對同步輻射光源來說,束流壽命參數(shù)是最重要的參數(shù)之一。隨著上海光源更多插入件的安裝和混合填充模式的投入運(yùn)行,束流壽命問題將成為上海光源面臨的一個重大挑戰(zhàn)。上海光源的束團(tuán)長度短(14 ps),發(fā)射度小(3.9 nm-rad),影響束流壽命主要因素是托歇克散射。在二期改造工程中上海光源計(jì)劃使用三次超導(dǎo)諧波腔,通過拉伸束團(tuán)提高束流托歇克壽命。二期中使用的諧波腔工作在被動模式下,由束流感應(yīng)建立電磁場,感應(yīng)電磁場頻率約為1.5 GHz,不需額外的功率源。超導(dǎo)諧波腔工作時,束團(tuán)和諧波腔感應(yīng)電壓的相位差近似為90度,束流壽命提升依賴于諧波腔感應(yīng)腔壓幅度值。課題主要內(nèi)容為研制超導(dǎo)三次諧波腔調(diào)諧環(huán)路控制系統(tǒng),控制諧波腔腔壓保持穩(wěn)定。諧波腔腔壓與流強(qiáng)成正比,與失諧頻率成反比,調(diào)諧環(huán)路系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)諧波腔的諧振頻率調(diào)節(jié)諧波腔感應(yīng)腔壓大小。本文通過類比的方法,實(shí)驗(yàn)研究工作在被動模式下的500 MHz超導(dǎo)腔來分析三次諧波腔感應(yīng)信號頻譜特點(diǎn)和影響諧波腔腔壓穩(wěn)定的噪聲。通過這部分的實(shí)驗(yàn)研究優(yōu)化調(diào)諧環(huán)路信號處理算法和諧波腔工作模式。三次諧波腔的調(diào)諧環(huán)路是由前端變頻模塊、數(shù)字處理模塊以及調(diào)諧器控制模塊三個模塊組成。前端變頻模塊的主要功能是將射頻信號轉(zhuǎn)化為中頻信號,然后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。三次諧波腔工作頻率(約1.5 GHz)為主腔工作頻率(約500 MHz)的三倍。調(diào)諧環(huán)路控制系統(tǒng)通過諧波腔感應(yīng)信號和參考信號的相位差來判斷諧波腔失諧的方向,通過束流位置探測器信號來探測流強(qiáng)。在諧波腔調(diào)諧環(huán)路中,前端處理模塊需要對對1.5 GHz和500 MHz的射頻信號進(jìn)行下變頻處理。本文介紹了三種針對1.5 GHz信號下變頻的初步方案,將1.5GHz射頻信號降頻為31.25 MHz中頻信號。通過對比三種初步方案,提出了一種基于倍頻器變頻模塊方案設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)的前端變頻模塊板卡的本振信號相位噪聲低,中頻信號線性動態(tài)范圍大于60 dB。數(shù)字處理模塊的由上海光源第三代低電平板卡和商業(yè)CPCI CPU處理板卡組成。信號處理算法和調(diào)諧環(huán)路控制算法通過上海光源第三代低電平板卡上的大容量可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。在商業(yè)CPCI CPU處理板卡上通過EPICS對調(diào)諧環(huán)路進(jìn)行參數(shù)配置和狀態(tài)讀取。調(diào)諧器控制模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)對于電機(jī)和壓電陶瓷兩種調(diào)諧器驅(qū)動控制,由一塊低噪聲高精度的適用于壓電陶瓷精細(xì)控制的驅(qū)動板卡構(gòu)成。綜上所述,本文主要完成三次諧波腔的調(diào)諧環(huán)路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。主要內(nèi)容包括:被動式諧波腔感應(yīng)腔壓特性和噪聲的研究;諧波腔控制方案的設(shè)計(jì);調(diào)諧環(huán)路的硬件設(shè)計(jì);諧波腔調(diào)諧環(huán)路信號處理算法;諧波腔控制邏輯的實(shí)現(xiàn)。已經(jīng)完成三次諧波腔的調(diào)諧環(huán)路閉環(huán)測試。閉環(huán)測試結(jié)果顯示,調(diào)諧環(huán)路可以根據(jù)射頻信號的幅度實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的精細(xì)調(diào)節(jié);調(diào)諧環(huán)路系統(tǒng)在1.5小時內(nèi)的幅度穩(wěn)定度為+/-0.34%。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O434.1
