基于射频信号直接正交欠采样的新型数字化束流测量方法研究

Beam phase and position measurement is very important in beam diagnostics for accelerators. With the development of the digital processing technique, institutes in China and abroad have made a big progress in digital beam measurement domain. Supported by the NSFC, our group had worked on the research project of beam measurement which came into a conclusion recently. In the previous research, we accomplished two separate systems, one for beam phase measurement, the other for beam position measurement. Based on this experience, aiming to solve the problems in previous project, we plan to make further research in fully digital beam measurement using the latest digital technique. A new method - - Radio-Frequency signal direct In-phase and Quadrature -phase under-sampling technique will be applied in beam measurement, which will effectively simplify both the analog circuit and digital signal processing, and integrate the beam phase and position measurement in one single system. Meanwhile, it will also solve the problem of measuring the first and second harmonic components of the beam Radio Frequency signal. Efforts will be made on the research of suppressing the electronics non-linearity, high quality clock system design fulfilling the demands of this new method, etc. If supported by the NSFC, we plan to accomplish this new fully digital beam phase and position measurement method, which is expected to be applied in beam measurement for domestic and foreign accelerators, such as the China Spallation Neutron Source (CSNS), Accelerator Driven Sub-critical System (ADS), and future The Heavy Ion Accelerator Facility (HIAF), etc.

近年来随着数字技术的发展，国内外在数字化束流测量方面取得了长足的进展，申请人所在研究团队曾在已结题的一项国家自然科学面上基金支持下进行了成功的探索，分别初步实现了数字化束流相位、位置测量方法。在此基础上，本项目计划展开进一步研究，针对已完成的束测研究中存在的问题，采用最新数字化技术，基于新型的"射频信号直接正交欠采样方法"实现全数字化的测量，在模拟电路和数字信号处理部分同时实现最简化，并在单个系统中同时完成相位及位置测量，并解决同时进行束流信号基频和二次谐波测量问题。将其他领域多种新型技术融汇到束测领域中，研究出新型束测方法。项目中将着重探索如何基于Dither技术抑制系统非线性、如何设计正交欠采样下高精度时钟电路等问题。本项目研究总结出的新型全数字化束流测量技术，期望可以进一步推广应用于国内外升级或新建的加速器系统束流测量中。

近年来随着数字化技术的发展，国内外在数字化束流测量方面取得了长足的进展，在研究团队已完成工作基础上，本项目展开进一步研究，采用最新数字化技术，基于新型的“射频信号直接正交欠采样方法”实现全数字化的束流测量，在模拟电路和数字信号处理部分同时实现结构简化，并将其他领域新型技术融汇到束测领域中，研究出新型束测方法。. 在项目基金的支持下，基于新型的束流信号正交欠采样技术展开研究，成功实现技术突破，在单个系统中同时完成束流相位和位置测量。相对于传统的基于模拟信号处理的束测系统，以及目前主流的基于数字下变频技术的数字化束测系统，此技术同时简化了模拟电路部分和数字信号处理部分的复杂度，提升了系统的可靠性。. 在原理方法研究的基础上，进一步展开了原理验证电子学的设计，并进行了系统的测试。在完成电子学系统的修改和完善后，最终成功完成了原理样机的设计，并实际结合ADS质子直线加速器上使用的BPM探头成功进行了联合测试。在此基金项目工作基础上，研究团队进一步加入到中科院战略先导专项“未来先进核裂变能 – ADS嬗变系统”中，承担了其中的子课题“数字化束流位置与相位测量研究”。除应用于ADS中加速器的束流测量外，在项目研究中总结出的束流相位及位置测量的实时数字化技术，可以进一步推广应用于其他升级中和新建的加速器系统束流测量中。