高 波 賴龍偉 劉曉慶 曹珊珊 冷用斌

（中國科學(xué)院上海高等研究院上海光源科學(xué)中心 上海201210）

上海光源是中國大陸第一個三代同步輻射光源，建成11年來已經(jīng)完成了大量的研究工作。正在進行的上海光源二期擴容工程，主要建設(shè)內(nèi)容包括新建16 條光束線和25 個實驗站、實驗輔助系統(tǒng)、光源性能拓展等。工程圍繞能源、環(huán)境、材料、凝聚態(tài)物理、地球科學(xué)、化學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域的重大科學(xué)和技術(shù)問題，以大幅提升上海光源整體實驗?zāi)芰槟繕耍略?0多種實驗方法，實現(xiàn)近極限分辨（時間/空間/能量/動量）的第三代同步輻射光源實驗技術(shù)，實現(xiàn)創(chuàng)新的光子能區(qū)交匯組合和超長站廳實驗技術(shù)，實現(xiàn)在線/離線的綜合實驗?zāi)芰Γ?］。

上海光源線站工程建設(shè)中提出了時間分辨實驗和特殊時間結(jié)構(gòu)填充模式的需求。為了滿足這一要求，未來上海光源將會是混雜（Hybrid）模式，屆時將會在現(xiàn)有4 個束團串填充基礎(chǔ)上，選擇其中一個空白區(qū)域注入時間分辨實驗的探針束團。期望能做到在探測時間窗口內(nèi)除了探針束團發(fā)出的同步光外不再有其他干擾，需要保證在特殊束團周圍的高頻俘獲區(qū)中沒有電子。而在實際運行中，一方面，束團從電子槍激發(fā)出后，在加速過程中由于加速誤差，一部分電子會被探針束團鄰近的高頻俘獲區(qū)捕獲，從而導(dǎo)致束團純度變差；另一方面，在儲存環(huán)中，由于束內(nèi)散射的作用，相鄰高頻俘獲區(qū)也會有少量電子。因此，在高時間分辨實驗中填充模式的準確測量非常重要，純度測量需求由此而生。束團純度通常定義為主束團相鄰高頻俘獲區(qū)內(nèi)流強與主束團流強之比，純度通常希望到達10-5甚至更好。

1 純度測量原理

填充模式測量需要準確地測得儲存環(huán)中所有束團電荷量分布情況。常見的束流電荷量測量系統(tǒng)（Beam Charge Monitor，BCM）是基于束流位置測量探頭（Beam Position Monitor，BPM）［2-6］。BPM 探頭各電極和信號表征了電荷量的變化，配合上高速采集板卡該方法可以實現(xiàn)逐束團電荷量測量。傳統(tǒng)BCM的缺點是由于阻抗不匹配導(dǎo)致的反射信號、采集設(shè)備帶寬限制導(dǎo)致的束團間串?dāng)_以及采集設(shè)備有效位數(shù)限制等因素會使得測量精度和時間分辨能力降低，分辨率最好僅能到萬分之二左右。因此，基于BPM 探頭的逐束團電荷量測量系統(tǒng)無法滿足束團純度測量的分辨率要求。

基于同步光信號和時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)的純度測量技術(shù)被引入，分辨率相對較高。英國Diamond、美 國SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）及國內(nèi)北京正負電子對撞機等裝置均采用了這種方法進行束團純度測量［7-11］。

1.1 時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)

時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)（Time-correlated Single Photon Counting，TCSPC）具有時間分辨本領(lǐng)好、靈敏度高、測量精度高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點［12-13］。光子計數(shù)技術(shù)是一種計量離散的光子脈沖的數(shù)字技術(shù)，它所探測光電流強度比光電檢測器本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低，用通常的直流檢測方法很難提取出來。光子計數(shù)方法利用弱光照射下光子探測器輸出電信號自然離散的特點，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計數(shù)技術(shù)把極弱的信號識別并提取出來。光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）在輸入光強比較強的時候輸出有漲落的直流量，而當(dāng)光較弱時輸出光電流不再連續(xù)，輸入光極弱的時候會輸出離散的脈沖，此時光電倍增管的輸出脈沖可被單光子計數(shù)器識別和提取。

