吳亞龍 夏曉彬 王光宏 許文貞 李哲夫 張斌團

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（中國科學(xué)院上海高等研究院 上海 200120）

上海軟X射線自由電子激光裝置（Soft X-ray Free-Electron Laser facility，SXFEL）是中國第一臺X射線相干光源，其光譜覆蓋范圍為2~10 nm，主要包括：一條可將電子束加速至1.5 GeV的高梯度直線加速器、兩條波蕩器線（外種子型波蕩器線（Seeding UnDulator line，SUD）和活細胞結(jié)構(gòu)與功能成像等線站工程波蕩器線（Shanghai-XFEL Beamline Project，SBP））、兩條光束線以及5個實驗站［1］。整個裝置分兩階段進行，目前已將第一階段的試驗裝置升級為用戶裝置，通過增加電子束能量、提升束流流強和升級種子激光波蕩器線實現(xiàn)3 nm出光，同時還增加一條基于自放大自發(fā)輻射運行模式的波蕩器線以實現(xiàn)2 nm出光［2］。

自由電子激光放大器段由連續(xù)波蕩器組成，電子束被送入連續(xù)波蕩器使得其和輻射波的相互作用增強了輻射的縱向相干性［3］。波蕩器段核心部件是永磁鐵，目前已廣泛應(yīng)用于儲存環(huán)與自由電子激光裝置，而加速器輻射場對永磁鐵的影響是一個需要重點考慮的問題。世界范圍內(nèi)許多自由電子激光裝置都出現(xiàn)過因輻射照射造成永磁鐵退磁情況［4］，而束流損失正是其中需要重點考慮的一個輻射安全問題。

光纖作為輻射探測器應(yīng)用于束流損失監(jiān)測領(lǐng)域已有二十多年研究歷史。1990年代有相關(guān)學(xué)者對基于切倫科夫原理的石英光纖展開理論研究［5］，2000年在德國電子同步加速器（Deutsches Elektronen-Synchrotron，DESY）得以工程實現(xiàn)［6］，之后普遍應(yīng)用于同步輻射光源［7-8］，近十年來強X射線光源——自由電子激光的快速發(fā)展進一步推動石英光纖在束損監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用［9］。

由于石英光纖對高能γ射線不敏感［10］，十分適合應(yīng)用在SXFEL高輻射場環(huán)境中；同時從調(diào)束角度來說，光纖對整個波蕩器沿線進行實時連續(xù)的束流損失監(jiān)測，能夠第一時間確定束損位置反饋給調(diào)束人員，起到早期束流診斷作用；而且光纖還有占用空間小、抗輻射、價格合理等優(yōu)點，因此在SXFEL波蕩器線設(shè)計安裝了一套石英光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)。本文介紹了該系統(tǒng)工作原理與組成，同時出于實際應(yīng)用需求進行了系統(tǒng)位置標定實驗用于確定束損位置，以及實驗測量了光纖衰減系數(shù)用于對束損信號的衰減補償，并最終在調(diào)束過程中考察該系統(tǒng)應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)工作原理

加速器運行中丟失的電子束不可避免最終會打在真空室內(nèi)壁上，經(jīng)過與真空室簇射作用最終在壁外產(chǎn)生二次粒子，二次粒子主要成分為光子和正負電子。其中超過切倫科夫閾能的正負電子在光纖芯部產(chǎn)生切倫科夫光，再在纖芯和包層之間通過全反射原理往光纖末端傳輸，最終一小部分光子被光纖末端的光電探測器（通常是光電倍增管（PhotoMultiplier Tube，PMT））捕獲輸出電信號［11］。一般情況下PMT會選擇安裝在光纖上游末端，這是因為上游收集到的信號提供的位置分辨能力比下游要好［12］，所以SXFEL也選擇在上游末端安裝PMT。通過記錄信號到達時間就可以推算出束損信號產(chǎn)生的位置，時間和位置換算關(guān)系為0.12 m·ns-1。圖1為光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)工作原理示意圖。

圖1 光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)工作原理Fig.1 Principle of fiber beam loss monitoring system

