上海光源束团纯度测量系统的研制与应用

高 波 赖龙伟 刘晓庆 曹珊珊 冷用斌

（中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心 上海201210）

上海光源是中国大陆第一个三代同步辐射光源，建成11年来已经完成了大量的研究工作。正在进行的上海光源二期扩容工程，主要建设内容包括新建16 条光束线和25 个实验站、实验辅助系统、光源性能拓展等。工程围绕能源、环境、材料、凝聚态物理、地球科学、化学和生命科学等领域的重大科学和技术问题，以大幅提升上海光源整体实验能力为目标，新增60多种实验方法，实现近极限分辨（时间/空间/能量/动量）的第三代同步辐射光源实验技术，实现创新的光子能区交汇组合和超长站厅实验技术，实现在线/离线的综合实验能力［1］。

上海光源线站工程建设中提出了时间分辨实验和特殊时间结构填充模式的需求。为了满足这一要求，未来上海光源将会是混杂（Hybrid）模式，届时将会在现有4 个束团串填充基础上，选择其中一个空白区域注入时间分辨实验的探针束团。期望能做到在探测时间窗口内除了探针束团发出的同步光外不再有其他干扰，需要保证在特殊束团周围的高频俘获区中没有电子。而在实际运行中，一方面，束团从电子枪激发出后，在加速过程中由于加速误差，一部分电子会被探针束团邻近的高频俘获区捕获，从而导致束团纯度变差；另一方面，在储存环中，由于束内散射的作用，相邻高频俘获区也会有少量电子。因此，在高时间分辨实验中填充模式的准确测量非常重要，纯度测量需求由此而生。束团纯度通常定义为主束团相邻高频俘获区内流强与主束团流强之比，纯度通常希望到达10-5甚至更好。

1 纯度测量原理

填充模式测量需要准确地测得储存环中所有束团电荷量分布情况。常见的束流电荷量测量系统（Beam Charge Monitor，BCM）是基于束流位置测量探头（Beam Position Monitor，BPM）［2-6］。BPM 探头各电极和信号表征了电荷量的变化，配合上高速采集板卡该方法可以实现逐束团电荷量测量。传统BCM的缺点是由于阻抗不匹配导致的反射信号、采集设备带宽限制导致的束团间串扰以及采集设备有效位数限制等因素会使得测量精度和时间分辨能力降低，分辨率最好仅能到万分之二左右。因此，基于BPM 探头的逐束团电荷量测量系统无法满足束团纯度测量的分辨率要求。

基于同步光信号和时间相关单光子计数技术的纯度测量技术被引入，分辨率相对较高。英国Diamond、美 国SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）及国内北京正负电子对撞机等装置均采用了这种方法进行束团纯度测量［7-11］。

1.1 时间相关单光子计数技术

时间相关单光子计数技术（Time-correlated Single Photon Counting，TCSPC）具有时间分辨本领好、灵敏度高、测量精度高、动态范围大等优点［12-13］。光子计数技术是一种计量离散的光子脉冲的数字技术，它所探测光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法很难提取出来。光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极弱的信号识别并提取出来。光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）在输入光强比较强的时候输出有涨落的直流量，而当光较弱时输出光电流不再连续，输入光极弱的时候会输出离散的脉冲，此时光电倍增管的输出脉冲可被单光子计数器识别和提取。

时间相关单光子计数技术还具有的性能是可测量光子到达探测器与参考信号之间的时间间隔。

1.2 同步光诊断技术

电子束团在同步辐射光源的储存环中以接近于光速的速度运动，从弯转磁铁处沿切线方向发射出的同步光脉冲可以提供给用户进行各项实验；同时由于同步光脉冲的纵向长度、相位和横向截面尺寸与电子束团相同，利用同步光配合光学器件来监测束团的纵向、横向截面尺寸以及发射度等束流参数的诊断方法称为同步光诊断。同步光诊断技术具有对加速器束流无任何阻拦的优点，能直接监测电子束团的时间结构，并且能够准确真实地反映出束团中电荷的分布。因此同步光诊断方法成为了束流测量系统中研究束流不稳定性的一个重要有力手段。

