飞秒级束流到达时间测量关键技术研究

It is an international hotspot as well as a domestic demand for the medium and long term development strategy of science and technology to construct the advanced light source based on the large particle accelerators. One of the key techniques to build such facilities and to experiment with high temporal resolution is to measure the beam arrival time accurately. Several methods which are capable of measuring the beam arrival time with resolutions of few fs have been developed in order to meet the needs of the X-ray free electron laser facilities in the last decade. Those which are based on the electro-optic amplitude modulation are relatively complex in structure. Although the resolutions now reach 6 fs, the optimization potentials are limited. On the other hand, those which are based on the phase detection of the RF cavity have simpler structures. Their resolutions can reach 1-3 fs theoretically and have already reached 13 fs experimentally. There's a gap in the area in our country and related research needs to be studied as soon as possible. This project aims to develop the beam arrival time measurement system based on the cavity phase detection technology. Innovations will be made in the RF signal conditioning techniques and IF demodulation algorithms to realize the temporal resolution of few fs in the system.

基于大型粒子加速器的先进光源建设，以及在此类光源上展开的高水平用户实验，是目前本领域内的国际发展热点，也是我国中长期科技战略发展的需求。束流到达时间的精确测量是建造此类装置所需的关键技术之一，也是光源用户展开高时间分辨实验需要解决的关键科学问题之一。近10年来为满足X射线自由电子激光装置的需要，发展出了多种分辨率达到fs量级的束流到达时间测量技术。其中基于电光幅度调制技术的测量方法，系统结构相对复杂，实验实测最好分辨率可达6fs，但进一步优化发展空间不大。而基于射频相位腔技术的测量方法，系统结构简单，其理论分辨率可达1-3fs，实验实测最好分辨率已达13fs，还有较大发展空间。国内在此领域尚属空白，需要尽快开展相关研究。本项目计划选择射频相位腔为主要研究方向，在射频信号调理、中频检波算法等方面进行创新，研制fs量级束流到达时间测量系统，为我国束流测控技术走至世界前列寻找新的突破点。

以同步辐射光源和自由电子激光装置为代表的大型粒子加速器是目前国际上重点发展的大型科学装置，它可以为生命科学、环境科学、材料科学、信息科学等前沿科学领域的研究提供强有力的支持。对于我国而言，此类装置的发展和建设作为国家中长期科技战略发展的迫切需求有助于推动我国各科学领域的研究步入世界前列。束流到达时间作为此类装置中的关键技术问题之一，发展相应的测量和诊断方法是当前的重要任务。.本课题研究了基于射频相位腔法测束流到达时间方案的可行性并探索了双腔混频技术用于束流到达时间/飞行时间测量的可行性。设计并研制了多套双腔探头用于提取束流到达信息，研制了专用的电子学前端和本振器以及信号处理器，搭建了一套完整的束流到达时间测量系统，基于SXFEL的双腔探头的自混频结果表明分辨率可好于13 fs。.在腔体探头性能评估方法和信号处理方法方面，评估并对比了时域Hillbert变换后求积分面积、时域Hillbert变换后峰值提取、频域谐波分析和主成分分析方法（PCA）等多种信号处理方法的优缺点。首次提出并实验验证了PCA方法用于腔体串扰分析的可行性，讨论比较了不同腔体参数及束流条件下不同串扰评估方法的适用范围，对同类装置的研制、调试和运行具有很好的借鉴作用。.在信号处理方案上，分析并比较了示波器射频直接采样和基带中频采样以及带通欠采样法在输出信号幅度提取和相位提取精度上的优缺点。其中基带中频采样被用于SXFEL中的束流到达时间主要信号处理方案。开发了一套仿真软件包用于评估腔式探头信号调理、数字化、信号处理算法，比如不同束流倾角对信号相位提取的影响。.在上海光源储存环上以纽扣电极为研究对象，提出了一种新的过零检测法可实现逐束团到达时间的测量，分辨率可达到百fs量级，在世界范围内首次实现了分辨率达到亚皮秒的逐束团到达时间测量，可用于对储存环的注入过程进行精确定量分析。