上海軟X射線自由電子激光腔式束流位置測量系統(tǒng)

陳 健，袁任賢，俞路陽，賴龍偉，冷用斌,2,*

(1.中國科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201204；2.中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800)

上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL)是我國第1臺能輻射出X射線的相干光源，主要由光陰極注入器、直線加速器、兩級高增益諧波放大器和診斷線站構(gòu)成。第1階段為實驗裝置，電子束能量可被加速至840 MeV，其目標(biāo)是在軟X射線波段區(qū)實現(xiàn)9 nm出光并驗證級聯(lián)的高增益諧波放大模式的可行性。第2階段將升級為用戶裝置，通過增加兩個C波段加速結(jié)構(gòu)將電子束能量增至1.5 GeV，其目標(biāo)是實現(xiàn)2 nm出光并提供長期穩(wěn)定、具有超高亮度的X射線脈沖，為材料、物理生物研究等提供高分辨成像、超快過程探索、先進結(jié)構(gòu)解析等尖端研究手段[1]。

而根據(jù)自由電子激光(FEL)的運行機制，為減少FEL輻射輸出功率衰退，在波蕩器段需使電子束與產(chǎn)生的輻射光能有效進行相互作用并實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和傳輸，從而要求電子束與光子束的軌道近乎一致[2-3]，因此要求束流橫向位置測量系統(tǒng)的分辨率好于μm甚至亞μm量級。各種束流位置探測器中僅采用諧振腔結(jié)構(gòu)的腔式束流位置測量(cavity beam position monitor, CBPM)系統(tǒng)能耦合束流在腔內(nèi)激發(fā)的多種電磁場特征模式，具有極高的位置靈敏度，能滿足此需求[4]，因而被廣泛應(yīng)用于各類FEL裝置和國際線性對撞機中[5-7]。本文設(shè)計研制1個由C波段腔式探頭、單路混頻至低中頻的射頻前端以及自主研發(fā)的專用數(shù)字信號束流位置處理器(digital beam position monitor processor, DBPM)構(gòu)成的CBPM。

1 系統(tǒng)需求

根據(jù)FEL物理設(shè)計給出的技術(shù)要求[1]，為滿足SXFEL調(diào)試、驗收、運行及機器研究的需要，在實驗裝置中，波蕩器段束流位置測量系統(tǒng)需提供17個CBPM探頭，分別安裝在每臺波蕩器的入口和出口處，用于束流位置的精確測量。此外，根據(jù)CBPM的相位腔(參考腔)特性，其耦合出的信號幅度與束團電荷量呈正比，可用于精確的束團電荷量的相對測量；而信號的初始相位還包含束團到達時間的信息，可用于束團到達時間的精確測量。因此，建成后的系統(tǒng)應(yīng)達到如下主要技術(shù)指標(biāo)。

1) 束流橫向位置測量。提供束流軌道的精確測量值，并用于軌道校正，從而找到電子束的理想軌道。要求測量系統(tǒng)的位置分辨率在束團電荷量為500 pC、系統(tǒng)動態(tài)范圍為±500 μm的條件下好于1 μm(表示為1 μm@500 pC±500 μm)。

2) 束團到達時間測量。結(jié)合束流橫向位置測量，實現(xiàn)電子束團和種子激光在三維空間上的同步。要求測量系統(tǒng)的時間分辨率好于100 fs。

3) 束團電荷量的相對測量。要求測量系統(tǒng)的相對電荷量測量分辨率好于0.1%。

4) 系統(tǒng)測量線性范圍在束團電荷量為500 pC時≥±2 mm。

2 CBPM探測原理

當(dāng)束團通過諧振腔時，由于尾場效應(yīng)會在腔內(nèi)激發(fā)出電磁場的各種特征模式。對于標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形腔體，當(dāng)束團沿z軸通過時，由于TM(transverse magnetic)模式具有縱向電場，束團將在其自身激發(fā)的縱向電場里損失能量，導(dǎo)致該模式得到有效激發(fā)，因此，只有TM模式被激發(fā)且振幅由損失的束流能量決定。其中，偶極模TM110具有軸向反對稱性，其軸向電場分量在圓坐標(biāo)系中可由式(1)表示[8-9]：