時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)還具有的性能是可測量光子到達探測器與參考信號之間的時間間隔。

1.2 同步光診斷技術(shù)

電子束團在同步輻射光源的儲存環(huán)中以接近于光速的速度運動，從彎轉(zhuǎn)磁鐵處沿切線方向發(fā)射出的同步光脈沖可以提供給用戶進行各項實驗；同時由于同步光脈沖的縱向長度、相位和橫向截面尺寸與電子束團相同，利用同步光配合光學(xué)器件來監(jiān)測束團的縱向、橫向截面尺寸以及發(fā)射度等束流參數(shù)的診斷方法稱為同步光診斷。同步光診斷技術(shù)具有對加速器束流無任何阻攔的優(yōu)點，能直接監(jiān)測電子束團的時間結(jié)構(gòu)，并且能夠準確真實地反映出束團中電荷的分布。因此同步光診斷方法成為了束流測量系統(tǒng)中研究束流不穩(wěn)定性的一個重要有力手段。

上海光源目前建有可見光和X射線兩條診斷線站，在原有同步光診斷線（可見光）上基于光電倍增管和時間相關(guān)單光子計數(shù)器搭建了一套束團純度測量系統(tǒng)，本文介紹了測量系統(tǒng)的搭建、系統(tǒng)性能的驗證與優(yōu)化以及相關(guān)的束流實驗結(jié)果。

2 系統(tǒng)搭建

2.1 系統(tǒng)硬件

整套系統(tǒng)硬件包含：同步光引出端、光學(xué)前端、光電倍增管、電子學(xué)前端、光子計數(shù)器等組成。

同步光引出端主要是基于上海光源原有診斷線（可見光波段），引出光中心波長為530 nm。光學(xué)前端主要的目的是將引出的同步光衰減到極弱，以保證PMT 輸出信號為可被光子計數(shù)器識別的脈沖信號。前端中主要部件包括：光闌、窄帶單色器、光衰減片。光學(xué)前端需要將同步光衰減至單光子，上海光源流強一般為200～300 mA，同步光的可見光功率約為0.3 mW，也就是1015photons·s-1量級，而衰減至單光子應(yīng)為105photons·s-1量級，因此前端衰減系數(shù)應(yīng)為1010量級。

同步光經(jīng)光學(xué)前端衰減后將打到PMT上，本系統(tǒng)PMT采用了日本濱松公司的E3059-500型光電倍增管，參數(shù)如表1 所示。其電子學(xué)前端主要是放大器，選用了濱松公司C5594 放大器。單光子計數(shù)器采用了PicoHarp 300，參數(shù)如表1所示。儲存環(huán)定時系統(tǒng)產(chǎn)生的回旋頻率（694 kHz）信號作為其觸發(fā)信號，定時信號通過數(shù)字可調(diào)延時器（斯坦福DG645）進行前后調(diào)整，使得PMT信號最大值輸入給單光子計數(shù)器。測量光子到達探測器與觸發(fā)信號間的間隔，并進行計數(shù)，經(jīng)過一段時間（s 或min 量級）得到光子分布曲線，也即儲存環(huán)中束團電荷分布曲線。

表1 E3059-500型光電倍增管和PicoHarp300參數(shù)Table 1 Fundamental parameters of E3059-500 PMT and PicoHarp300

整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 上海光源束團純度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of bunch purity measurement system at SSRF

基于時間分辨的單光子計數(shù)方法中非常重要的一項工作是背景光噪聲的去除。同步光進入PMT前需要將其衰減到單光子，背景光的存在會直接影響純度測量精度，因此需要對背景光進行屏蔽。本系統(tǒng)在光學(xué)平臺上搭建了一套黑盒對背景噪聲進行屏蔽，如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)軟件

