合肥光源儲(chǔ)存環(huán)束流軟慢加速控制

1、第16卷第8期2004年8月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.8Aug.,2004文章編號(hào):100124322(2004)0821075203合肥光源儲(chǔ)存環(huán)束流軟慢加速控制劉功發(fā),謝東,李為民,劉祖平(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230029)摘要:合肥光源儲(chǔ)存環(huán)為非滿能量注入,束流以200MeV的能量注入到儲(chǔ)存環(huán)后慢加速到800MeV。介紹了慢加速的理論依據(jù)及儲(chǔ)存環(huán)主電源控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),詳細(xì)描述了束流軟慢加速方法中的慢加速表計(jì)算及慢加速過(guò)程控制。機(jī)器運(yùn)行結(jié)果表明:軟慢加速方法控制靈活,慢加速過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn),束流損失

2、很少,能很好地滿足合肥光源機(jī)器運(yùn)行和研究的需要。關(guān)鍵詞:同步光源;儲(chǔ)存環(huán);慢加速;磁鐵;電源;控制中圖分類號(hào):TL503.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A合肥光源由直線加速器、輸運(yùn)線和電子儲(chǔ)存環(huán)組成。直線加速器將電子加速到200MeV后,通過(guò)輸運(yùn)線注入到儲(chǔ)存環(huán)。合肥光源的電子儲(chǔ)存環(huán)是一個(gè)四重對(duì)稱的TBA結(jié)構(gòu),共有12塊二極磁鐵、32塊四極磁鐵和14塊六極磁鐵。電子在每塊二極磁鐵內(nèi)彎轉(zhuǎn)/6,所有二極磁鐵由同一臺(tái)電源供電。四極磁鐵分為8組,分別由8臺(tái)電源供電。六極磁鐵分為2組,分別由2臺(tái)電源供電1。當(dāng)電子在儲(chǔ)存環(huán)中積累到一定流強(qiáng)后,要進(jìn)行慢加速(Ramping),將電子加速到工作能量(800MeV)。慢加速過(guò)程實(shí)

3、際上就是控制上述11臺(tái)電源協(xié)調(diào)一致地增減,以保持束流的工作點(diǎn)基本不變,即停留在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。合肥光源一期工程的慢加速控制是通過(guò)特殊的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在多個(gè)電源控制器之間由同步信號(hào)來(lái)同步,我們稱之為硬慢加速2。本文介紹的慢加速控制主要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),沒(méi)有專為慢加速設(shè)計(jì)硬件,我們稱之為軟慢加速。軟慢加速的優(yōu)點(diǎn)是控制靈活,如可以在慢加速過(guò)程中同時(shí)慢加速高頻功率。另外,由于沒(méi)有專用硬件,便于電源控制器的維護(hù)。1慢加速過(guò)程的理論依據(jù)3,4慢加速的物理過(guò)程是在加速帶電粒子時(shí),同步調(diào)節(jié)各種磁鐵的磁場(chǎng)和高頻加速場(chǎng)的頻率,從而把帶電粒子從初始注入能量加速到工作能量。對(duì)于電子儲(chǔ)存環(huán),電子在高能情況下,其速度接近光速,且

4、隨著能量的增長(zhǎng),速度基本不變,也就是其回旋頻率保持不變,因此在慢加速過(guò)程中無(wú)需調(diào)節(jié)高頻頻率。為保證電子的工作點(diǎn)(即橫向振蕩頻率值)和彎轉(zhuǎn)半徑不變,慢加速過(guò)程中必須隨著電子能量的增加同步調(diào)節(jié)二極磁鐵和四極磁鐵的磁場(chǎng)。此外慢加速過(guò)程還要考慮校正色品cor的變化,這就要求六極磁鐵的磁場(chǎng)也必須協(xié)調(diào)地變化。對(duì)于分離作用的磁鐵,各種磁鐵只有一級(jí)分量,在這里我們所關(guān)心的是它們沿電子運(yùn)動(dòng)方向的積分場(chǎng)。其積分磁場(chǎng)分別表示為BB=Bds=LB=EnecBQBS)|K|L=ds=(BLxec)|=ds=(B|ec5xQQ|K|(1)22式中:BB,BQ,BS分別為二極磁鐵、四極磁鐵和六極磁鐵的積分磁場(chǎng);ds為沿磁場(chǎng)