(1)

式中：E0為電場強度；J1為一階貝塞爾函數(shù)；μ11為一階貝塞爾函數(shù)的第1個根；r為腔體半徑；ω為腔體諧振角頻率；ρ為徑向坐標(biāo)。當(dāng)ρ接近0時，J1(ρ)正比于ρ，即當(dāng)束流在腔體電中心附近時，所激勵的TM110信號強度與中心偏移量呈正比，且在軸心兩側(cè)的電場相位相差180°。因此，偶極模的激發(fā)電壓Vz可由束團位置偏移量x和束團電荷量q簡單表示：

Vz=A0qx

(2)

為消除束團電荷量抖動帶來的影響并為束團偏移方向的判斷提供1個參考相位，還需添加1個主工作模式為單極模的參考腔。對于標(biāo)準(zhǔn)圓柱型腔體，當(dāng)束流在腔體電中心附近時，單極模TM010的軸向電場分量可由式(3)表示[8-9]：

(3)

式中：J0為零階貝塞爾函數(shù)；μ01為零階貝塞爾函數(shù)的第1個根。當(dāng)束團偏離中心軸的距離較小時，即ρ較小時，零階貝塞爾函數(shù)J0(ρ)的值接近于1，信號強度與束流偏心位置無關(guān)，而只與束團電荷量q相關(guān)，因此常用于位置腔信號的歸一化以及束團電荷量的相對測量。并且由于該模式電場的軸向?qū)ΨQ性，當(dāng)束團偏離中心軸兩側(cè)時，其相位一致，可作為位置腔TM110模信號相位的參考基準(zhǔn)，從而可進行束流偏移方向的判斷。此外，束流到達時間也可從參考腔TM010模式相對主時鐘信號的RF相位測得。

3 系統(tǒng)設(shè)計及研制

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

依據(jù)FEL物理的需求，SXFEL的CBPM系統(tǒng)探頭分布及硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。共有17個CBPM探頭分布在每臺波蕩器的入口和出口處，根據(jù)探頭較大范圍分布的特點，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用了分布式的結(jié)構(gòu)，在技術(shù)走廊也有與探頭分布對應(yīng)的4個束測本地站，每個本地站機柜最多可配有5套射頻前端、5套DBPM、1套本振信號源和1套定時扇出模塊，用于完成對應(yīng)CBPM探頭信號的處理和分析。

整個系統(tǒng)主要由3部分組成：位于隧道內(nèi)的腔式探頭拾取電子束在腔內(nèi)激發(fā)的電磁場特征模式信號，并由短接同軸電纜組件傳輸至前置放大前端中完成信號的濾波和預(yù)放大，以減小有效信號在長距離主射頻電纜中的損耗；預(yù)處理的信號經(jīng)插入損耗較低的Times的LMR600射頻電纜傳輸至束測本地站，再和本振源產(chǎn)生的與束流完全同步、低相位噪聲的本振信號下變頻至約500 MHz中頻，由DBPM接收該饋入信號，并在定時網(wǎng)絡(luò)扇出的觸發(fā)信號同步下對信號進行量化、處理完成束流位置等信息的提取，最后以EPICS(experimental physics and industrial control system)運行數(shù)據(jù)庫記錄方式向控制系統(tǒng)提供束流位置等數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖1 CBPM系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware configuration of CBPM system