上海光源目前建有可见光和X射线两条诊断线站，在原有同步光诊断线（可见光）上基于光电倍增管和时间相关单光子计数器搭建了一套束团纯度测量系统，本文介绍了测量系统的搭建、系统性能的验证与优化以及相关的束流实验结果。

2 系统搭建

2.1 系统硬件

整套系统硬件包含：同步光引出端、光学前端、光电倍增管、电子学前端、光子计数器等组成。

同步光引出端主要是基于上海光源原有诊断线（可见光波段），引出光中心波长为530 nm。光学前端主要的目的是将引出的同步光衰减到极弱，以保证PMT 输出信号为可被光子计数器识别的脉冲信号。前端中主要部件包括：光阑、窄带单色器、光衰减片。光学前端需要将同步光衰减至单光子，上海光源流强一般为200～300 mA，同步光的可见光功率约为0.3 mW，也就是1015photons·s-1量级，而衰减至单光子应为105photons·s-1量级，因此前端衰减系数应为1010量级。

同步光经光学前端衰减后将打到PMT上，本系统PMT采用了日本滨松公司的E3059-500型光电倍增管，参数如表1 所示。其电子学前端主要是放大器，选用了滨松公司C5594 放大器。单光子计数器采用了PicoHarp 300，参数如表1所示。储存环定时系统产生的回旋频率（694 kHz）信号作为其触发信号，定时信号通过数字可调延时器（斯坦福DG645）进行前后调整，使得PMT信号最大值输入给单光子计数器。测量光子到达探测器与触发信号间的间隔，并进行计数，经过一段时间（s 或min 量级）得到光子分布曲线，也即储存环中束团电荷分布曲线。

表1 E3059-500型光电倍增管和PicoHarp300参数Table 1 Fundamental parameters of E3059-500 PMT and PicoHarp300

整套系统结构示意图如图1所示。

图1 上海光源束团纯度测量系统结构Fig.1 Schematic diagram of bunch purity measurement system at SSRF

基于时间分辨的单光子计数方法中非常重要的一项工作是背景光噪声的去除。同步光进入PMT前需要将其衰减到单光子，背景光的存在会直接影响纯度测量精度，因此需要对背景光进行屏蔽。本系统在光学平台上搭建了一套黑盒对背景噪声进行屏蔽，如图2所示。

2.2 系统软件

软件部分主要功能是设置光子计数器参数、数据读取、数据处理以及基于实验物理与工业控制系统（Experimental Physics And Industrial Control System，EPICS）的输入输出控制器（Input Output Controller，IOC）和上层用户界面展示。

图2 背景光噪声屏蔽黑盒Fig.2 Black box for background light noise shieling

光子计数器的参数设置最重要的是时间分辨率的设置，PicoHarp300时间分辨率设置需为2 ps的整数次方，单次最大计数次数为65 536，而本系统触发频率为694 kHz（储存环逐圈周期为1.44 μs），因此本系统时间分辨率设置为32 ps。

数据处理中需要提取全环束团的电荷量分布，由于正常供光下上海光源纵向相位（到达时间）的抖动在ps量级，因此束团峰值会分布在单个计数区间内，综合考虑信噪比，本系统单束团电荷量提取采用峰值提取法。同时为了电荷量标定，本系统同步采集了储存环流强探测器（DC Current Transformer，DCCT）的数值，实现束团电荷量的实时标定。

为了实现与储存环主控制网的连接，系统基于EPICS 搭建了IOC，并在中控室搭建了用户界面控制端（Operator Interface，OPI），可实现束团电荷量分布和纯度数据的展示，以及系统参数的配置，界面示意如图3所示。

用户界面中图3左上图是单光子计数器的实时累积原始数据，图3 右上图为读数累积到所设置的阈值的时候的每个束团最大值转换为填充模式，左下图为用储存环直流流强监测系统实时标定出的每个束团的电荷量分布图。界面右下方为整个系统参数的设置和展示区域，包含束团编号调整、触发电平设置、光子数累积最大阈值设置、时间分辨率设置，还包括输入计数时钟频率、实际计数频率和纯度值展示。