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 背景以及意義
    1.2 超導(dǎo)諧波腔在電子儲存環(huán)的應(yīng)用
    1.3 高頻低電平技術(shù)
        1.3.1 日本KEK cERL的低電平控制系統(tǒng)
        1.3.2 歐洲硬x射線自由電子激光的低電平系統(tǒng)
        1.3.3 上海光源增強(qiáng)器低電平系統(tǒng)
    1.4 被動式諧波腔控制系統(tǒng)
        1.4.1 HLS的4次諧波腔控制系統(tǒng)
        1.4.2 ALS三次諧波腔控制系統(tǒng)
    1.5 論文主要工作
    1.6 論文的難點(diǎn)和創(chuàng)新
第二章 超導(dǎo)諧波腔基本特性
    2.1 被動式諧波腔
    2.2 被動式超導(dǎo)腔工作狀態(tài)評估實(shí)驗(yàn)
        2.2.1 填充模式與感應(yīng)腔壓頻譜
        2.2.2 流強(qiáng)與感應(yīng)腔壓
        2.2.3 超導(dǎo)腔液氦槽壓力與感應(yīng)腔壓
        2.2.4 失諧頻率的關(guān)系
    2.3 三次諧波腔噪聲預(yù)估
    2.4 小結(jié)
第三章 諧波腔調(diào)諧環(huán)路設(shè)計(jì)
    3.1 諧波腔的束團(tuán)拉伸
    3.2 諧波腔控制模式
    3.3 三次諧波腔調(diào)諧環(huán)路的精度要求
    3.4 三次諧波腔調(diào)諧環(huán)路的方案初步設(shè)計(jì)
        3.4.1 控制方案中射頻信號的選取
        3.4.2 BPM信號與流強(qiáng)信息獲取
        3.4.3 三次諧波腔控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    3.5 小結(jié)
第四章 諧波腔調(diào)諧環(huán)路系統(tǒng)硬件
    4.1 前端變頻模塊
        4.1.1 變頻原理
        4.1.2 混頻方案中兩倍頻噪聲的影響
        4.1.3 三種混頻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與對比
        4.1.4 三種混頻結(jié)構(gòu)的測試與對比
        4.1.5 前端變頻模塊板卡設(shè)計(jì)
    4.2 數(shù)字處理模塊
    4.3 調(diào)諧器控制模塊
        4.3.1 調(diào)諧器控制模塊的精度要求
        4.3.2 調(diào)諧器驅(qū)動模塊的硬件設(shè)計(jì)
    4.4 小結(jié)
第五章 諧波腔控制方案和控制算法
    5.1 數(shù)字處理過程中主要硬件算法
        5.1.1 同相/正交(I/Q: In-phase/Quadrature)采樣
        5.1.2 CORDIC 算法
        5.1.3 CIC濾波器
        5.1.4 增量型PID算法
    5.2 諧波腔的控制模式
        5.2.1 基于流強(qiáng)的調(diào)諧環(huán)路模式切換
        5.2.2 調(diào)諧控制環(huán)路中流強(qiáng)的計(jì)算的簡化
    5.3 調(diào)諧環(huán)路控制邏輯和算法驗(yàn)證
        5.3.1 調(diào)諧環(huán)路控制邏輯
        5.3.2 控制算法的仿真驗(yàn)證
    5.4 小結(jié)
第六章 諧波腔調(diào)諧環(huán)路閉環(huán)測試
    6.1 調(diào)諧環(huán)路系統(tǒng)閉環(huán)測試系統(tǒng)搭建
    6.2 諧波腔調(diào)諧環(huán)路系統(tǒng)測試結(jié)果
    6.3 小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
參考文獻(xiàn)
致謝
作者簡歷及攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果

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本文編號：2847692