1) 腔式BPM探頭

考慮到SXFEL的束團重復(fù)頻率僅10 Hz，為降低對后續(xù)信號處理電子學(xué)在數(shù)據(jù)采集上的壓力以及獲取更多的信號處理增益，選用高有載品質(zhì)因子Q的方案。探頭的結(jié)構(gòu)參考日本SACLA的設(shè)計優(yōu)化而成[6]，為避免來自主加速器系統(tǒng)的暗電流干擾，腔體的工作頻率需遠(yuǎn)離主加速器工作頻率2 856 MHz的整數(shù)和半整數(shù)倍頻率，結(jié)合SXFEL波蕩器段16 mm的真空管道直徑，因此將諧振腔的工作頻率選擇在4.7 GHz附近，而為提高腔體的Q，腔體材料采用了電導(dǎo)率更高的無氧銅[10]。圖2為設(shè)計的高Q型CBPM探頭的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 高Q型CBPM探頭三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Three-dimensional structure of high-Q CBPM

為減小腔體間的串?dāng)_對束流位置測量的影響，在探頭設(shè)計和加工中將水平、垂直位置腔和參考腔的諧振頻率設(shè)定得略有偏差，其頻率f分別設(shè)定：在水平方向為4.681 GHz、垂直方向為4.689 GHz、參考腔為4.694 GHz[11]。經(jīng)多批零件加工測試來探索加工精度對腔體諧振頻率和Q的影響趨勢，采用參考腔和位置腔獨立加工，各自指標(biāo)達到要求后整體焊接的方法，并在最終組裝焊接前、后均用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行腔體諧振頻率和Q的測試，以保證腔體批量加工的一致性。圖3、4分別為批量加工17套CBPM的諧振頻率和Q一致性的測量結(jié)果。

圖3 諧振頻率一致性測量結(jié)果Fig.3 Measurement result of resonant frequency

圖4 Q一致性測量結(jié)果Fig.4 Measurement result of Q

由上圖批量測試結(jié)果可知，腔體加工頻差可控制在±3 MHz以內(nèi)，Q一致性可控制在10%以內(nèi)。

2) RF前端

RF前端的主要功能是將從腔體中耦合出的高頻信號進行調(diào)理、整形，使輸出的IF信號能匹配ADC(analog-to-digital converter)最佳輸入量程，并降低信號的載波頻率，有效利用現(xiàn)有高分辨率ADC的性能。

對于RF前端，其設(shè)計要求包括有：

(1) 前端噪聲系數(shù)NF小于15 dB；

(2) 本振輸出信號與束流信號完全同步，相位抖動附加(RMS)小于30 fs；

(3) IF信號頻率約500 MHz，以匹配后續(xù)信號處理電子學(xué)的模擬輸入帶寬要求；

(4) 三通道IF信號輸出幅值大致相同，以匹配ADC輸入量程；

(5) 在束團電荷量1 nC條件下，最大束流偏心4 mm，前端不損壞。

據(jù)此設(shè)計了一款基于外差接收機架構(gòu)的RF前端，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 射頻前端結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of RF front-end

整個RF前端分為兩部分，一部分是位于隧道內(nèi)的前置放大前端，對從腔體耦合出來的信號進行濾波和預(yù)放大，以減小連接隧道內(nèi)外的長距離傳輸電纜對有效信號的損耗。另一部分位于隧道外，本振信號發(fā)生器接收定時系統(tǒng)傳輸過來的2 856 MHz的參考時鐘信號，輸出與束團信號同步的頻率為4 184.83 MHz的LO信號，將隧道內(nèi)引出的腔體信號下變頻至500 MHz附近。集成在DBPM中的可調(diào)中頻放大器完成最后的增益調(diào)整，以滿足ADC的最佳幅度輸入要求，且中心頻率為500 MHz、帶寬為±10 MHz的聲表面濾波器作為抗混疊濾波器以抑制其他諧波的干擾。

為實現(xiàn)本振信號與束流同步，并保證較小的相位抖動附加，采用模擬混頻直接合成的LO信號產(chǎn)生方式，其基本原理是將參考信號進行多次分頻、混頻和倍頻組合，以最大程度降低分頻對本底噪聲的影響，其方案如圖6所示。

