[论文解读] Beam Feedback Systems and BPM Read-out System for the Two-Bunch Acceleration at Kekb Linac

K. Furukawa, N. Kamikubota+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2001

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 6被引用 9

一句话总结

本文提出了一套升级的束流位置监测器（BPM）读出系统及束流反馈控制，用于高能同步加速器实验室（KEK）直线加速器的双 bunch 运行，实现了对两个相隔 96.29 ns 的正电子束团的同步测量与稳定控制。通过使用延迟电缆避免波形重叠，并将反馈系统修改为采用电荷加权平均值与位置差值，该系统维持了束流能量与轨道的稳定性，成功支持了正电子注入速率提升一倍，进入 KEKB 环。

ABSTRACT

In order to double the positron injection rate into the KEKB ring, a two-bunch acceleration scheme has been studied at the linac, in which bunches separated by 96 ns are accelerated in 50 Hz. In this scheme the stabilization of energy and orbit of each bunch is indispensable. Thus the beam energy and orbit feedback systems have been upgraded. Since beam characteristics are acquired through beam position monitors (BPM), their read-out system was improved to meet two-bunch requirements. Combined waveforms from BPM's were adjusted with delay cables avoiding overlaps and they enabled simultaneous measurement of beam positions of two bunches. The beam energies of two bunches were balanced by tuning rf pulse timings, and the average energy was stabilized by adjusting the accelerating rf phases. The average beam orbits were also stabilized. Slow feedback systems at the injector section for charge and bunching stabilities are being planned as well. These systems were used successfully in the test beams and will be employed in the routine operation.

研究动机与目标

• 通过改进束流诊断与反馈控制，实现在 KEK 直线加速器中稳定的双 bunch 加速。
• 通过精确的信号定时与延迟调节，解决两个紧密间隔束团（相距 96.29 ns）导致的 BPM 波形重叠问题。
• 将束流能量与轨道反馈系统扩展，以稳定平均束流参数并最小化两个束团之间的能量差异。
• 在保持与现有单 bunch 运行完全兼容的同时，支持双 bunch 束流处理。
• 通过提升束流稳定性和控制能力，支持将正电子注入速率提升一倍的目标，进入 KEKB 环。

提出的方法

• BPM 信号读出系统使用延迟电缆将两个束团的波形在时间上偏移 96.29 ns，防止在数字化过程中发生重叠。
• 采用 5-Gs/s 波形数字化仪（Sony-Tektronix TDS-680B/C）采集 BPM 信号，并通过插值实现高精度的束流位置测量。
• 所有 18 台数字化仪均由单一同步信号触发，确保 600 米长直线加速器内各点的精确时间同步。
• VME 计算机通过响应函数处理束流位置，包括三阶位置映射、衰减因子和基于束流的对准偏移量。
• 反馈回路经过修改，采用电荷加权平均束流位置实现轨道与能量稳定，同时利用位置差值实现能量差异校正。
• 软件扩展以支持双 bunch 运行，包括通过束控磁铁磁场与 BPM 响应之间的相关性实现束流能量测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不发生波形重叠的前提下，准确获取两个相隔 96.29 ns 的束团的 BPM 信号？
• RQ2 在双 bunch 运行中，束流反馈系统需要进行哪些修改，以实现平均束流能量与轨道的稳定？
• RQ3 在 50 Hz RF 脉冲加速过程中，如何最小化两个束团之间的能量差异？
• RQ4 束流定时与 RF 脉冲定时控制在平衡两个束团能量方面起到何种作用？
• RQ5 现有反馈与诊断系统在不损失性能的前提下，能在多大程度上扩展以支持双 bunch 运行？

主要发现

• BPM 读出系统通过使用延迟电缆与波形分离技术，成功获取了两个相隔 96.29 ns 的束团的束流位置，同时保持了完整的精度与速度。
• 通过精细调节束流定时（10 ps 步长）与 RF 脉冲定时（1.75 ns 步长），束流能量差异被减小至 0.3 MeV 以下（15.5 MeV vs. 15.8 MeV）。
• 通过调节加速 RF 相位，平均束流能量得到稳定，确保两个束团获得一致的能量增益。
• 采用电荷加权平均位置的轨道反馈系统在双 bunch 运行期间成功维持了稳定的束流轨迹。
• 利用两束团之间位置差值的能量差异反馈回路，即使能量差异变化不频繁，也能实现长期稳定。
• 升级后的系统已成功通过测试并自 2001 年 3 月起投入常规运行，支持双 bunch 加速方案，实现了正电子注入速率的提升。