2 系統(tǒng)組成

SXFEL在波蕩器大廳從束流輸運線到波蕩器末端共兩條束線安裝了4根光纖，出于冗余目的，每條束線都是布置了一左一右兩根光纖，長度分別為130 m和180 m，型號為Fujikura SC400/440，屬多模階躍型光纖。纖芯內(nèi)徑為400 μm，純石英成分，且含有高濃度的氫氧根離子以提高抗輻射性，纖芯折射率n=1.46，數(shù)值孔徑NA=0.22；纖芯包層為20 μm厚度的摻氟石英，其折射率略小于石英纖芯，目的是光信號在傳輸時能夠在纖芯與包層之間滿足全反射原理。同時，出于位置靈敏考慮只選擇了在光纖上游末端的支架下方安裝了PMT，利用支架的屏蔽來保護PMT。PMT型號為Hamamatsu H10721-01，探測波長范圍為230~870 nm，上升時間為0.57 ns。PMT輸出信號通過高速采集卡PXIe-5162完成4路觸發(fā)采集，每通道采集率為1.25 GHz，再由PXI高速背板實時將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷斎胼敵隹刂破鳎↖nput/Output Controller，IOC）完成波形處理，最終所有數(shù)據(jù)通過EPICS（Experimental Physics and Industrial Control System）存檔并上傳到OPI顯示供用戶查看。圖2是光纖束損監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。

3 束損系統(tǒng)位置標定

如果同一電子束團在不同位置發(fā)生束損，其產(chǎn)生的束損信號到達上游PMT時間間隔表達如下：

式中：L為兩處束損位置間距，m；n為光纖芯部折射率；c為光速；t2為下游信號到達PMT時間；t1為上游信號到達PMT時間，s。

考慮石英折射率近似為1.5，則束損間距與信號到達上游PMT時間間隔關(guān)系為：0.12 m·ns-1。若t1=0，對應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始工作時刻，也對應(yīng)光纖覆蓋的波蕩器線上游起始位置，則僅需記錄后續(xù)光纖信號到達時間T，ns，通過0.12 m·ns-1關(guān)系轉(zhuǎn)換成位置即可完成整個束損系統(tǒng)位置標定。圖3是系統(tǒng)位置標定原理示意圖。

SXFEL在電子束團產(chǎn)生時會向光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出信號，束損系統(tǒng)接收到信號后經(jīng)過一段時間延遲待該束團到達波蕩器隧道時數(shù)據(jù)采集卡才開始工作，這段延遲時間叫作數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)延遲時間。在位置標定實驗過程中一般選擇在固定位置落靶產(chǎn)生束損方式來確定觸發(fā)延遲時間。本次實驗在SBP波蕩器線踢束器（Kicker）下游第一個靶件SBP-PRF1位置落靶，由于實際中該靶件位置據(jù)波蕩器線上游起點距離確定，通過調(diào)整觸發(fā)延遲時間使得光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)反饋的束損位置離起點位置間距正好等于實際間距即可，位置標定過程完成。數(shù)據(jù)采集卡單通道采集率為1.25 GHz，兩次數(shù)據(jù)采集時間間隔為0.8 ns，對應(yīng)0.096 m的間距，光纖覆蓋波蕩器線184 m長區(qū)域，因此，每次數(shù)據(jù)采集卡開始工作采集1 918個點位信息后停止工作，待下一次電子束團產(chǎn)生觸發(fā)第二次工作。圖4是標定過程中使用的束流截面監(jiān)測器（Beam Profile Monitor，BPM）落靶產(chǎn)生束損的示意圖，通過將BPM中的閃爍體靶片YAG（Ce：Y3Al5O12，摻鈰釔鋁石榴石）落下截斷束流產(chǎn)生束損，YAG靶厚0.1 mm，與束流方向夾角為45°。

圖4 BPM落靶產(chǎn)生束損示意圖Fig.4 Diagram of beam loss generated by BPM falling YAG target

4 光纖衰減系數(shù)

