·粒子束及加速器技术·
上海软X 射线自由电子激光装置直线加速器
*
吴 桐1,2， 赖龙伟1,3， 俞路阳1,3， 袁任贤1,3， 陈 健1,3， 阎映炳1,3， 冷用斌1,2,3
（1. 中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800； 2. 中国科学院大学，北京 100049； 3. 中国科学院 上海高等研究院，上海 201210）
摘 要： 上海软X 射线自由电子激光装置（SXFEL ）作为中国第一台工作在软X 射线波段的第四代光源，其产生的激光具备短波长、全相干、超高亮度、超短脉冲长度等优点，预期将会在基础科学研究领
域中发挥出重要的作用。基于直线加速器的特点和需求，在SXFEL 的注入器与直线加速段上选择了条带型束流位置测量系统（SBPM ）作为束团位置测量工具。该系统由SXFEL 束测团队自主研发设计，由条带探头、前端信号调理电子学与专用数字信号束流位置处理器（DBPM ）组成，系统设计上借鉴上海同步辐射光源（SSRF ）的同类型设备，并根据SXFEL 的特点做了进一步的优化，束流实验结果表明该系统位置测量系统分辨率好于5.7 μm@188 pC ，达到国际先进水平，满足了SXFEL 注入器和直线加速器段对束流位置测量分辨率的设计要求。 关键词： 上海软X 射线自由电子激光； 束测； 束流位置测量； 条带型； 数字信号处理 中图分类号： TL506 文献标志码： A doi : 10.11884/HPLPB202133.210015
Design of stripline beam position monitor for Shanghai
soft X-ray free electron laser
Wu Tong 1,2， Lai Longwei 1,3， Yu Luyang 1,3， Yuan Renxian 1,3， Chen Jian 1,3， Yan Yingbing 1,3， Leng Yongbin 1,2,3
（1. Shanghai Institute of Applied Physics , Chinese Academy of Sciences , Shanghai 201800, China ;
2. University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049, China ;
3. Shanghai Advanced Research Institute , Chinese Academy of Sciences , Shanghai 201210, China ）
Abstract ： Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser (SXFEL) is the first fourth-generation light source in China that can work in soft X-ray band. With the advantages of short wavelength, full coherence, ultra-high brightness, and ultra-short pulse, it is expected to play an important role in basic science research. Based on the characteristics of the linear accelerator, the stripline beam position monitor (SBPM) was selected as the beam position measurement tool in the injection section and the straight section. The system is mainly composed of the probe, the front-end electronics system, and the digital beam position monitor (DBPM). The design draws on the same type of device from Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) and is further optimized according to the characteristics of SXFEL. Finally, the beam experiment results show that the resolution reaches 5.7 μm@188 pC, which meets the requirements for beam position resolution of SXFEL.
Key words ： Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser ； beam diagnosis ； beam position monitor ； stripline ；signal processing
