高 波 賴龍偉 劉曉慶 曹珊珊 冷用斌

（中國(guó)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(guó)大陸第一個(gè)三代同步輻射光源，建成11年來(lái)已經(jīng)完成了大量的研究工作。正在進(jìn)行的上海光源二期擴(kuò)容工程，主要建設(shè)內(nèi)容包括新建16 條光束線和25 個(gè)實(shí)驗(yàn)站、實(shí)驗(yàn)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(wèn)題，以大幅提升上海光源整體實(shí)驗(yàn)?zāi)芰槟繕?biāo)，新增60多種實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)近極限分辨（時(shí)間/空間/能量/動(dòng)量）的第三代同步輻射光源實(shí)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的光子能區(qū)交匯組合和超長(zhǎng)站廳實(shí)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線/離線的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?］。

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

1 純度測(cè)量原理

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

基于同步光信號(hào)和時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)的純度測(cè)量技術(shù)被引入，分辨率相對(duì)較高。英國(guó)Diamond、美 國(guó)SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）及國(guó)內(nèi)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等裝置均采用了這種方法進(jìn)行束團(tuán)純度測(cè)量［7-11］。

1.1 時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)

時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)（Time-correlated Single Photon Counting，TCSPC）具有時(shí)間分辨本領(lǐng)好、靈敏度高、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)［12-13］。光子計(jì)數(shù)技術(shù)是一種計(jì)量離散的光子脈沖的數(shù)字技術(shù)，它所探測(cè)光電流強(qiáng)度比光電檢測(cè)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(cè)方法很難提取出來(lái)。光子計(jì)數(shù)方法利用弱光照射下光子探測(cè)器輸出電信號(hào)自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)把極弱的信號(hào)識(shí)別并提取出來(lái)。光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）在輸入光強(qiáng)比較強(qiáng)的時(shí)候輸出有漲落的直流量，而當(dāng)光較弱時(shí)輸出光電流不再連續(xù)，輸入光極弱的時(shí)候會(huì)輸出離散的脈沖，此時(shí)光電倍增管的輸出脈沖可被單光子計(jì)數(shù)器識(shí)別和提取。

時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)還具有的性能是可測(cè)量光子到達(dá)探測(cè)器與參考信號(hào)之間的時(shí)間間隔。

1.2 同步光診斷技術(shù)

電子束團(tuán)在同步輻射光源的儲(chǔ)存環(huán)中以接近于光速的速度運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)；同時(shí)由于同步光脈沖的縱向長(zhǎng)度、相位和橫向截面尺寸與電子束團(tuán)相同，利用同步光配合光學(xué)器件來(lái)監(jiān)測(cè)束團(tuán)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(duì)加速器束流無(wú)任何阻攔的優(yōu)點(diǎn)，能直接監(jiān)測(cè)電子束團(tuán)的時(shí)間結(jié)構(gòu)，并且能夠準(zhǔn)確真實(shí)地反映出束團(tuán)中電荷的分布。因此同步光診斷方法成為了束流測(cè)量系統(tǒng)中研究束流不穩(wěn)定性的一個(gè)重要有力手段。

上海光源目前建有可見(jiàn)光和X射線兩條診斷線站，在原有同步光診斷線（可見(jiàn)光）上基于光電倍增管和時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器搭建了一套束團(tuán)純度測(cè)量系統(tǒng)，本文介紹了測(cè)量系統(tǒng)的搭建、系統(tǒng)性能的驗(yàn)證與優(yōu)化以及相關(guān)的束流實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jiàn)光波段），引出光中心波長(zhǎng)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(hào)為可被光子計(jì)數(shù)器識(shí)別的脈沖信號(hào)。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(qiáng)一般為200～300 mA，同步光的可見(jiàn)光功率約為0.3 mW，也就是1015photons·s-1量級(jí)，而衰減至單光子應(yīng)為105photons·s-1量級(jí)，因此前端衰減系數(shù)應(yīng)為1010量級(jí)。

