穩(wěn)定性對提高上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF)性能有重要意義。SSRF儲存環(huán)中主要的不穩(wěn)定性為真空室阻抗不穩(wěn)定性和高頻加速腔的高次模帶來的不穩(wěn)定性。觀察束流運動的傳統(tǒng)方法是利用頻譜儀掃描回旋頻率諧波附近的同步和橫向振蕩邊帶，或者監(jiān)測平均軌道變動，即閉軌和逐圈測量[1]。這些方法都屬于窄帶測量，無法實現(xiàn)對逐束團(tuán)的精確測量。發(fā)展高速的寬帶測量技術(shù)，即逐束團(tuán)測量，也稱“暫態(tài)”測量[2]是目前束流診斷技術(shù)的發(fā)展方向。

SSRF研制的逐束團(tuán)位置檢測系統(tǒng)除可在線測量儲存環(huán)逐束團(tuán)橫向位置外，還可進(jìn)行逐束團(tuán)工作點的實時檢測，是進(jìn)行束流不穩(wěn)定性研究，提高同步輻射光源性能的有力工具。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1SSRF主要參數(shù)

上海光源是第三代同步輻射裝置，它由150 MeV直線加速器、3.5 GeV增強(qiáng)器和3.5 GeV儲存環(huán)組成。儲存環(huán)回旋頻率為693.964 kHz，可填充720個束團(tuán)，RF頻率為499.654 MHz。研制的逐束團(tuán)處理器將束團(tuán)展寬到2 ns后進(jìn)行采樣處理，因此也可應(yīng)用于束團(tuán)間隔為2 ns的其他加速器中。

1.2系統(tǒng)設(shè)計

首先對四電極BPM探頭斜對角的一組信號做差運算，然后進(jìn)行帶通濾波。同時，對四個電極輸出的信號先做和運算然后進(jìn)行帶通濾波作為混頻本振。兩路信號進(jìn)行混頻，獲得基帶信號。基帶信號包含了水平和垂直信息，利用ICS1554數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采樣和頻域處理可分離出兩個方向信息。ICS1554的最高采樣頻率為160 MHz，采用四分頻的高頻信號作為外接采樣時鐘(約125 MHz)。同時編寫了兩個IOC應(yīng)用程序，一個用于采集200000圈逐束團(tuán)數(shù)據(jù)用于離線分析；另一個采集了1024圈逐束團(tuán)數(shù)據(jù)，可實時顯示單束團(tuán)、多束團(tuán)的時頻域信息和工作點。系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 上海光源逐束團(tuán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of bunch-by-bunch data acquisition system in SSRF.

1.3測量原理

圖2為帶束流的BPM和真空室示意圖，采用極坐標(biāo)進(jìn)行分析。電極上某點的位置為(b,φw)，束流位置(r,θ)，r0為真空室半徑，b為電極到真空室的距離，φ為電極張角。

b接近r0時，采用靜電鏡象法獲得電極上的壁電流密度為[3]：

圖2 帶束流的BPM和真空室示意圖Fig.2 BPM with beam and vacuum chamber.

兩電極差信號：

式中，x=rcosθ是束流水平方向位置。差信號包含流強(qiáng)和位置信息，在數(shù)據(jù)采集期間流強(qiáng)視為不變，差信號大小反映了束流位置。

1.4RF前端

RF前端主要實現(xiàn)以下功能：A、C兩路差運算，四路信號和運算，帶通濾波，混頻，低通濾波以及信號的衰減和放大等，最終將BPM輸出的脈寬僅為幾十ps的雙極脈沖信號擴(kuò)展到2 ns且包含束團(tuán)位置信息的基帶信號。前端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3。

其中，Hybrid H-183-4將A、C兩路BPM探頭信號做差運算，由三根不等長電纜組成的帶通濾波器中心頻率為1.5 GHz，帶寬約500 MHz。選擇1.5GHz為中心頻率是因為在該頻率處(3倍RF頻率)BPM輸出的信號響應(yīng)較大，可以得到比較高的信噪比?；祛l本振采用經(jīng)過同樣處理的和信號，混頻后位置信號被搬移到基帶，然后利用 450 MHz帶寬的低通濾波器濾除高頻成份。最后，信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆糯蠛蠓殖伤穆费訒r各相差2 ns的信號分別送入四路ADC進(jìn)行數(shù)字化采樣和處理。

1.5數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集卡ICS1554最高采樣頻率為160 MHz，而輸入信號帶寬為499.654 MHz，采用類似串并轉(zhuǎn)換的方法(一路信號用四個ADC進(jìn)行間隔采樣)實現(xiàn)逐束團(tuán)采樣。四根延時各相差2 ns的電纜將一路信號分成四路，四個ADC同時進(jìn)行四分之一RF頻率采樣。由于各路延時相差2 ns，即相差一個束團(tuán)，因此四路ADC可實現(xiàn)對所有束團(tuán)的采樣。束團(tuán)信號在延遲線上的時空分布圖如圖4所示。