經(jīng)Agilent E5052A信號分析儀測試，該合成方案的本振輸入輸出信號RMS小于10 fs，滿足設(shè)計要求。

圖6 模擬直接頻率合成方案示意圖Fig.6 Diagram of analog direct frequency synthesis scheme

3) 數(shù)字BPM信號處理器

數(shù)據(jù)的采集和信號處理采用了上海光源束測組自主研發(fā)的數(shù)字束流位置處理器，該處理器基于軟件無線電架構(gòu)，采用帶通采樣技術(shù)作為信號的量化方案。在硬件結(jié)構(gòu)上采用嵌入式Standalone結(jié)構(gòu)，主要由1個射頻信號調(diào)理子板和1個數(shù)字處理母板組成，射頻信號調(diào)理子板主要完成信號的調(diào)理整形和信號的量化，數(shù)字處理母板以FPGA(field programmable gate array)作為信號處理平臺進行在線數(shù)字信號的處理，并結(jié)合ARM處理器實現(xiàn)信號傳輸、儲存和數(shù)據(jù)的獲取等功能[12-16]，整體硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 DBPM硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Hardware structure diagram of DBPM

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)的獲取采用分布式結(jié)構(gòu)，在DBPM電子學(xué)的ARM中運行ARM-Linux操作系統(tǒng)并集成了EPICS IOC(input output controller)，并以運行數(shù)據(jù)庫記錄的形式實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的配置、原始ADC數(shù)據(jù)以及計算得到的束流位置等結(jié)果數(shù)據(jù)的獲取和傳輸。運行人員可通過位于OPI(operator interface)層的EDM面板進行電子學(xué)設(shè)備的控制以及運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖8所示。

CBPM的在線信號處理在底層的FPGA中實現(xiàn)，以滿足未來SXFEL用戶裝置50 Hz束團重復(fù)頻率的工作模式[17-18]。在信號處理算法上，在采用傳統(tǒng)的快速傅里葉變換方法進行信道幅度和相位提取的基礎(chǔ)上，針對DBPM電子學(xué)中FPGA內(nèi)部資源不足只能截取有效波形處512點數(shù)據(jù)進行計算的特殊情況，提出了固定FFT諧振頻率點處的下標(biāo)來解調(diào)相位的優(yōu)化方案，解決了由于柵欄效應(yīng)引起的相位解調(diào)存在較大誤差的問題。

圖8 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.8 Software architecture of system

4 系統(tǒng)調(diào)試及性能評估

基于系統(tǒng)的設(shè)計和研制，在SXFEL中完成了CBPM系統(tǒng)的搭建，并在此基礎(chǔ)上進行了系統(tǒng)的束流調(diào)試和相關(guān)性能的評估測試。

4.1 位置分辨率評估

選取主加速器末端的漂移段處的3個相鄰的腔式探頭進行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析從而去除束流抖動對位置分辨率評估的影響，系統(tǒng)組成如圖9所示。

位于CBPM探頭下方的移動平臺可實現(xiàn)水平和垂直方向的移動來模擬束流位置的相對偏移，可進行RF前端增益線性范圍的評估以及位置轉(zhuǎn)換因子K的標(biāo)定。

圖10為測試的RF前端增益線性曲線，在束流偏移電中心±2 mm范圍內(nèi)呈較好的線性，而在大于2 mm時線性度不足，這是受位于隧道內(nèi)的射頻前置放大器的P1 dB飽和功率所限制，測試結(jié)果與設(shè)計期望值符合。

圖9 漂移段束流位置分辨率評估系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.9 Diagram of beam position resolution evaluation system in drift section

圖10 RF前端的增益線性曲線Fig.10 Gain linear curve of RF front-end

圖11為3個探頭的幾何位置分布及關(guān)聯(lián)分析的示意圖。由式(4)的幾何關(guān)系，CBPM2的位置(U′2)可由CBPM1和CBPM3的位置(U′1和U′3)來預(yù)測。假設(shè)束流呈直線通過所有BPM，因此可通過CBPM2的測量值(U2)和U′2之間的差異(ΔU)并結(jié)合幾何因子GF來計算位置分辨率，如式(5)所示，其中幾何因子可由式(6)計算。

圖11 探頭幾何分布及關(guān)聯(lián)分析示意圖Fig.11 Schematic of detector geometric distribution and correlation analysis

