上海光源逐束团数据采集系统研制

杨桂森 冷用斌 赖龙伟 俞路阳 袁任贤 阎映炳

上海光源逐束团数据采集系统研制

杨桂森1,2冷用斌1赖龙伟1俞路阳1袁任贤1阎映炳1

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）

为进一步提升光源性能，需要对加速器非线性束流动力学问题、宽带束流阻抗问题、恒流模式下注入脉冲引入的束流位置扰动问题进行研究，从而优化新增设备阻抗、优化束团填充模式、优化注入模式，提高不稳定性流强阈值。而逐束团诊断技术的研究，是达成上述目标的技术基础。上海光源研制了一套逐束团数据采集系统，该系统主要由RF前端、数据采集卡和EPICS软件三部分组成。RF前端将束团信号展宽到2ns，利用四路采样率为125MHz的ADC组成等效的500MHz逐束团采样，利用EPICS实现后续信号处理。在线测试结果表明，系统可准确检测逐束团位置信息，并可获得逐束团工作点，为机器研究提供了有力手段。

逐束团，数据采集，RF前端，等效采样，束团位置

多束团不稳定性会导致束流品质的下降，研究束流不稳定性对提高上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF)性能有重要意义。SSRF储存环中主要的不稳定性为真空室阻抗不稳定性和高频加速腔的高次模带来的不稳定性。观察束流运动的传统方法是利用频谱仪扫描回旋频率谐波附近的同步和横向振荡边带，或者监测平均轨道变动，即闭轨和逐圈测量[1]。这些方法都属于窄带测量，无法实现对逐束团的精确测量。发展高速的宽带测量技术，即逐束团测量，也称“暂态”测量[2]是目前束流诊断技术的发展方向。

SSRF研制的逐束团位置检测系统除可在线测量储存环逐束团横向位置外，还可进行逐束团工作点的实时检测，是进行束流不稳定性研究，提高同步辐射光源性能的有力工具。

1 系统架构

1.1SSRF主要参数

上海光源是第三代同步辐射装置，它由150 MeV直线加速器、3.5 GeV增强器和3.5 GeV储存环组成。储存环回旋频率为693.964 kHz，可填充720个束团，RF频率为499.654 MHz。研制的逐束团处理器将束团展宽到2 ns后进行采样处理，因此也可应用于束团间隔为2 ns的其他加速器中。

1.2系统设计

首先对四电极BPM探头斜对角的一组信号做差运算，然后进行带通滤波。同时，对四个电极输出的信号先做和运算然后进行带通滤波作为混频本振。两路信号进行混频，获得基带信号。基带信号包含了水平和垂直信息，利用ICS1554数据采集卡进行采样和频域处理可分离出两个方向信息。ICS1554的最高采样频率为160 MHz，采用四分频的高频信号作为外接采样时钟(约125 MHz)。同时编写了两个IOC应用程序，一个用于采集200000圈逐束团数据用于离线分析；另一个采集了1024圈逐束团数据，可实时显示单束团、多束团的时频域信息和工作点。系统的框图如图1所示。

图1 上海光源逐束团数据采集系统框图Fig.1 Diagram of bunch-by-bunch data acquisition system in SSRF.

1.3测量原理

图2为带束流的BPM和真空室示意图，采用极坐标进行分析。电极上某点的位置为(b,φw)，束流位置(r,θ)，r0为真空室半径，b为电极到真空室的距离，φ为电极张角。

b接近r0时，采用静电镜象法获得电极上的壁电流密度为[3]：

图2 带束流的BPM和真空室示意图Fig.2 BPM with beam and vacuum chamber.

两电极差信号：

式中，x=rcosθ是束流水平方向位置。差信号包含流强和位置信息，在数据采集期间流强视为不变，差信号大小反映了束流位置。

1.4RF前端

RF前端主要实现以下功能：A、C两路差运算，四路信号和运算，带通滤波，混频，低通滤波以及信号的衰减和放大等，最终将BPM输出的脉宽仅为几十ps的双极脉冲信号扩展到2 ns且包含束团位置信息的基带信号。前端的内部结构见图3。

其中，Hybrid H-183-4将A、C两路BPM探头信号做差运算，由三根不等长电缆组成的带通滤波器中心频率为1.5 GHz，带宽约500 MHz。选择1.5GHz为中心频率是因为在该频率处(3倍RF频率)BPM输出的信号响应较大，可以得到比较高的信噪比。混频本振采用经过同样处理的和信号，混频后位置信号被搬移到基带，然后利用 450 MHz带宽的低通滤波器滤除高频成份。最后，信号经过适当的放大后分成四路延时各相差2 ns的信号分别送入四路ADC进行数字化采样和处理。

1.5数据采集

数据采集卡ICS1554最高采样频率为160 MHz，而输入信号带宽为499.654 MHz，采用类似串并转换的方法(一路信号用四个ADC进行间隔采样)实现逐束团采样。四根延时各相差2 ns的电缆将一路信号分成四路，四个ADC同时进行四分之一RF频率采样。由于各路延时相差2 ns，即相差一个束团，因此四路ADC可实现对所有束团的采样。束团信号在延迟线上的时空分布图如图4所示。

由图4，第一次采样时ADC1采样第一个束团，ADC2采样第二个束团，ADC3采样第三个束团，ADC4采样第四个束团，第二次采样时ADC1采样第五个束团，依此类推。通过类似串并转换的方式实现了对逐束团的采样，降低了系统对ADC采样率的要求。

ICS1554是一块FMC接口的数据采集处理板卡，其结构框图如图5所示。

除了最高采样率为160 MHz的四个16位ADC外，板卡还有一片高性能的FPGA芯片可实现复杂的数据处理，两片128 K×72的大容量FIFO可存储大量数据。系统的采样时钟来自四分频的RF频率，保证了对束团的同步采样。板卡有两种工作模式[4]：工作在持续模式时，可持续采集数据并通过FIFO输出，直到停止采样信号的出现或内存已满；工作在抓取模式时，ADC每触发一次采集一段与设定大小相等的数据。

图3 RF前端内部结构Fig.3 Internal structure of RF front end.