5、路徑的積分單元;B=E22-0/E/qec為系統(tǒng)的磁剛度,對(duì)200MeV的電子,q為1,22-0/E為0.999997,可近似認(rèn)為B=E/(ec);E為電子的能量;c為光速;n為儲(chǔ)存環(huán)上二極磁鐵的個(gè)數(shù)。5By/5x和52By/5x2分別為磁場(chǎng)的四極場(chǎng)和六極場(chǎng)。在理想情況下,它們?cè)谒臉O磁鐵和六極磁鐵內(nèi)分別視為常量。K=(1/B)(5By/5x)=收稿日期:2003212229;修訂日期:2004203218基金項(xiàng)目:國(guó)家計(jì)委九五重大科研項(xiàng)目“國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室二期工程”資助課題),男,高級(jí)工程師,博士,從事加速器控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)工作;合肥市6022信箱;© 1995-2005 Tsin

6、ghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1076強(qiáng)激光與粒子束第16卷(ec/E)(5By/5x)為四極磁場(chǎng)的聚焦參數(shù)。=(1/B)(52By/5x2)=(ec/E)(52By/5x2)為歸一化的六極磁場(chǎng)參數(shù)。對(duì)六極磁鐵作薄透鏡假設(shè),其長(zhǎng)度Ls可忽略。由于同步加速器的彎轉(zhuǎn)半徑主要是由二極磁場(chǎng)和粒子的能量決定,即=E/(Bec)。而,K和共同決定了束流的和值由(1)式可以看出,隨著粒子能量的變化按照一定比例同步調(diào)節(jié)BB,BQ和BS值,則可cor。以有效地控制,K和值,從而保證了和cor基本不變。2軟慢加速的實(shí)現(xiàn)已知能量,通

7、過(guò)(1)式就可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)磁鐵的磁場(chǎng)(積分場(chǎng))。由磁化曲線,即磁鐵積分場(chǎng)與電流的B-I曲線可以得到對(duì)應(yīng)的電流I。而電源的輸出電流I與電源控制器DAC的數(shù)字量D存在一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系,即I-D曲線。通過(guò)它可以得到對(duì)應(yīng)的D值。這樣,我們根據(jù)慢加速過(guò)程的起點(diǎn)能量和終點(diǎn)能量以及設(shè)定的步長(zhǎng),可逐步計(jì)算出對(duì)應(yīng)的D值,將D值送給電源設(shè)備控制器,即可實(shí)現(xiàn)束流慢加速。2.1儲(chǔ)存環(huán)主電源控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)合肥光源控制系統(tǒng)是基于EPICS(ExperimentPhysicsandIndustrialControlSystem,近年來(lái)國(guó)際上流行的用于加速器控制系統(tǒng)的軟件包)的,圖1為在合肥光源儲(chǔ)存環(huán)主電源控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

8、框圖。一臺(tái)SUN工作站用作OPI(OperationInterface),OPI通過(guò)局域網(wǎng)與IOC(Input/OutputController)相連,IOC通過(guò)RS422與11臺(tái)電源控制器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。IOC和電源本控機(jī)都采用工業(yè)PC(IPC)5。電源控制器的16位DAC板用來(lái)控制電源的輸出電流。2.2慢加速表的計(jì)算慢加速表是電子能量與各臺(tái)電源控制器DAC數(shù)字量D值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。慢加速表的計(jì)算是在OPI(SUN工作站)上完成的,程序用TCL/TK語(yǔ)言開(kāi)發(fā)6,計(jì)算結(jié)果以ASCII文件存放。電子注入儲(chǔ)存環(huán)后,根據(jù)注入時(shí)的二極磁鐵電源電流設(shè)定值、二極磁鐵的B-I曲線以及(1)式就可以計(jì)算出注入時(shí)

9、的電子能量。對(duì)于合肥光源,注入時(shí)的電子能量一般為20018MeV。慢加速的終點(diǎn)值由用戶設(shè)定,缺省值為800MeV。步長(zhǎng)由用戶設(shè)定,缺省值為在通常情況下整個(gè)慢加速過(guò)程被分為幾個(gè)能量段,每個(gè)能量段的慢加速速率可以不同,即步長(zhǎng)不同,以滿足不同的需要。同時(shí)為了補(bǔ)償工作點(diǎn)的漂移,根據(jù)合肥光源多年的研究結(jié)果,選擇200,300,400,600和800MeV等幾個(gè)能量點(diǎn)進(jìn)行工作點(diǎn)校正,它們之間的各點(diǎn)則采用線性插值的方法進(jìn)行校正。這樣,根據(jù)慢加速過(guò)程的起點(diǎn)和終點(diǎn)能量以及設(shè)定的步長(zhǎng),可得到慢加速過(guò)程中的每個(gè)能量點(diǎn)。由B-I曲線和I-D曲線,通過(guò)線性插值可逐步計(jì)算出對(duì)應(yīng)各電源控制器DAC的D值。2.3慢加速過(guò)程的

