全数字逐束团反馈系统研究

Coupled bunch instabilities will limit beam current and increase emittance of the storage ring, strongly affecting beam quality and performance of the light source. Especially, the new generation diffraction-limited storage ring (DLSR), that stores a high-intensity ultra-low-emittance beam, will suffer much stronger coupled bunch instabilities. So the All-digital bunch-by-bunch feedback system is studied to overcome such instabilities. Current digital feedback system uses analog frequency down-conversion and up-conversion to get baseband signal to fulfill feedback. Analog devices have high risk in hardware structure, failure rate, performance consistence, temperature influence, signal non-linearity etc. All-digital feedback system RF-direct-samples 4 button signal of BPM, within FPGA, down-conversion, digital filtering, phase shift, delay adjustment and up-conversion etc. , and DAC directly drives power amplifiers to fulfill feedback. Hardware complexity and tuning difficulty is greatly reduced by all-digital feedback system, and performance stability and precision is increased. The all-digital system increases flexibility of signal processing, besides feedback, and it could monitor bunch-by-bunch current, and analysis coupled bunch instabilities etc., to upgrade the performance of the storage ring, especially the new generation of DLSR.

耦合束团不稳定性会限制电子储存环束流流强，增大发射度，严重影响束流品质和光源质量，尤其新一代的衍射极限储存环中高密度低发射度的电子束会遇到更严重的耦合束团不稳定性问题，为此我们展开全数字逐束团反馈系统的研究。现有的数字反馈系统使用模拟上、下变频电路得到基带信号再进行处理，其使用的大量模拟器件不可避免地带来硬件复杂、故障率高，模拟器件一致性差、温漂效应明显，信号非线性等一系列问题，进而限制了性能。全数字逐束团反馈对BPM的4个电极信号在射频段直接采样，在FPGA内部完成数字下变频，数字滤波，移相，延时、数字上变频等操作，最后DA直接驱动功率放大器完成反馈。全数字系统大大降低反馈系统的硬件复杂度与调试难度，提高了系统的精度和稳定性，同时大幅提高了信号处理的灵活度，除反馈外，还可以进行逐束团流强、耦合束团不稳定性分析等研究，可以为电子储存环，尤其是新一代的衍射极限储存环性能提升发挥重要作用。

近年来国内外开始设计建造下一代衍射极限储存环，具有更低束流发射度、更高亮度和更高横向相干性。然而衍射极限储存环会引发更为严重的耦合束团不稳定性，将会成为限制束流流强及机器性能的重要因素。逐束团反馈系统是一种时域宽带的阻尼装置，能够有效地抑制所有的耦合束团模式。我们展开了全数字逐束团反馈系统的研制，其信号采样和反馈都在射频频段，不需要模拟前端和后端，大大简化了系统的硬件设计，克服模拟器件很多弊病，例如温漂效应、信号线性度问题等。本项目研究的重点为全数字反馈系统的理论基础，数字化变频技术，数字信号处理在FPGA的实现，以及基于全数字系统的反馈调试工具和束流诊断方法研究，包括：信号射频采样、数字下变频技术研究；纵向反馈的基带信号数字上变频技术研究；逐束团数据流处理算法、滤波器设计算法实现；多种逐束团反馈调试工具等。. 离线测试结果表明，全数字逐束团反馈系统实现了数字上下变频功能，实现了数字hybrid计算以及逐束团反馈输出，达到设计要求。基于EPICS协议，开发了IOC以及人机界面OPI，方便远程控制与调试。实现的功能包括：激励功能，FIR滤波器设计功能，增益设置，束团选取功能，延时调整功能等。在合肥光源储存环进行了初步的束流实验，实验结果表明，处理器工作在基带模式下，可以有效抑制耦合束团不稳定性，流强稳定运行超过360mA。逐束团反馈系统是储存环光源的重要系统，稳定了束流品质，提升了光源质量。未来的合肥先进光源真空室尺寸更小，发射度更低，束流不稳定性会更强，逐束团反馈系统是不可或缺的技术手段，其关键设备数字信号处理器一直依赖进口，为美国公司所垄断。本成果可以打破国外公司的垄断，提高了技术安全度。全数字逐束团反馈系统是加速器束流测量领域的原创性成果，简化了硬件设计，提高了灵活度和稳定度，是未来束流反馈技术的发展方向之一。