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(jì)數(shù)器采用了PicoHarp 300，參數(shù)如表1所示。儲(chǔ)存環(huán)定時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的回旋頻率（694 kHz）信號(hào)作為其觸發(fā)信號(hào)，定時(shí)信號(hào)通過(guò)數(shù)字可調(diào)延時(shí)器（斯坦福DG645）進(jìn)行前后調(diào)整，使得PMT信號(hào)最大值輸入給單光子計(jì)數(shù)器。測(cè)量光子到達(dá)探測(cè)器與觸發(fā)信號(hào)間的間隔，并進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（s 或min 量級(jí)）得到光子分布曲線，也即儲(chǔ)存環(huán)中束團(tuán)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(tuán)純度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of bunch purity measurement system at SSRF

基于時(shí)間分辨的單光子計(jì)數(shù)方法中非常重要的一項(xiàng)工作是背景光噪聲的去除。同步光進(jìn)入PMT前需要將其衰減到單光子，背景光的存在會(huì)直接影響純度測(cè)量精度，因此需要對(duì)背景光進(jìn)行屏蔽。本系統(tǒng)在光學(xué)平臺(tái)上搭建了一套黑盒對(duì)背景噪聲進(jìn)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(jì)數(shù)器參數(shù)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理以及基于實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)器的參數(shù)設(shè)置最重要的是時(shí)間分辨率的設(shè)置，PicoHarp300時(shí)間分辨率設(shè)置需為2 ps的整數(shù)次方，單次最大計(jì)數(shù)次數(shù)為65 536，而本系統(tǒng)觸發(fā)頻率為694 kHz（儲(chǔ)存環(huán)逐圈周期為1.44 μs），因此本系統(tǒng)時(shí)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(tuán)的電荷量分布，由于正常供光下上海光源縱向相位（到達(dá)時(shí)間）的抖動(dòng)在ps量級(jí)，因此束團(tuán)峰值會(huì)分布在單個(gè)計(jì)數(shù)區(qū)間內(nèi)，綜合考慮信噪比，本系統(tǒng)單束團(tuán)電荷量提取采用峰值提取法。同時(shí)為了電荷量標(biāo)定，本系統(tǒng)同步采集了儲(chǔ)存環(huán)流強(qiáng)探測(cè)器（DC Current Transformer，DCCT）的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)束團(tuán)電荷量的實(shí)時(shí)標(biāo)定。

為了實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)束團(tuán)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(jì)數(shù)器的實(shí)時(shí)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(shí)候的每個(gè)束團(tuán)最大值轉(zhuǎn)換為填充模式，左下圖為用儲(chǔ)存環(huán)直流流強(qiáng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)標(biāo)定出的每個(gè)束團(tuán)的電荷量分布圖。界面右下方為整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和展示區(qū)域，包含束團(tuán)編號(hào)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(shí)間分辨率設(shè)置，還包括輸入計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率、實(shí)際計(jì)數(shù)頻率和純度值展示。

3 純度測(cè)量分辨率性能評(píng)估

圖3 上海光源束團(tuán)純度測(cè)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(tuán)分布為500個(gè)束團(tuán)分布在4個(gè)大束團(tuán)串中，并且尚未啟用束團(tuán)純化系統(tǒng)，束團(tuán)純度無(wú)法保證。為了評(píng)估純度測(cè)量分辨能力，申請(qǐng)了專門的機(jī)器研究時(shí)間，在儲(chǔ)存環(huán)中僅注入兩三個(gè)束團(tuán)情況下，比較容易在距離束團(tuán)位置較遠(yuǎn)處找到純度非常好的地方，據(jù)此可以來(lái)搭建評(píng)估束團(tuán)測(cè)量系統(tǒng)的分辨率的束流條件。束團(tuán)分布（30 s累積）如圖4所示。