由圖4，第一次采樣時ADC1采樣第一個束團(tuán)，ADC2采樣第二個束團(tuán)，ADC3采樣第三個束團(tuán)，ADC4采樣第四個束團(tuán)，第二次采樣時ADC1采樣第五個束團(tuán)，依此類推。通過類似串并轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)了對逐束團(tuán)的采樣，降低了系統(tǒng)對ADC采樣率的要求。

ICS1554是一塊FMC接口的數(shù)據(jù)采集處理板卡，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

除了最高采樣率為160 MHz的四個16位ADC外，板卡還有一片高性能的FPGA芯片可實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，兩片128 K×72的大容量FIFO可存儲大量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的采樣時鐘來自四分頻的RF頻率，保證了對束團(tuán)的同步采樣。板卡有兩種工作模式[4]：工作在持續(xù)模式時，可持續(xù)采集數(shù)據(jù)并通過FIFO輸出，直到停止采樣信號的出現(xiàn)或內(nèi)存已滿；工作在抓取模式時，ADC每觸發(fā)一次采集一段與設(shè)定大小相等的數(shù)據(jù)。

圖3 RF前端內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of RF front end.

圖4 束團(tuán)信號及ADC采樣點在延遲線上的分布Fig.4 Distribution of bunch signal and ADC samples on delay lines.

1.6信號處理

工作在持續(xù)模式時，設(shè)計的EPICS IOC (Input and Output Controller)可采集200000圈逐束團(tuán)數(shù)據(jù)，能夠監(jiān)測整個束流注入過程。大量的數(shù)據(jù)可用于分析束流不穩(wěn)定狀態(tài)，同時保證了足夠高的頻率分辨率。為減少大量數(shù)據(jù)的傳輸時間，并方便使用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，只使用了一個ADC進(jìn)行采樣，即采樣180個束團(tuán)(間隔8ns)，采樣時間持續(xù)288 ms，共獲得68.75 MB數(shù)據(jù)。

工作在抓取模式時，設(shè)計的EPICS IOC除可進(jìn)行束團(tuán)位置測量外，還能同時獲得束團(tuán)的工作點。束團(tuán)工作點是表征束團(tuán)運動不穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。圖6是設(shè)計的EDM面板，其中顯示的是注入過程的信息。圖中左上方兩個圖顯示水平和垂直兩個方向工作點的主頻率成分和第二頻率成分。Time Domain Info指示了處理結(jié)果對應(yīng)的位置是有束團(tuán)還是空的bucket。每個束團(tuán)只采集1024點，因此頻率分辨率不高，觀察不出各束團(tuán)工作點的差別，但當(dāng)橫向反饋系統(tǒng)關(guān)閉時振蕩明顯，能明顯觀測到各束團(tuán)的工作點差異。

圖5 ICS1554框圖Fig.5 Block diagram of ICS1554.

圖6 束團(tuán)信息EDM顯示界面Fig.6 EDM panel of bunch information.

2 束流實驗

在上海光源儲存環(huán)上對系統(tǒng)進(jìn)行了在線測試，系統(tǒng)采集了注入期間的大量逐束團(tuán)位置數(shù)據(jù)用于離線的尾場效應(yīng)分析。儲存環(huán)連續(xù)填充500個束團(tuán)，平均流強(qiáng)為151 mA。

2.1位置測量

從所有原始數(shù)據(jù)中選取最具代表性的五個束團(tuán)(束團(tuán)編號分別為001、070、280、320、500)，繪制其水平方向束流位置時域波形及位置頻譜如圖7所示。對比不同束團(tuán)，可觀察到如下現(xiàn)象：

(1) 束團(tuán)串頭部前300個電荷量為0.3 nC的束團(tuán)，與尾部200個電荷量為0.2 nC的束團(tuán)振動模式有顯著區(qū)別。頭部束團(tuán)可采用單一頻率的簡諧振蕩模型描述，而尾部束團(tuán)受尾場效應(yīng)影響較為明顯，無法用單一模型進(jìn)行描述；

(2) 前300個束團(tuán)的橫向振蕩振幅與束團(tuán)的縱向位置相關(guān)，第1個束團(tuán)的振幅最大，其后的束團(tuán)振幅逐漸減小，直到在第140個束團(tuán)附近開始振幅逐漸增大，在第280個束團(tuán)附近振幅達(dá)到極大值；

(3) 前300個束團(tuán)的橫向振蕩阻尼時間與束團(tuán)的縱向位置相關(guān)，越往后的束團(tuán)阻尼時間越長。

2.2工作點測量

利用本系統(tǒng)可進(jìn)行儲存環(huán)逐束團(tuán)工作點測量，結(jié)果如圖8所示。圖中標(biāo)出了各束團(tuán)對應(yīng)的電荷量和工作點。根據(jù)束流本身特性可知，電荷量越低，束團(tuán)的工作點越高。同時，束團(tuán)受到前面束團(tuán)尾場的近程影響，工作點會按照一定斜率逐漸降低。對于本次測試，前300個束團(tuán)的電荷量在0.25 nC左右，后200個束團(tuán)電荷量則在0.15 nC左右。由圖8，前300個束團(tuán)的工作點逐漸降低，到第300個后會有明顯的躍升，然后再逐漸降低。現(xiàn)象符合加速器特性的預(yù)期，證明系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測逐束團(tuán)的工作點。

圖7 注入期間單束團(tuán)橫向振蕩波形(a)及頻譜(b)Fig.7 Transverse oscillation waveform (a) and corresponding spectrum (b) of individual bunch during injection.