上海软X 射线自由电子激光装置（SXFEL ）于2014年开始建设，现已完成实验装置（SXFEL-TF ）的安装与调试。在将来，结合用户装置的建设，SXFEL 有望能进一步促进中国自由电子激光领域的发展，在科学研究领域发挥更大的作用[1]。根据SXFEL 物理设计提出的指标要求，在注入器和主加速器段需要安装35个条带型束流位置测量系统（SBPM ）探头用于束流位置的精确测量，其中9个位于注入器段（真空室孔径25 mm ），26个位于主加速器
* 收稿日期：2021-01-15； 修订日期：2021-03-31
基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFA0401903，2016YFA0401900）中国科学院青年创新促进会项目（2019290）作者简介：吴 桐（1993—），男，博士研究生，核技术及应用专业，从事束流检测与控制研究。通信作者：赖龙伟（1985—），男，博士，副研究员，核技术及应用专业。
第 33 卷第 5 期强 激 光 与 粒 子 束
Vol. 33，No. 52021 年 5 月
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
May ，2021
段（真空室孔径16.25 mm ）。建成后的系统当束团电荷量为500 pC 时，位置分辨率需要好于10 μm （记为10 μm@500 pC ），且运行稳定可靠。
在制定这一目标时，对于世界主要同类装置上SBPM 装置进行了调研。美国斯坦福直线加速器中心（SLAC ）的直线加速器相关光源（LCLS ）上SBPM 在测试中分辨率能够达到5 μm@200 pC ，韩国浦项X 射线自由电子激光（PAL XFEL ）、德国汉堡自由电子激光（FLASH ）、美国费米国家实验室光源（FERMI@Elettra ）[2-6]上的同类型一起分辨率也在相似水平上。因此，这一目标具备相当可行性。
本文将从测量原理开始对SXFEL 上安装的SBPM 系统进行介绍，并分别从硬件系统与软件系统两方面对于SBPM 的系统构架及各子系统的设计与研制工作进行介绍。
1 条带型束流位置测量系统测量原理
束团经过条带型束流位置测量系统（SBPM ）测量区域时，金属管道内壁上会产生镜像电流，其大小分布由束团电荷量、束团粒子密度分布决定。在内壁内侧设置与管道绝缘的电极可以对镜像电流信号进行测量[7]。上海软X 射线自由电子激光装置（SXFEL ）上使用的SBPM 探头的结构示意图如图1所示。当束团以接近光速的速度平行电极通过待测区域时，若束团靠近电极物理中心，电极上产生的电压信号随时间t 变化的函数可表示为
σ该信号在时域上表现为双极性信号，分别代表束团经过电极上下端口时，在电极上产生的感应电动势（一部分相互抵消）。其中：Z 代表电极特性阻抗；l 为电极长度；N 代表束团中粒子数量；为束团标准差（RMS ）长度；ϕ代表电极对束团张角，c 代表光速（对于自由电子激光装置中的相对论性电子，可以认为其速度近似为光速），当束团在接近中心处变化时，ϕ的变化量与束团横向位置的变化量接近线性关系。当电极加工精度与安装精度足够高时，探头上测得电压信号是一个由束团横向位置与束团电荷量分布决定的时域变化信号。
一组相对于管道中心对称的电极上测得信号经差比和计算后能得到束团沿电极中心连线上的相对位置，其关系可由式（2）近似表示（理论上，差比和处理后的位置信号与束团电荷量无关，仅仅反应束团位置信息。但是束团电荷量影响探头上测量到的电压信号幅度，其信噪比会影响测量精度）。在另一方面，由于SBPM 探头上测得的电压信号幅度与束团电荷量成正比，SBPM 系统也可以用于束团电荷量的相对性测量。
φV a V c 式中：Y 代表束团垂直方向位置测量值（水平方向位置的测量同理），而y 代表束团垂直方向位置，b 代表真空室半径，代表电极张角，与分别代表垂直方向两探头测得信号幅度。从式（2）可以得出，束团位置y 与位置测量值Y 在公式所示范围内比值一定，其比值可以用探头标定系数表示。
2 硬件系统
2.1 系统架构
一套SBPM 测量系统硬件上主要包括管道内探头、管道外电子学（包括射频信号调理模块和数字采样与处理模块，一般会整合为一体化的数字化束流位置信号处理器（DBPM ）系统）及连接电缆三个主要部分，并最后通过以太网与主控网连接，整体系统框图如图2所示。
根据SXFEL 设计需求，需要在主加速器前后总计安装35台SBPM 。这些探头分布在较大的空间内，因此整个测量系统采用了分布式的数据采集处理结构。管道外的技术走廊中一共有4个束测本地站，每个本地站对应最多9套SBPM 采集系统。同一本地站的SBPM 系统由一套定时扇出模块提供触发信号，测得信号统一经由机架式交换机上传到主控网络中。探头上产生的信号经引出后通入管道外电子学部分，在完成信号的滤波、增益调整、数字采样与信号处理后接入主控网。
30°
150 mm
2 mm
Fig. 1 Schematic of stripline BPM probe
图 1 条带型束流位置探头示意图
强 激 光 与 粒 子 束
2.2 束流探头设计与研制
提高SBPM 系统的测量精度，首先必须优化其电极结构，基本判据是在满足测量分辨率、对束流的影响可接受的情况下，确定束流探头的张角、厚度、长度，并使其电极特性阻抗与信号输出阻抗50 Ω相匹配。