束損信號的大小反應(yīng)束損水平，有許多因素會導(dǎo)致光信號在光纖中傳輸時發(fā)生損耗，主要包括材料的吸收和散射、光纖彎曲、泄漏損失，還有連接處接頭的損耗等［13］。PMT輸出信號是經(jīng)過光纖輸運損耗后的剩余信號，并非直接探測到的真實信號，需要將其進行衰減恢復(fù)來如實反映束損信號的大小。

4.1 光纖衰減系數(shù)測量

光信號在光纖內(nèi)傳播時，由于吸收和散射的影響，光信號的功率隨著傳播距離增加呈指數(shù)關(guān)系下降。相關(guān)的衰減系數(shù)通常用dB·km-1為單位，用A表示：

式中：P0為光纖的輸入功率；P（L）為信號在光纖內(nèi)傳播長度L（單位km）后的輸出功率。

實驗中通常采用的方法是：改變同一位置束損信號到PMT之間光纖長度，再將測量出的束損信號代入式（2），擬合出衰減系數(shù)。而實際上在SXFEL調(diào)束期間頻繁進出波蕩器隧道調(diào)整光纖長度不太現(xiàn)實，因此采用了沿SBP線不同位置落靶的方法，將落靶束損信號峰值及對應(yīng)的光纖位置代入擬合出衰減系數(shù)A。此方法可行性在于所有的靶件結(jié)構(gòu)相同、材料相同、SBP線為直線且除波蕩器以外管道結(jié)構(gòu)也近似一致。

圖5為SBP線光纖覆蓋區(qū)域所有靶件（YAG）落靶產(chǎn)生的束損信號波形圖，除去中間100~150 m的波蕩器區(qū)域，其他都是相同的管道結(jié)構(gòu)和布局。選擇其中有完整峰值結(jié)構(gòu)的束損波形峰值與對應(yīng)的光纖位置（距離PMT距離）代入式（2）擬合，結(jié)果如圖6所示，100 m長光纖擬合衰減系數(shù)為（74.98±4.7） dB·km-1，180 m長光纖擬合衰減系數(shù)為（74.32±2.99） dB·km-1，二者十分近似。

圖5 SBP段所有位置YAG落靶束損波形圖Fig.5 Beam loss waveforms generated by YAGs falling on SBP beamline

圖6 落靶產(chǎn)生的束損信號峰值擬合光纖衰減系數(shù) (a) 長度100 m，(b) 長度180 mFig.6 Attenuation coefficient of optical fiber fitted by the peak values of beam loss signals generated by falling YAGs(a) 100 m fiber, (b) 180 m fiber

因為束線結(jié)構(gòu)差異缺失了中間100~150 m區(qū)域的測量結(jié)果，以及實際管道、光纖布局在不同位置處依舊存有一定的差異，不能完全控制變量，所以測量結(jié)果存在著一定的不確定性。為了評估測量結(jié)果是否可靠，后續(xù)研究了一種可以直接通過計算擬合出光纖衰減系數(shù)的方法來對測量結(jié)果進行評估。

4.2 光纖衰減系數(shù)計算方法

對用于束損監(jiān)測的石英光纖而言，束損信號從產(chǎn)生到PMT最終輸出信號經(jīng)歷切倫科夫輻射的產(chǎn)生、光信號在光纖內(nèi)的傳播以及PMT光電轉(zhuǎn)換三個過程。切倫科夫光輻射是連續(xù)的光譜，其產(chǎn)額與波長λ（單位nm）關(guān)系如下：

式中：z為入射帶電粒子電荷量；θ為切倫科夫半錐角；l為帶電粒子在切倫科夫輻射體中穿過的距離，cm。

切倫科夫輻射對應(yīng)紫外至紅外這段光譜，此波長范圍內(nèi)瑞利散射是造成信號衰減的主要因素，由折射率隨機不均勻性造成的［14］，衰減系數(shù)用瑞利散射系數(shù)ARayleigh（單位dB·km-1）表示，對于純石英材料光纖的衰減系數(shù)如下（λ單位為μm）：

圖7（a）是瑞利散射對切倫科夫光譜的衰減影響，分別展示了在5 m、50 m、100 m和200 m情況下光譜各成分受瑞利散射影響后的剩余部分，可見短波長部分受衰減影響最為明顯，也進一步說明光纖長度越短，信號損耗程度越劇烈。