軟件部分主要功能是設(shè)置光子計數(shù)器參數(shù)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理以及基于實驗物理與工業(yè)控制系統(tǒng)（Experimental Physics And Industrial Control System，EPICS）的輸入輸出控制器（Input Output Controller，IOC）和上層用戶界面展示。

圖2 背景光噪聲屏蔽黑盒Fig.2 Black box for background light noise shieling

光子計數(shù)器的參數(shù)設(shè)置最重要的是時間分辨率的設(shè)置，PicoHarp300時間分辨率設(shè)置需為2 ps的整數(shù)次方，單次最大計數(shù)次數(shù)為65 536，而本系統(tǒng)觸發(fā)頻率為694 kHz（儲存環(huán)逐圈周期為1.44 μs），因此本系統(tǒng)時間分辨率設(shè)置為32 ps。

數(shù)據(jù)處理中需要提取全環(huán)束團的電荷量分布，由于正常供光下上海光源縱向相位（到達時間）的抖動在ps量級，因此束團峰值會分布在單個計數(shù)區(qū)間內(nèi)，綜合考慮信噪比，本系統(tǒng)單束團電荷量提取采用峰值提取法。同時為了電荷量標定，本系統(tǒng)同步采集了儲存環(huán)流強探測器（DC Current Transformer，DCCT）的數(shù)值，實現(xiàn)束團電荷量的實時標定。

為了實現(xiàn)與儲存環(huán)主控制網(wǎng)的連接，系統(tǒng)基于EPICS 搭建了IOC，并在中控室搭建了用戶界面控制端（Operator Interface，OPI），可實現(xiàn)束團電荷量分布和純度數(shù)據(jù)的展示，以及系統(tǒng)參數(shù)的配置，界面示意如圖3所示。

用戶界面中圖3左上圖是單光子計數(shù)器的實時累積原始數(shù)據(jù)，圖3 右上圖為讀數(shù)累積到所設(shè)置的閾值的時候的每個束團最大值轉(zhuǎn)換為填充模式，左下圖為用儲存環(huán)直流流強監(jiān)測系統(tǒng)實時標定出的每個束團的電荷量分布圖。界面右下方為整個系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和展示區(qū)域，包含束團編號調(diào)整、觸發(fā)電平設(shè)置、光子數(shù)累積最大閾值設(shè)置、時間分辨率設(shè)置，還包括輸入計數(shù)時鐘頻率、實際計數(shù)頻率和純度值展示。

3 純度測量分辨率性能評估

圖3 上海光源束團純度測量系統(tǒng)用戶界面Fig.3 OPI of bunch purity measurement system at SSRF

目前上海光源尚未工作在Hybrid 模式下，束團分布為500個束團分布在4個大束團串中，并且尚未啟用束團純化系統(tǒng)，束團純度無法保證。為了評估純度測量分辨能力，申請了專門的機器研究時間，在儲存環(huán)中僅注入兩三個束團情況下，比較容易在距離束團位置較遠處找到純度非常好的地方，據(jù)此可以來搭建評估束團測量系統(tǒng)的分辨率的束流條件。束團分布（30 s累積）如圖4所示。

圖4 注入少量束團后，束團純度測量系統(tǒng)測得的束團分布Fig.4 Bunch distribution signal of bunch purity measurement system after only a few bunches injected into the storage ring

本次評估實驗中，由于純化系統(tǒng)尚未工作，儲存環(huán)中純度較差，對于純度測量分辨率的評估不利。本文為了評估系統(tǒng)分辨率，在特殊填充模式下選擇測量最高電荷量束團的計數(shù)與儲存環(huán)中最低處計數(shù)之比作為衡量系統(tǒng)所能測得最小的純度大小。在約2 min 的累積計數(shù)后，純度測量系統(tǒng)分辨率可達2×10-6量級；在約5 min 的累積計數(shù)后分辨率可達10-7量級。據(jù)此，時間累積會使得純度測量更準確，10-6次方數(shù)量級的測試需求本系統(tǒng)可在幾分鐘乃至幾十秒內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)刷新。