对于SXFEL 上SBPM 探头的设计，由于真空段束流清晰区半径为12.5 mm ，因此将电极距离管道中心的距离优化在12.5 mm ，在避免影响束流清晰区的条件下尽量提高待测信号功率。为减小电极间信号的耦合，电极张角不宜过大；同时，由于输出信号幅度正比于电极张角，更大的电极张角会带来更好的信噪比。综合考虑下，将电极张角设为30°。电极厚度的选择主要影响电极的机械强度，根据上海
同步辐射光源（SSRF ）上的经验选择了2 mm 。电极长度会影响系统工作频率，在这里选取了150 mm ，此时输出信号的频谱分布曲线如图3所示，纵坐标表示输出信号对应频率成分相对幅度大小。
在其他条件确定的情况下，电极特性阻抗与真空室半径成正比关系，其关系曲线如图4所示。对应50 Ω特性阻抗的真空室半径为16.4 mm ，实际使用时由于近似公式的偏差，该尺寸选定为16.25 mm 。
2.3 电子学设计
2.3.1 射频前端电子学
射频前端电子学选择了窄带滤波的信号调理设计方案[8]，其构成如图5所示，经过精简后可在一块单独的射频子板上实现全部功能，并便于整合进DBPM 系统中。
射频前端调理电路的功能主要为对信号进行滤波与增益调整。滤波电路将滤除待测信号中（500±10）MHz 以外的其他频率成分，由于带通滤波器对远端噪声的抑制作用不太理想，因此加入了三级低通滤波器。增益模块的功能为将滤波后的信号幅度调整到与模拟数字转换器（ADC ）量程相匹配，同时提供一定的增益动态调整范围。因此在信号增益模块内安装有三个增益固定的放大器（串联后合计提供约67 dB 的增益）与两个可调衰减器
BPM probe switching board switching board
switch
outside the tunnel
DBPM inside the tunnel
BPM probe BPM probe BPM probe
clock
EPICS
Fig. 2 Diagram of SBPM system hardware composition
图 2 SBPM 系统硬件组成示意图
500
1000150020002500
3000
frequency/MHz
012345
Fig. 3 Signal frequency domain response腺苷蛋氨酸
图 3 探头信号频域响应
16
17181920
vcauum pipe radius/mm
Fig. 4 Function of vacuum chamber radius and impedance
图 4 真空室半径与特性阻抗的关系
input signal LPF <770 MHz LPF <770 MHz LPF 770 MHz
AMP 23 dB
AMP 23 dB
AMP 21 dB ATT 0-31.5 dB
ATT 0-31.5 dB BPF (500±10) MHz BPF (500±10) MHz
output signal
Fig. 5 Schematic of radio frequency signal conditioning electronics
图 5 射频前端调理模块示意图
吴 桐等： 上海软X 射线自由电子激光装置直线加速器束流位置测量系统研制
（串联后其可调衰减范围为0～63 dB ）。除此之外，电路上的其他器件也会产生约8 dB 的固定衰减。信号增益调整模块最终提供的最小增益约为−4 dB ，最大增益约为59 dB ，动态范围为63 dB 。
经过调理后的模拟信号由美国Analog Devices 公司的AD9265芯片转为数字信号，该芯片具有4独立通道、16 bit 采样位数、最高采样率125 MHz 、DC ～650 MHz 宽带宽的特性。
2.3.2 数字采样与信号处理电子学
电子学部分采用了自主研制的DBPM 系统，使用一体化嵌入式结构。其中集成了射频信号调理、模数转换、数字信号处理及数据采集与控制功能，其结构如图6所示。DBPM 中的数字母版以可编程逻辑阵列（FPGA ）芯片Xilinx XC5VSX50T 和微处理器（ARM ）芯片Freescale iMX6q 为核心，主要实现数据传输、信号处理及系统控制功能。
在实际使用中，为了避开主频率成分的四分频125 MHz ，以减少ADC 采样过程中可能引入的噪声，选择让ADC 工作在117 MHz 的频率下，其典型测量波形如图7所示。
3 软件系统
依据SXFEL 的设计需求，软件系统的处理速率需要达到50 Hz 以上。因此，研制SBPM 软件系统的过程中，参照上海光源上同类型仪器的设计经验[9-11]并进行了优化。最终研制的DBPM 系统处理速率能达到120 Hz [12-14]。
3.1 系统架构
处理器的固件和软件构架如图8（a ）所示。控制中心通过文件管理系统与SBPM 系统进行交互，通讯与数据交换功
能依靠ARM 芯片通过实验物理及工业控制系统（EPICS ）进行。因此，ARM 芯片内置有EPICS 控
制反转（IoC ）接口以及匹配硬件的驱动程序。为了提高数据处理速率，DBPM 的信号处理功能主要在FPGA 内实现，包括数字信号处理逻辑（DSP ）、系统控制逻辑（control ）和接口逻辑（PCIE ，RAM ，SPI ）。
3.2 数据流图
DBPM 系统最终会输出三种信号：低触发ADC 原始数据、束团位置信息、连续1024次触发的ADC 原始数
