澳门威利斯人上海应物所等高梯度C波段发射电波

作者:威尼斯人科学

中国科学院上海应用物理研究所经过多年研制测试,相继完成国内首套数字化束流信号处理器的原理样机、工艺样机开发,现已实现批量化生产及应用,在上海光源、上海软X射线自由电子激光装置、大连相干光源装置等三个大型加速器上投入在线运行,共有近八十台。该处理器实验室测试信噪比达到80dB,束流单次通过测试相对位置分辨率好于千分之一。在上海光源储存环上完成的束流实验结果表明,逐圈位置分辨率达到亚微米,达到光源运行的位置监测精度要求,可用于上海光源束流测量系统升级改造。在大连相干光源装置上完成的束流实验结果表明,在500pC流强下使用该处理器的条带BPM系统和腔式BPM系统分辨率分别达到4μm和0.4μm,满足该装置超高位置分辨率的设计要求,处理器性能达到国际同类设备先进水平。

中国科学院上海应用物理研究所联合中国电子科技集团第十二研究所和上海三浩真空技术有限公司,经过长期的理论研究和技术攻关,成功研发了高梯度C波段射频加速技术单元,在SDUV-FEL加速器平台上进行了该技术单元试验研究,获得了50MV/m的带束加速梯度,实验结果表明该技术研究取得重要进展。

威尼斯人棋牌,在刚刚过去的一轮北京正负电子对撞机Ⅱ同步辐射模式运行中,由中国科学院高能物理研究所自主研制的数字束流位置探测器(Beam Position Monitor,BPM)电子学系统完成储存环上试运行实验,系统在线稳定运行12天。图1所示为运行期间束流流强为120-250mA情况下,从7月23日中午12:00至7月24日早晨8:00的20小时内,束流在垂直方向的闭轨位置分辨率约为3.17μm(含束流轨道位置变化因素)。

奥门威尼斯人误乐城 1奥门威尼斯人误乐城, 资料图:自由电子激光器的应用范围十分广泛,美国海军在该领域大力投资,开发出多种武器技术。

数字化束流信号处理器是加速器装置关键的束流测量设备之一,应用广、数量多。国际上已有成熟的商业产品,但为了便于进行二次开发及节约设备经费,当前国际在建的主要装置如NSLS-II,LCLS-II,SwissFEL和EuropeanXFEL都自行研制数字信号处理器并已逐步投入使用,而国内尚无自主研制的产品。在此背景条件下,上海应物所于2010年开始启动数字化束流信号处理器的研制工作,并于2012年研制成功用于储存环的DBPM原理样机及小批量工艺样机。之后借助自由电子激光装置项目启动的契机,确定在FEL装置中采用自主研制的信号处理器,现已攻克批量生产过程中质量控制所需的各个工艺技术难关,完善了该类处理器的整个生产测试流程,为上海应物所及我国后续大型加速器装置的研制建设奠定了坚实的技术基础,填补了我国在粒子束流诊断领域专用仪器设备研制的空白。

澳门威利斯人,C波段射频加速技术是国际上新发展起来的高梯度加速技术,在自由电子激光和医用及工业应用加速器上有重要应用。2011年日本建成了8GeV的C波段直线加速器,带束加速梯度为35MV/m;瑞士和意大利也紧随其后研制了自己的C波段加速结构,并正在建设用于自由电子激光和康普顿背散射光源的C波段加速器,在可查文献记录中,他们的高功率试验加速梯度最高达到55MV/m,带束加速梯度最高达到45MV/m。

实验中,利用自制数字BPM电子学进行了束流响应矩阵测量,测量结果表明数字BPM增益为0.93,误差小于10%,完全满足BEPCⅡ在线测量和运行需求,结果如图2所示。

  ■本报记者 陈欢欢

该处理器采用高速AD结合FPGA模块完成信号的采集处理,可实现实时的复杂信号处理算法,在配置不同的核心信号处理单元后,可分别用于储存环和直线加速器的束流信号处理,具有极其广泛的应用前景。上海应物所还将在此处理器基础上,开发更多的模拟信号处理前端及数字信号处理算法,以进一步拓展其应用范围。

上海应物所于2008年开始研制C波段加速技术,先后与中电十二所和三浩真空一起研制成功了1m长等阻抗、0.5和1.8m长等梯度加速管样机,以及脉冲功率压缩器。C波段加速结构首次采用4π/5模式的拱形腔,以提高加速结构的功率效率和束流品质,能量倍增器采用TE0115模式,实现高品质因素性能。在高功率试验中,0.5米长加速结构样管获得60MV/m的加速梯度。1.8米长样管在束流试验中,取得了50.8MV/m的世界最高的C波段带束加速梯度,在略高于设计要求的运行梯度42.7MV/m下,其脉冲“打火”概率低于0.01%,能量倍增器峰值功率获取了5.6倍增因子,最高输出峰值功率达到145MW。

数字BPM位置分辨率高,硬件设计难度大,固件算法复杂。高能所束测组工作人员经过3年半艰苦努力,克服时间短,人员少,技术难度大等重重困难,从无到有,从有到优,完成了数字BPM的研制与实验任务。

  对原子、分子的探测是物理化学研究的基础,但由于现有仪器设备的限制,大多数分子和自由基难以被单光子电离,使很多研究无法深入,成为困扰科研工作者的一大难题。

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高梯度C波段射频加速技术是X射线自由电子激光试验装置的关键技术,利用40MV/m的高加速梯度,可以较大尺度地缩减加速器规模。通过该项目技术攻关,掌握了高梯度加速结构的射频理论分析、3D电磁场模拟设计、快速精确的微波“冷测”技术和系统化的高功率束流测试等关键技术,并探索形成一套完整的加工制造工艺。

本次在线运行实验,首次实现了高能所束测组自主研发的数字BPM在BEPCⅡ储存环上的稳定运行。该工作填补了我国自研数字BPM在加速器电子储存环在线稳定运行的空白,标志着高能所束测组完成了数字BPM由研发阶段向工程应用阶段的关键转变。同时,它也为实现BEPCⅡ储存环BPM的更新换代,以及未来在高能同步辐射光源工程中的应用奠定了坚实基础。

  一项旨在解决该难题的实验装置即将在我国建设。3月12日,总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”在大连正式启动。它将成为国际上唯一一套工作在50~150纳米区间且波长可调的全相干高亮度的自由电子激光器。

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通过该项目研究,攻克了C波段高梯度射频加速技术,各项技术指标均能够满足SXFEL装置的运行要求,部分指标还达到了国际最好水平,为后续的C波段加速结构批量制造和SXFEL的顺利建设提供了技术保障。

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  项目总负责人、中科院院士杨学明表示,该装置的研制将极大提升我国在能源等相关基础科学领域的实验水平,并极有希望成为国际上相关领域的一个重要研究基地。

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图1 自研数字BPM在BEPCⅡ中的位置分辨测量结果

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