10、控制慢加速過(guò)程的控制有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),其一是同步性,其二是慢加速過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)度。由于各臺(tái)電源電流的改變不可能絕對(duì)同步,這樣會(huì)造成工作點(diǎn)的漂移。但只要選擇合適的步長(zhǎng),保證每一步各臺(tái)電源輸出的電流同步,就可以保證束流仍停留在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。合肥光源儲(chǔ)存環(huán)的工作點(diǎn)為x3.54,y2.59,工作點(diǎn)最大容許變化量為測(cè)量結(jié)果表明,工作點(diǎn)的最大變化量x=0.04,y=0.07。x限制在0.007以內(nèi),y限制在0.0152以內(nèi),可保證束流的穩(wěn)定4。不同的能量段,束流對(duì)工作點(diǎn)漂移的承受度不同。對(duì)于合肥光源,在200300MeV段,步長(zhǎng)可選擇0.1MeV,300MeV以上可選擇0.2MeV或更高,這樣就可調(diào)節(jié)慢加速過(guò)程的時(shí)

11、間長(zhǎng)度。合肥光源儲(chǔ)存環(huán)的注入能量為200.8MeV,在此能量下,由于托歇克(Touschek)效應(yīng)使得束流的壽命很短,理論計(jì)算的壽命僅為1020min7。因此在注入完成后應(yīng)該迅速進(jìn)行慢加速,且慢加速過(guò)程的時(shí)間不能太長(zhǎng),但也不是越短越好。因?yàn)榇盆F系統(tǒng)是電感元件,對(duì)磁鐵電流增長(zhǎng)的速度有一定限制,同時(shí)由于慢加速過(guò)程引起的束流振蕩和阻尼現(xiàn)象,也對(duì)慢加速的速度有影響,而且低能時(shí)的影響較大。根據(jù)我們對(duì)合肥光源多年的研究,一般要求慢加速過(guò)程在3min左右。對(duì)合肥光源,200300MeV能量段,選擇步長(zhǎng)0.1MeV,能量在© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical D

12、isc Co., Ltd. All rights reserved.第8期劉功發(fā)等:合肥光源儲(chǔ)存環(huán)束流軟慢加速控制1077300MeV以上,選擇步長(zhǎng)0.2MeV,這樣慢加速過(guò)程為2.5min?？刂坡铀龠^(guò)程的程序在OPI上用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā),在IOC啟動(dòng)時(shí)下裝到其內(nèi)存中。IOC運(yùn)行的操作系統(tǒng)是VxWorks,它通過(guò)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng),啟動(dòng)時(shí)登錄到OPI上。這樣將OPI上慢加速表計(jì)算的結(jié)果文件放在IOC的登錄目錄,控制慢加速過(guò)程的程序就可以打開(kāi)慢加速表文件,并通過(guò)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各電源電流值的設(shè)置。在設(shè)置電源電流時(shí)有應(yīng)答機(jī)制,以保證每一步各電源輸出電流同步。只有每臺(tái)電源的電流值都設(shè)置好才進(jìn)行下一步電流的設(shè)置。為方便

13、運(yùn)行人員的操作,控制慢加速過(guò)程的程序與慢加速表的計(jì)算程序放在一個(gè)操作界面,位于OPI上,通過(guò)telnet后臺(tái)自動(dòng)交互執(zhí)行的辦法來(lái)啟動(dòng)控制慢加速過(guò)程程序的執(zhí)行8。3結(jié)論軟慢加速方法的控制非常靈活,如可以進(jìn)行工作點(diǎn)的慢加速(即能量不變,只改變某幾塊磁鐵的K或值)和向下慢加速(Rampingdown,即慢加速的終點(diǎn)能量比起點(diǎn)能量低)。通過(guò)進(jìn)一步的研究,掌握慢加速過(guò)程中高頻功率的增加規(guī)律后,也可以很方便地實(shí)現(xiàn)慢加速過(guò)程中高頻功率的同時(shí)慢加速。近來(lái)機(jī)器運(yùn)行結(jié)果表明,軟慢加速方法控制靈活,慢加速過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn),束流損失很少。如2003年12月18日3:243:26,慢加速開(kāi)始時(shí)束流流強(qiáng)為318mA,慢加速結(jié)

14、束時(shí)束流流強(qiáng)為314mA,慢加速過(guò)程束流損失僅為4mA,能很好地滿足合肥光源機(jī)器運(yùn)行和研究的需要。參考文獻(xiàn):1國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室.合肥同步輻射加速器研制報(bào)告R.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),1991.(NationalSynchrotronRadiationLaboratory.Na2tionalSynchrotronRadiationLabdevelopmentreport.Hefei:UniversityofScienceandTechnologyofChina,1991)RadiationApplicationsC.Hefei:UniversityofScienceandTechnologyo

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