(4)

δCBPM=GF·STD(Δd)

(5)

(6)

式中：δCBPM為分辨率；Δd為位置垂直方向期望值與測量值之差；STD為相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。

結(jié)合圖12的K標(biāo)定結(jié)果，在束團電荷量為500 pC、系統(tǒng)的動態(tài)范圍在±800 μm的工作條件下，CBPM2垂直方向的測量值與期望值之間的線性關(guān)系如圖13所示，殘差分布如圖14所示。

圖12 位置轉(zhuǎn)換因子標(biāo)定結(jié)果Fig.12 Calibration result of position conversion factor

圖13 位置測量值和期望值之間的關(guān)系Fig.13 Relationship of measured position and expected values

圖14 位置測量值與期望值的殘差分布Fig.14 Residual distribution of measured position and expected values

從束流實驗結(jié)果可知，當(dāng)在束團電荷量為500 pC、系統(tǒng)動態(tài)范圍在±800 μm的條件下，測得CBPM系統(tǒng)在垂直方向的位置分辨率可達880 nm，實現(xiàn)了SXFEL對CBPM系統(tǒng)進行位置測量好于1 μm@500 pC±500 μm的指標(biāo)要求。理論上，若可將系統(tǒng)動態(tài)范圍縮小至±500 μm，可實現(xiàn)約550 nm的位置分辨率結(jié)果。

4.2 相對電荷量分辨率評估

為評估CBPM的參考腔進行束團電荷量測量的性能，在漂移段選取兩個相鄰的CBPM的參考腔進行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，從而去除束團電荷量抖動的影響，實驗評估結(jié)果如圖15所示。

圖15 相對束團電荷量分辨率評估結(jié)果Fig.15 Evaluation result of relative bunch charge resolution

圖15為相鄰兩個參考腔進行束團電荷量測量的線性關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，評估得到利用參考腔進行束團電荷量測量的分辨率為0.076%，好于0.1%的相對電荷量測量的指標(biāo)要求。

4.3 束流到達時間分辨率評估

同樣，參考腔的主模TM010模式信號電場也包含著束流到達時間相位信息，因此仍采用相鄰兩個參考腔的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的方法進行束流到達時間分辨率和束流飛行時間分辨率的評估測試，評估結(jié)果分別如圖16、17所示。

由評估結(jié)果可知，采用CBPM的參考腔進行束流到達時間測量時，分辨率可達到57.2 fs，束流飛行時間分辨率可達約34 fs，好于束流到達時間系統(tǒng)分辨率優(yōu)于百fs的指標(biāo)要求。

圖16 束團到達時間測量結(jié)果的分布直方圖Fig.16 Histogram of beam arriving time

圖17 束團飛行時間測量結(jié)果的分布直方圖Fig.17 Histogram of beam flying time

5 結(jié)論

本文結(jié)合SXFEL波蕩器段對束流位置測量的要求，完成了腔式探頭的物理設(shè)計和加工、RF前端的設(shè)計和電路搭建、本振信號源的設(shè)計、束流信號處理器硬件和軟件的開發(fā)，并在國內(nèi)首次成功搭建了可在線運行的CBPM系統(tǒng)。初步束流實驗測試結(jié)果表明該系統(tǒng)在束團電荷量為500 pC、系統(tǒng)動態(tài)范圍為±800 μm的條件下，得到了880 nm的位置分辨率評估結(jié)果，達到了SXFEL對CBPM系統(tǒng)進行位置測量好于1 μm@500 pC±500 μm的指標(biāo)要求。利用CBPM的參考腔進行束團電荷量和束流到達時間的測量，在束團電荷量為500 pC的條件下，得到了0.076%的相對電荷量分辨率、57.2 fs的束流到達時間分辨率以及34.1 fs的束流飛行時間分辨率的結(jié)果，實現(xiàn)了SXFEL相對束團電荷量分辨率好于0.1%以及束流到達時間系統(tǒng)分辨率好于10-13s的目標(biāo)。