input sigal
clock
clock
power
ethernet RF485
解放军264医院SRAM FPGA
ARM board
SDRAM
PROM
CPLD
RF front end
ADC
JTAG
SFP trigger interlock MC
PM
Fig. 6 Frame of signal processing unit in digital BPM
图 6 数字BPM 电子学系统构架
0100200
硅油乳膏300400500600700
time/ns
−1.0
−0.500.51.0
Fig. 7 Waveform measured by ADC
图 7 ADC 实测波形
control document management
system
ARM
EPICS signal processing
driver register
bus
systcm control logic
FPGA
ext trig 1024 data start end
Ch A Ch C
V A V C
连通性×k
ADC raw data
horizontal position
beam position information
int trig
switch
RAM V A −V C V A +V C
DSP
trigger data selector
threshold
ADC data
4×256FIF0
4×512FIF0
periodic trig
√￣∑e
i=s x i 2
√￣
∑e
i=s
x i 2
(a) system architecture (b) data flow diagram (c) algorithm function block
Fig. 8 Software system diagrams
中国同学录
图 8 软件系统示意图
强 激 光 与 粒 子 束
据。为了对齐每次触发时存储的信号，这里设计了一个两级先入先出队列（FIFO ）结构进行数据存储，具体数据流图如图8（b ）所示。
3.3 信号处理算法
ADC 采集到的数据需要经过处理后才能得到精确的束团位置信息。考虑到使用窄带滤波信号调理方案时，调制后的信号频率持续时间较长，在具体测量时选择以特定时间窗口内测得信号的功率值作为测量值。以ADC 上两通道数据为例，信号处理流程如图8（c ）所示。
4 运行测试
对SBPM 系统位置分辨率的测试借助漂移段上间距相等的连续三个条带BPM 探头进行，实际测试结构如图9所示。
δSBPM 三套SBPM 系统对同一束团同时进行数据采集处理。束团在漂移段中不改变前进方向，由几何关系可知，当系统一致性达到要求时，束团经过两侧的SBPM1和SBPM3时位置的平均值与经过SBPM2时的位置一致。此时SBPM 系统的位置测量分辨率与三个SBPM 探头所测得信号的关系可表示为
δSBPM ∆D 式中：为分辨率，δGF 为标定系统的几何因子，为位置水平方向期望值与测量值之差。其中
D 1D 2D 2式中：、、分别代表SBPM1、SBPM2、SBPM3中的束流位置测量值。由图9可知，SBPM1与SBPM3测得束流位置平均值应与SBPM2测得束流位置相同，它们之间的差值是三个SBPM 系统测量误差的集合，与单个SBPM 系统测量误差的比值由标定系统的几何因子描述。
目诊
测试实验分别在188 pC 、50 pC 与9 pC 条件下进行。图10（a ）列出了其中一组典型测试结果，可以看到，SBPM2所测得束团位置与SBPM1和SBPM3所测得束团位置的平均值成严格正相关，其偏离值也基本满足高斯分布。根据束流实验所计算出的位置分辨率如表1所示，所用探头的标定系数K ＝5.24 mm （K 表示位置转换因子，为束团位置与SBPM 测量结果的比值），在电荷量188 pC 时，空间位置测量分辨率可达到5.7 μm ，好于设计指标10 μm@500 pC 。
由于信号幅度与束团电荷量成线性相关，SBPM 系统也可用于束团电荷量的辅助测量。如图10（b ）所示，用相邻两个SBPM 探头上所测得的电荷量进行对比，在电荷量188 pC 时，流强测量分辨率可达到0.096%，对应电荷量
−200
−200
−100140160180200220−100
0100200300140
160
180200220measured x /μm
(a) horizontal position resolution@188 pC
(b) current intensity resolution@188 pC
Δx =5.7 μm charge=188 pC
SBPM1 Q /nC
ΔQ =0.18 nC charge=188 pC
Fig. 10 Horizontal position resolution and current intensity resolution@188 pC
图 10 188pC 时束团位置分辨率和流强分辨率测量结果
4606 mm 4606 mm
beam
D 1
D 2D 3SBPM1
SBPM2
SBPM3
Fig. 9 Online test system
图 9 在线测试系统示意图
吴 桐等： 上海软X 射线自由电子激光装置直线加速器束流位置测量系统研制
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