圖4 注入少量束團(tuán)后，束團(tuán)純度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的束團(tuán)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(píng)估實(shí)驗(yàn)中，由于純化系統(tǒng)尚未工作，儲(chǔ)存環(huán)中純度較差，對(duì)于純度測(cè)量分辨率的評(píng)估不利。本文為了評(píng)估系統(tǒng)分辨率，在特殊填充模式下選擇測(cè)量最高電荷量束團(tuán)的計(jì)數(shù)與儲(chǔ)存環(huán)中最低處計(jì)數(shù)之比作為衡量系統(tǒng)所能測(cè)得最小的純度大小。在約2 min 的累積計(jì)數(shù)后，純度測(cè)量系統(tǒng)分辨率可達(dá)2×10-6量級(jí)；在約5 min 的累積計(jì)數(shù)后分辨率可達(dá)10-7量級(jí)。據(jù)此，時(shí)間累積會(huì)使得純度測(cè)量更準(zhǔn)確，10-6次方數(shù)量級(jí)的測(cè)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(tuán)純度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證了本系統(tǒng)的時(shí)間分辨和純度分辨性能后，在此條件下，進(jìn)行了一些束團(tuán)純度測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用探索：1）基于系統(tǒng)的時(shí)間分辨能力，探索了基于該系統(tǒng)的束團(tuán)縱向分布半高寬的測(cè)量；2）基于系統(tǒng)的純度分辨率，初步對(duì)比了一下相同流強(qiáng)條件，不同填充模式下，對(duì)長(zhǎng)束團(tuán)串與短束團(tuán)串的純度進(jìn)行了對(duì)比。

4.1 束團(tuán)縱向分布半高寬測(cè)量

基于時(shí)間分辨的單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，從統(tǒng)計(jì)角度光子到達(dá)PMT 時(shí)間的概率與同步光的強(qiáng)度分布一致，因此在以回旋頻率信號(hào)作為外觸發(fā)時(shí)，通過(guò)積累一定時(shí)間后，可以描繪出束團(tuán)的縱向分布。圖5 展示了單個(gè)束團(tuán)的束團(tuán)縱向分布圖。

圖5 束團(tuán)純度測(cè)量系統(tǒng)原始信號(hào)圖 (a)束團(tuán)全分布，(b)單束團(tuán)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(jí)的時(shí)間分辨能力下，系統(tǒng)可以用來(lái)測(cè)量束團(tuán)縱向半高寬，當(dāng)然由于束團(tuán)的震蕩和電子學(xué)的時(shí)鐘抖動(dòng)等影響，該系統(tǒng)只能用于束團(tuán)長(zhǎng)度的平均相對(duì)測(cè)量，測(cè)量到的束團(tuán)縱向半高寬約為65 ps。束團(tuán)縱向半高寬分布如圖6所示。

該系統(tǒng)用于束團(tuán)長(zhǎng)度測(cè)量的研究還需要將PicoHarp300 的時(shí)間分辨能力調(diào)至其最優(yōu)的2 ps 再進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

4.2 同一流強(qiáng)，不同注入模式下純度研究

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

圖6 儲(chǔ)存環(huán)正常供光下束團(tuán)縱向分布半高寬沿束團(tuán)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(gè)束團(tuán)串條件下束團(tuán)串純度約為5×10-4，長(zhǎng)束團(tuán)串為3×10-4，不同的填充模式對(duì)純度存在影響，純度測(cè)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(yǔ)

本文基于上海光源同步光診斷線與時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)搭建了一套儲(chǔ)存環(huán)束團(tuán)純度測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)完成了系統(tǒng)的性能的評(píng)估。束團(tuán)純度分辨在2 min 累積下可達(dá)10-6量級(jí)，在5 min累積條件下可達(dá)10-7量級(jí)。

圖7 相同流強(qiáng)、不同注入模式束團(tuán)電荷量分布 (a)正常供光填充模式下，(b)單一長(zhǎng)束團(tuán)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(tuán)純度測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用研究。探索了基于單光子計(jì)數(shù)法的束團(tuán)縱向分布測(cè)量；對(duì)比了同一流強(qiáng)，不同注入模式的純度數(shù)據(jù)。未來(lái)將利用該系統(tǒng)進(jìn)行束團(tuán)縱向參數(shù)測(cè)量的進(jìn)一步研究。

致謝感謝中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所何俊博士和美國(guó)SLAC國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Jeff Corbett博士提供的指導(dǎo)和幫助。