圖8 逐束團(tuán)水平方向工作點及電荷量分布Fig.8 Horizontal tune and bunch charge distribution.

3 結(jié)語

以SSRF儲存環(huán)為背景，結(jié)合實際工程需要，搭建了逐束團(tuán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括射頻器件搭建的RF前端和商用的數(shù)字采集卡兩部分，除可在線獲得逐束團(tuán)位置及其頻譜外，還能進(jìn)行逐束團(tuán)工作點測量。對系統(tǒng)進(jìn)行了在線測試，結(jié)果顯示系統(tǒng)能正確的實時獲得逐束團(tuán)位置信息和工作點信息，而對采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析可監(jiān)視整個注入過程和分析束團(tuán)尾場效應(yīng)。

數(shù)據(jù)采集處理板卡還有大量的FPGA剩余資源可使用，為后續(xù)加入其他算法獲取更多參數(shù)提供有利條件。比如可考慮利用FPGA實現(xiàn)工作點的測量，具體內(nèi)容可參考APS和SPS的工作點測量系統(tǒng)[5?7]。另外，如果改變RF前端的結(jié)構(gòu)，并使用多個數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行同步采集，可實現(xiàn)更多信號處理。

1 王筠華, 劉建宏, 孫葆根, 等. 逐圈測量系統(tǒng)的定標(biāo)和新近實驗結(jié)果[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2004, 16(5): 672?676

WANG Junhua, LIU Jianhong, SUN Baogen, et al. Calibration of turn-by-turn system and new testing results[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2004, 16(5): 672?676

2 Fox J D. Beam measurement: bunch feedback systems and signal processing[M]. Singapore: World Scientific, 1999: 579?620

3 孫葆根. 加速器中束流診斷技術(shù)講義[M]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2008: 1?5

SUN Baogen. Accelerator beam diagnostic[M]. University of Science and Technology of China, 2008: 1?5

4 Hardware Reference Manual ICS-1554 Operating Manual[M]. Publication Number: E11435. 2008: 13?14

5 Yao C Y, Norum W E, Wang J. An FPGA-based tune measurement system for the APS booster synchrotron[C]. Proc. of BIW08, Tahoe City, California. 2008: 303?306

6 Yao C Y, Chae Y X. An FPGA-based bunch-by-bunch tune measurement system for the APS storage ring[C]. Proc. of BIW10, Santa Fe, New Mexico, US. 2010: 315?317

7 Boccardi A, Gasior M, Jones O R, et al. The FPGA-based continuous FFT tune measurement system for the LHC and its test at the CEM SPS[C]. Proc. of PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA. 2007: 4204?4206

CLCTL506

Research of bunch by bunch data acquisition system in SSRF

YANG Guisen1,2LENG Yongbin1LAI Longwei1YU Luyang1YUAN Renxian1YAN Yingbing1
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)

Background:In order to improve the synchrotron performance in the constant current mode, attentions should be paid to problems such as non-linear beam dynamics, broadband beam impedance, and position disturbance, etc.Purpose:To address these problems, a bunch by bunch data acquisition system (BBDAQ) is implemented for real-time bunch position monitoring, as well as the off-line data analysis for the Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) storage ring. It can be applied to optimize new equipment impedance, filling pattern, injection mode, and raise threshold value of current instability.Methods:This BBDAQ developed at SSRF consists a RF front end to filter and expand bunch signal to 2 ns, a data acquisition and processing card to sample bunch signal with four 125-MHz ADCs, which make an equivalent 500-MHz sampling rate, and the EPICS for post-processing to give bunch position and tune value.Results:Online experimental results show that the system can measure bunch by bunch position and tune value successfully.Conclusion:The development of bunch by bunch data acquisition system provides an efficient tool to analyze beam impedance, coupling instability, nonlinear dynamics. It makes further improvement of synchrotron performance visible.

Bunch by bunch, Data acquisition, RF front end, Equivalent sampling, Bunch position

TL506

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.120101

國家自然科學(xué)基金(No.11075198)資助

楊桂森，男，1985年出生，2011年于中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所獲碩士學(xué)位，信號與信息處理專業(yè)

賴龍偉，E-mail: lailongwei@sinap.ac.cn

2013-08-13，

2013-09-12