4 束團純度測量系統(tǒng)應(yīng)用實驗

驗證了本系統(tǒng)的時間分辨和純度分辨性能后，在此條件下，進行了一些束團純度測量系統(tǒng)的應(yīng)用探索：1）基于系統(tǒng)的時間分辨能力，探索了基于該系統(tǒng)的束團縱向分布半高寬的測量；2）基于系統(tǒng)的純度分辨率，初步對比了一下相同流強條件，不同填充模式下，對長束團串與短束團串的純度進行了對比。

4.1 束團縱向分布半高寬測量

基于時間分辨的單光子計數(shù)技術(shù)，從統(tǒng)計角度光子到達PMT 時間的概率與同步光的強度分布一致，因此在以回旋頻率信號作為外觸發(fā)時，通過積累一定時間后，可以描繪出束團的縱向分布。圖5 展示了單個束團的束團縱向分布圖。

圖5 束團純度測量系統(tǒng)原始信號圖 (a)束團全分布，(b)單束團縱向分布Fig.5 Original signal of bunch purity measurement system (a)Bunch distribution,(b)Longitudinal distribution of single bunch

在皮秒量級的時間分辨能力下，系統(tǒng)可以用來測量束團縱向半高寬，當(dāng)然由于束團的震蕩和電子學(xué)的時鐘抖動等影響，該系統(tǒng)只能用于束團長度的平均相對測量，測量到的束團縱向半高寬約為65 ps。束團縱向半高寬分布如圖6所示。

該系統(tǒng)用于束團長度測量的研究還需要將PicoHarp300 的時間分辨能力調(diào)至其最優(yōu)的2 ps 再進行進一步的研究。

4.2 同一流強，不同注入模式下純度研究

為了研究不同注入模式對于束團純度的影響，本文在機器研究中先按照正常供光模式注入了約60 mA 流強的束流，后又在儲存環(huán)中注入了相同流強的束流，束團數(shù)相同，不同的是注入模式不同，束團分布圖如圖7所示。

圖6 儲存環(huán)正常供光下束團縱向分布半高寬沿束團的分布圖Fig.6 FWHM of longitudinal distribution of bunches under normal photon supply of storage ring

從圖7結(jié)果看，4個束團串條件下束團串純度約為5×10-4，長束團串為3×10-4，不同的填充模式對純度存在影響，純度測量系統(tǒng)在后續(xù)的注入模式優(yōu)化中可以起到作用。

5 結(jié)語

本文基于上海光源同步光診斷線與時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)搭建了一套儲存環(huán)束團純度測量系統(tǒng)，通過性能評估實驗完成了系統(tǒng)的性能的評估。束團純度分辨在2 min 累積下可達10-6量級，在5 min累積條件下可達10-7量級。

圖7 相同流強、不同注入模式束團電荷量分布 (a)正常供光填充模式下，(b)單一長束團串下Fig.7 Bunch charge distribution diagram under different filling pattern at same current (a)Under normal filling pattern,(b)Bunch charge distribution diagram of single bunch train

基于搭建的束團純度測量系統(tǒng)，進行了相關(guān)應(yīng)用研究。探索了基于單光子計數(shù)法的束團縱向分布測量；對比了同一流強，不同注入模式的純度數(shù)據(jù)。未來將利用該系統(tǒng)進行束團縱向參數(shù)測量的進一步研究。

致謝感謝中國科學(xué)院高能物理研究所何俊博士和美國SLAC國家實驗室Jeff Corbett博士提供的指導(dǎo)和幫助。