图4 束团信号及ADC采样点在延迟线上的分布Fig.4 Distribution of bunch signal and ADC samples on delay lines.

1.6信号处理

工作在持续模式时，设计的EPICS IOC (Input and Output Controller)可采集200000圈逐束团数据，能够监测整个束流注入过程。大量的数据可用于分析束流不稳定状态，同时保证了足够高的频率分辨率。为减少大量数据的传输时间，并方便使用Matlab进行数据处理，只使用了一个ADC进行采样，即采样180个束团(间隔8ns)，采样时间持续288 ms，共获得68.75 MB数据。

工作在抓取模式时，设计的EPICS IOC除可进行束团位置测量外，还能同时获得束团的工作点。束团工作点是表征束团运动不稳定性的重要指标。图6是设计的EDM面板，其中显示的是注入过程的信息。图中左上方两个图显示水平和垂直两个方向工作点的主频率成分和第二频率成分。Time Domain Info指示了处理结果对应的位置是有束团还是空的bucket。每个束团只采集1024点，因此频率分辨率不高，观察不出各束团工作点的差别，但当横向反馈系统关闭时振荡明显，能明显观测到各束团的工作点差异。

图5 ICS1554框图Fig.5 Block diagram of ICS1554.

图6 束团信息EDM显示界面Fig.6 EDM panel of bunch information.

2 束流实验

在上海光源储存环上对系统进行了在线测试，系统采集了注入期间的大量逐束团位置数据用于离线的尾场效应分析。储存环连续填充500个束团，平均流强为151 mA。

2.1位置测量

从所有原始数据中选取最具代表性的五个束团(束团编号分别为001、070、280、320、500)，绘制其水平方向束流位置时域波形及位置频谱如图7所示。对比不同束团，可观察到如下现象：

(1) 束团串头部前300个电荷量为0.3 nC的束团，与尾部200个电荷量为0.2 nC的束团振动模式有显著区别。头部束团可采用单一频率的简谐振荡模型描述，而尾部束团受尾场效应影响较为明显，无法用单一模型进行描述；

(2) 前300个束团的横向振荡振幅与束团的纵向位置相关，第1个束团的振幅最大，其后的束团振幅逐渐减小，直到在第140个束团附近开始振幅逐渐增大，在第280个束团附近振幅达到极大值；

(3) 前300个束团的横向振荡阻尼时间与束团的纵向位置相关，越往后的束团阻尼时间越长。

2.2工作点测量

利用本系统可进行储存环逐束团工作点测量，结果如图8所示。图中标出了各束团对应的电荷量和工作点。根据束流本身特性可知，电荷量越低，束团的工作点越高。同时，束团受到前面束团尾场的近程影响，工作点会按照一定斜率逐渐降低。对于本次测试，前300个束团的电荷量在0.25 nC左右，后200个束团电荷量则在0.15 nC左右。由图8，前300个束团的工作点逐渐降低，到第300个后会有明显的跃升，然后再逐渐降低。现象符合加速器特性的预期，证明系统能准确检测逐束团的工作点。

图7 注入期间单束团横向振荡波形(a)及频谱(b)Fig.7 Transverse oscillation waveform (a) and corresponding spectrum (b) of individual bunch during injection.

图8 逐束团水平方向工作点及电荷量分布Fig.8 Horizontal tune and bunch charge distribution.

3 结语

以SSRF储存环为背景，结合实际工程需要，搭建了逐束团数据采集系统。系统主要包括射频器件搭建的RF前端和商用的数字采集卡两部分，除可在线获得逐束团位置及其频谱外，还能进行逐束团工作点测量。对系统进行了在线测试，结果显示系统能正确的实时获得逐束团位置信息和工作点信息，而对采集的大量数据进行离线分析可监视整个注入过程和分析束团尾场效应。

数据采集处理板卡还有大量的FPGA剩余资源可使用，为后续加入其他算法获取更多参数提供有利条件。比如可考虑利用FPGA实现工作点的测量，具体内容可参考APS和SPS的工作点测量系统[5−7]。另外，如果改变RF前端的结构，并使用多个数据采集卡进行同步采集，可实现更多信号处理。

1 王筠华, 刘建宏, 孙葆根, 等. 逐圈测量系统的定标和新近实验结果[J]. 强激光与粒子束, 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 孙葆根. 加速器中束流诊断技术讲义[M]. 中国科学技术大学, 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

国家自然科学基金(No.11075198)资助

杨桂森，男，1985年出生，2011年于中国科学院上海应用物理研究所获硕士学位，信号与信息处理专业

赖龙伟，E-mail: lailongwei@sinap.ac.cn

2013-08-13，

2013-09-12