3 纯度测量分辨率性能评估

图3 上海光源束团纯度测量系统用户界面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，束团分布为500个束团分布在4个大束团串中，并且尚未启用束团纯化系统，束团纯度无法保证。为了评估纯度测量分辨能力，申请了专门的机器研究时间，在储存环中仅注入两三个束团情况下，比较容易在距离束团位置较远处找到纯度非常好的地方，据此可以来搭建评估束团测量系统的分辨率的束流条件。束团分布（30 s累积）如图4所示。

图4 注入少量束团后，束团纯度测量系统测得的束团分布Fig.4 Bunch distribution signal of bunch purity measurement system after only a few bunches injected into the storage ring

本次评估实验中，由于纯化系统尚未工作，储存环中纯度较差，对于纯度测量分辨率的评估不利。本文为了评估系统分辨率，在特殊填充模式下选择测量最高电荷量束团的计数与储存环中最低处计数之比作为衡量系统所能测得最小的纯度大小。在约2 min 的累积计数后，纯度测量系统分辨率可达2×10-6量级；在约5 min 的累积计数后分辨率可达10-7量级。据此，时间累积会使得纯度测量更准确，10-6次方数量级的测试需求本系统可在几分钟乃至几十秒内完成一次数据刷新。

4 束团纯度测量系统应用实验

验证了本系统的时间分辨和纯度分辨性能后，在此条件下，进行了一些束团纯度测量系统的应用探索：1）基于系统的时间分辨能力，探索了基于该系统的束团纵向分布半高宽的测量；2）基于系统的纯度分辨率，初步对比了一下相同流强条件，不同填充模式下，对长束团串与短束团串的纯度进行了对比。

4.1 束团纵向分布半高宽测量

基于时间分辨的单光子计数技术，从统计角度光子到达PMT 时间的概率与同步光的强度分布一致，因此在以回旋频率信号作为外触发时，通过积累一定时间后，可以描绘出束团的纵向分布。图5 展示了单个束团的束团纵向分布图。

图5 束团纯度测量系统原始信号图 (a)束团全分布，(b)单束团纵向分布Fig.5 Original signal of bunch purity measurement system (a)Bunch distribution,(b)Longitudinal distribution of single bunch

在皮秒量级的时间分辨能力下，系统可以用来测量束团纵向半高宽，当然由于束团的震荡和电子学的时钟抖动等影响，该系统只能用于束团长度的平均相对测量，测量到的束团纵向半高宽约为65 ps。束团纵向半高宽分布如图6所示。

该系统用于束团长度测量的研究还需要将PicoHarp300 的时间分辨能力调至其最优的2 ps 再进行进一步的研究。

4.2 同一流强，不同注入模式下纯度研究

为了研究不同注入模式对于束团纯度的影响，本文在机器研究中先按照正常供光模式注入了约60 mA 流强的束流，后又在储存环中注入了相同流强的束流，束团数相同，不同的是注入模式不同，束团分布图如图7所示。

图6 储存环正常供光下束团纵向分布半高宽沿束团的分布图Fig.6 FWHM of longitudinal distribution of bunches under normal photon supply of storage ring

从图7结果看，4个束团串条件下束团串纯度约为5×10-4，长束团串为3×10-4，不同的填充模式对纯度存在影响，纯度测量系统在后续的注入模式优化中可以起到作用。

5 结语

本文基于上海光源同步光诊断线与时间相关单光子计数技术搭建了一套储存环束团纯度测量系统，通过性能评估实验完成了系统的性能的评估。束团纯度分辨在2 min 累积下可达10-6量级，在5 min累积条件下可达10-7量级。

图7 相同流强、不同注入模式束团电荷量分布 (a)正常供光填充模式下，(b)单一长束团串下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

基于搭建的束团纯度测量系统，进行了相关应用研究。探索了基于单光子计数法的束团纵向分布测量；对比了同一流强，不同注入模式的纯度数据。未来将利用该系统进行束团纵向参数测量的进一步研究。

致谢感谢中国科学院高能物理研究所何俊博士和美国SLAC国家实验室Jeff Corbett博士提供的指导和帮助。