圖7 衰減對切倫科夫光譜的影響（不同光纖長度下的光譜剩余部分）(a)，Hamamatsu H10721-01陰極輻射靈敏度(b)Fig.7 Effect of attenuation on Cherenkov light spectrum (remaining part of spectrum after propagation through different fiber lengths) (a), cathode radiation sensitivity of the Hamamatsu H10721-01 (b)

最終經(jīng)光纖傳輸損耗后的光信號要再經(jīng)過PMT光電轉(zhuǎn)換完成信號輸出。圖7（b）是SXFEL光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)使用的PMT陰極輻射靈敏度Sk（單位A·W-1），同樣有很強的波長依賴性。PMT的光子探測效率ηPDE（PDE）或者叫量子效率與陰極輻射靈敏度關(guān)系如下：

式中：h為普朗克常數(shù)；c為光速，λ∈（230，870）nm。

根據(jù)這三者耦合關(guān)系可以得到不同波長光子在經(jīng)過長度L（單位km）光纖后產(chǎn)生的光電子數(shù)，簡化為：

在不同長度光纖情況下將波長λ∈（230，870）nm范圍內(nèi)的光電子數(shù)相加就可以得到不同光纖長度下的信號值，代入式（2）進行擬合得到衰減系數(shù)A。圖8分別是在光纖長度為100 m和180 m情況下根據(jù)計算結(jié)果擬合出的衰減系數(shù)，與實驗測量結(jié)果是吻合的。對比使用同種類型光纖的日本緊湊型自由電子激光（SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser，SACLA）實驗測量結(jié)果［15］，如表1所示，在光纖長度為120 m和150 m時，SACLA測量結(jié)果與計算結(jié)果相近，說明此計算方法可靠，繼而說明SXFEL波蕩器段光纖衰減系數(shù)實驗測量結(jié)果也是可靠的。

表1 SXFEL與SACLA光纖衰減系數(shù)Table 1 Optical fiber attenuation of SXFEL and SACLA

圖8 不同光纖長度情況下通過計算擬合出的衰減系數(shù) (a) 100 m長光纖，(b) 180 m長光纖Fig.8 Attenuation coefficient fitted by calculation under different fiber lengths (a) 100-m-long fiber, (b) 180-m-long fiber

5 調(diào)束過程中的應(yīng)用

在調(diào)束過程中，工作人員經(jīng)常通過落靶方式來觀測束斑特性，圖9是在管道上游第一個BPM位置處落靶產(chǎn)生的束損信號，兩條束線共4根光纖在此匯合到一條管道上，所以在此處落靶4根光纖都捕獲到了類似的束損信號。束流條件為1.1 GeV、2 Hz，單束團脈沖。

圖9 上游第一個YAG落靶產(chǎn)生的束損信號 (a) 第一個束團產(chǎn)生的束損信號，(b) 第二個束團產(chǎn)生的束損信號Fig.9 Beam loss signals generated by falling the upstream first YAG(a) Signal generated by the first bunch, (b) Signal generated by the second bunch

由于在位置標定時使用的是落靶產(chǎn)生的束損信號起點作為靶的位置，因此，圖中0時刻對應(yīng)上游第一個靶件位置。第一個峰值對應(yīng)靶后3.7 m位置處的準直器，信號的下降是因為準直器較厚的外壁阻礙了產(chǎn)生的次級正負電子穿過光纖。第二個峰值對應(yīng)靶后5.7 m位置處的踢束器（Kicker），對應(yīng)圖中虛線A的位置。踢束器體積較大，阻礙了更多能夠進入光纖的次級正負電子，因此峰后信號急劇下降，待光纖布局繞過踢束器后束損信號又迅速上升。經(jīng)過踢束器的電子束團按兩條波蕩器線的需求以不同的比例進行分配，圖中條件是第一個束團經(jīng)踢束器分配到SUD線，第二個束團則保持原軌道進入SBP線。同一條束線上的兩根光纖捕獲的束損信號變化近似，主要差異是束損幅度的不同；而且剛經(jīng)過Kicker踢束分開的兩條束流管道距離很近，兩條束線都對對方兩根光纖中靠近自己一側(cè)的那根產(chǎn)生更多的影響，如圖9所示，去往SUD線的束團1產(chǎn)生的束損在SBP線SBP-R（右側(cè)）光纖上產(chǎn)生更多的響應(yīng)；同理留在SBP線的束團2產(chǎn)生的束損在SUD線SUD-L（左側(cè)）光纖上產(chǎn)生更多的響應(yīng)。由此能夠證實第二個峰值（A）確實對應(yīng)踢束器（Kicker）位置。通過比較4根光纖捕獲到的束損信號反映出的靶后準直器與踢束器的二者間的束損間距與物理間距，如表2所示，可見光纖BLM在上游位置分辨能力為0.2 m左右。圖10為光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)及相關(guān)加速器設(shè)備在SXFEL波蕩器線的布局簡圖。

