合肥光源儲(chǔ)存環(huán)高頻系統(tǒng)升級(jí)和相關(guān)物理研究.pdf

1、2010年至2014年合肥光源進(jìn)行了重大維修改造，光源品質(zhì)和穩(wěn)定性獲得了提高。束流自然發(fā)射度降低到40 nm*rad，流強(qiáng)大于300 mA，滿足了同步輻射應(yīng)用面向未來科學(xué)發(fā)展的需求。
　　儲(chǔ)存環(huán)高頻系統(tǒng)相應(yīng)進(jìn)行了全面升級(jí)。其中全固態(tài)發(fā)射機(jī)取代了真空四極管發(fā)射機(jī)，模擬低電平系統(tǒng)升級(jí)為數(shù)字低電平系統(tǒng)，高頻系統(tǒng)附屬的測(cè)量和控制系統(tǒng)也進(jìn)行了軟硬件的升級(jí)改進(jìn)。
　　本論文課題承擔(dān)了合肥光源高頻系統(tǒng)總體升級(jí)方案的調(diào)研和設(shè)計(jì)、核心部件的研

2、制、離線測(cè)試、系統(tǒng)安裝、在線測(cè)試以及高頻系統(tǒng)帶束流運(yùn)行調(diào)試等任務(wù)。課題工作主要包括以下幾個(gè)方面:
　　通過調(diào)研世界上各大光源的高頻系統(tǒng)及其核心設(shè)備如功率源和低電平控制系統(tǒng)的最新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，制定了合肥光源高頻系統(tǒng)升級(jí)改造方案，以及固態(tài)發(fā)射機(jī)和數(shù)字低電平系統(tǒng)研制的技術(shù)路線。
　　在固態(tài)發(fā)射機(jī)研制中，依據(jù)本次改造工程對(duì)高頻功率的要求，并兼顧將來可能的升級(jí)，同時(shí)最大限度的提高功放模塊的工作效率，設(shè)計(jì)了30kW/40kW兩種工作模式

3、，分別采用48個(gè)和64個(gè)650W功放模塊，通過8*6和8*8的合成方式完成功率合成。構(gòu)建了固態(tài)發(fā)射機(jī)高功率測(cè)試平臺(tái)，測(cè)量了功放模塊和合成器的特性。功放模塊的增益為25±0.1dB，調(diào)整后的插入相移偏差小于±0.2°;合成器的駐波比小于1.02。進(jìn)行了30kw/40kW兩種工作模式下固態(tài)發(fā)射機(jī)的高功率測(cè)試，輸出功率分別達(dá)到44kW和33kW。通過長(zhǎng)時(shí)間高功率考驗(yàn)，驗(yàn)證了固態(tài)發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性。測(cè)量了部分功放模塊失效對(duì)固態(tài)發(fā)射機(jī)輸出功率的影響，

4、測(cè)量值接近理論計(jì)算值，證明了合成器和分配器的制作和裝配取得了成功。研究了環(huán)形器損壞對(duì)固態(tài)發(fā)射機(jī)輸出功率的影響。發(fā)現(xiàn)在某些特殊情況下，環(huán)形器的損壞有可能導(dǎo)致發(fā)射機(jī)輸出功率的大幅下降，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)予以證實(shí)。
　　構(gòu)建了數(shù)字低電平離線測(cè)試平臺(tái)，完成數(shù)字低電平系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的離線測(cè)量。數(shù)字的低電平系統(tǒng)最大增益為30dB，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，其幅度和相位控制穩(wěn)定度分別小于±1％和±0.1°，滿足設(shè)計(jì)要求。
　　完成了高頻附屬測(cè)量和控制設(shè)備

5、的升級(jí)及其控制程序的編制。采用Fluke2680A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對(duì)固態(tài)發(fā)射機(jī)功放模塊的溫度，電源模塊的電流、電壓，以及水冷板流量等參量的監(jiān)測(cè)。在Labview環(huán)境下編寫了高頻系統(tǒng)控制程序，將信號(hào)源、數(shù)字低電平系統(tǒng)、快速連鎖保護(hù)模塊，F(xiàn)luke2680A數(shù)據(jù)采集器、E4417功率計(jì)的監(jiān)測(cè)和控制集成到一起，并實(shí)現(xiàn)與EPICS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程操作。
　　完成了高頻系統(tǒng)的安裝調(diào)試以及帶束流運(yùn)行。固態(tài)發(fā)射機(jī)采用8*6合成方式，輸出功率

6、為30kW。研究并測(cè)量了低電平環(huán)路參數(shù)與束流穩(wěn)定性的關(guān)系。通過對(duì)數(shù)字低電平系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，高流強(qiáng)下高頻場(chǎng)幅相穩(wěn)定度分別達(dá)到了±1％和±0.1°，并實(shí)現(xiàn)了最高流強(qiáng)460mA的帶束流穩(wěn)定運(yùn)行。
　　對(duì)儲(chǔ)存環(huán)高頻噪聲與束流的相互作用機(jī)制進(jìn)行了研究。高頻系統(tǒng)所存在的噪聲會(huì)激勵(lì)束流縱向振蕩，降低束流的品質(zhì)。對(duì)高頻噪聲的影響的研究歷來為世界上各加速器實(shí)驗(yàn)室所重視，現(xiàn)已發(fā)展了一些較為有效的分析方法，如Pedersen模型和迭代方程等。束流受

7、擾后的縱向振蕩會(huì)改變它在高頻腔中的建場(chǎng)，這種變化反過來又會(huì)影響束流運(yùn)動(dòng)，兩者的關(guān)聯(lián)較為復(fù)雜?，F(xiàn)有的分析方法對(duì)此進(jìn)行了一些近似處理，在低流強(qiáng)小擾動(dòng)的情況下非常有效，但對(duì)于高流強(qiáng)大擾動(dòng)的情況則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。本課題在原有理論的基礎(chǔ)上，對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，依據(jù)諧振腔的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)模型，對(duì)束流振蕩所引起的高頻腔瞬態(tài)場(chǎng)變化進(jìn)行逐束團(tuán)累積計(jì)算（不做近似處理），同時(shí)跟蹤場(chǎng)的改變所造成的束流運(yùn)動(dòng)變化。
　　編制了模擬計(jì)算程序，分析了束流在相位調(diào)制的高頻