表2 由4根光纖落靶束損信號反映的束損間距與實際間距的比較Table 2 Comparison between the beam loss distance reflected by the beam loss signal of four optical fibers and the actual distance

圖10 光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)布局簡圖Fig.10 Layout diagram of the SXFEL fiber beam loss monitoring system

再對比圖9中各光纖信號幅度，在Kicker上游4根光纖面臨的束損情況是完全相同的，我們發(fā)現(xiàn)：同一條束線的兩根光纖信號幅度有少量差距，原因是各光纖在管道上游末端都剩余不同長度光纖，從1.2 m到3.8 m不等，這剩余光纖的長度差異造成了信號幅度的少量差異；此外不同束線光纖間的信號幅度差異更加明顯，原因是SBP段光纖自2019年已開始服役，SUD段光纖則是2022年安裝使用，長期輻射損傷導(dǎo)致短波長信號在光纖中傳輸時損耗更為顯著，所以在較短光纖傳輸距離上，SBP段光纖信號損耗程度非常明顯。但是當信號在光纖內(nèi)傳輸距離增加時，兩條束線上的光纖表現(xiàn)出的信號幅度基本沒有差異。

圖11是調(diào)束期間SBP段兩根光纖捕獲到的束損信號，根據(jù)光纖定位到束損位置在PMT下游80 m位置附近，在束損位置上游SBP-PRF3（SBP線第三個靶）位置落靶可見完整束斑，但是再下一個SBPPRF4（SBP線第4個靶）位置落靶已觀察不到束流信息。再進一步在兩個靶之間排查原因，最終確定束損由清華等離子測量腔體內(nèi)靶件未歸零造成。由此可見在調(diào)束過程中，束流損失出現(xiàn)時第一時間通過光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)反饋給工作人員，因此該系統(tǒng)可作為早期的束流診斷工具。

圖11 調(diào)束過程中在SBP束線上由光纖捕獲的束損信號Fig.11 Beam loss signal captured by optical fiber of SBP beamline during the period of beam tuning

6 結(jié)語

基于切倫科夫輻射原理的光纖束損監(jiān)測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于SXFEL波蕩器線。完成了系統(tǒng)位置標定實驗，將束損信號到達PMT時間轉(zhuǎn)換成束損位置信息；同時測量了光纖衰減系數(shù)用于對探測到的束損信號衰減補償來反映實際的束損信號，并提出一種可以直接通過計算得到衰減系數(shù)的方法，將計算結(jié)果與實驗測量結(jié)果進行比較證實了測量結(jié)果的可靠性。在調(diào)束過程中，該束損監(jiān)測系統(tǒng)對束損位置的判定表現(xiàn)了其具有良好的位置分辨能力，目前已作為加速器調(diào)束過程中的前期束流診斷工具。

致謝感謝上海軟X射線自由電子激光裝置項目輻射防護團隊、調(diào)束團隊和束測團隊對本文工作的大力支持！

作者貢獻聲明吳亞龍負責實施實驗、處理數(shù)據(jù)與撰寫論文；夏曉彬負責指導(dǎo)論文寫作與論文修改；王光宏負責指導(dǎo)實驗與協(xié)助修改論文；許文貞、李哲夫、張斌團負責協(xié)助課題研究。