HLS注入系統top-off模式調試與研究

尚風雷，王遠遠，尚 雷，陸業明，陳大潮

（中國科學技術大學 國家同步輻射實驗室，安徽 合肥 230029）

top-off注入是指同步輻射光源中在不關閉光束線光閘、不中斷用戶實驗的情況下，不斷向儲存環補充電流，使光源運行在準恒流狀態下。top-off注入模式具有以下優點：提高積分流強和軌道穩定性而不受儲存環束流壽命的限制；解決光束線上光學元件因熱負載效應引起的光斑不穩定及儲存環束流軌道不穩定；相對于傳統每隔數小時注入一次的decay模式，光源可工作于更低的發射度模式、可采用更小的插入件間隙和更靈活的束團填充模式。HLS在升級改造后束流發射度將更低，插入件的應用更多，這將使得束流品質有明顯改善，與此同時，注入器能量升級為800MeV［1］，電子束脈沖長度達到了1ns，儲存環的各項指標也達到了設計要求，具備了topoff模式注入的調試條件［2］。為此，本工作開展HLS top-off模式的調試工作。

1 注入系統電源及電源穩定性測量

HLS 儲存環采用水平局部凸軌注入系統［3］，用4塊鐵氧體磁芯沖擊磁鐵產生高度為24mm 的水平局部凸軌，沖擊磁場波形為半正弦波，波形底寬為1.3μs。HLS采用4臺脈沖電源為4塊沖擊磁鐵供電，并根據現場的需要對機柜位置做出調整：1）將5臺高壓充電電源集中放置于監控機柜中，并將監控機柜放置在環中心，這樣可減小干擾、便于維修充電電源；2）在靠近磁鐵的位置放置放電柜，以減弱電纜對磁場波形的影響，還有利于減小沖擊磁場的擾動，因為高壓電纜的電感相對于沖擊和切割磁場不能被忽略。

利用pico4424 虛擬示波器對沖擊磁鐵電源和切割磁鐵電源的穩定度進行測量，圖1為4臺沖擊磁鐵電源和切割磁鐵電源的電流波形，沖擊磁鐵電源的延遲抖動使用泰克DPO3014示波器進行測量。

在800 MeV 工 作 點 設 定 值3 359A 情 況下，利用pico4424虛擬示波器和Pearson電流互感器（型號110，0.1V／A），測量沖擊磁鐵電源的波形及穩定性。測量結果表明：沖擊磁鐵電源波形為半正弦波波形，底寬1.3μs。穩定度測量共取1 000點（pico4424虛擬示波器記錄長度最大只能設為1 000點），每秒測量1個點，經測量計算，沖擊磁鐵電源的幅值標準偏差為0.08%（p-p），峰峰值偏差為0.288%，優于設計指標0.3%。

在同樣條件下使用泰克DPO3014示波器，設置時間軸為40ns／大格，即8ns／小格。用時序系統時鐘為觸發源，同時監測通道1（Kicker1）、通道2（Kicker2）、通道3（Kicker3）、通道4（Kicker4）上升沿陰影，選擇示波器長余輝模式，測量15 min，線寬均小于8ns。于是可得出結論：相對于外觸發時鐘，Kicker1～Kicker4上升沿抖動＜8ns。

在工作點，利用pico4424虛擬示波器和自制電流互感器（0.01V／A），測量切割磁鐵電源的波形及穩定度。測試結果表明：切割磁鐵電源波形為正弦波，正半周波形底寬65.57μs；幅值穩定度測量共記錄1 000 點，標準偏差為0.015%（p-p），峰峰值偏差為0.092%。

2 top-off模式的調試與分析

在前期top-off注入模式調試時，注入過程被頻繁打斷，如圖2a所示，這主要是由于，在top-off模式下，直線加速器微波功率源與注入系統要一直處于工作狀態，而為了實現滿能量注入，功率源系統高壓電源需工作在45kV 以上，它導致了功率源系統故障率非常高，故障不僅來自調制器本身（放電柜中電阻電容等高壓器件經常損壞），而且來自微波反射功率保護以及真空連鎖保護。

圖1 Kicker電源波形和septum 電源波形Fig.1 Wave of power supply of Kicker and septum

圖2 top-off模式調試情況Fig.2 Status of debug under top-off mode

HLS改造后，電子槍脈沖長度為1ns，于是通過拆除部分人工線電感、電容將調制器脈沖平頂降為原來的一半，約2μs。事實證明，2μs脈沖平頂可滿足需求，且大幅降低了故障率。

此外，對于微波功率源以及注入系統，采用了預充電的工作方式，這對于降低故障率也起到了非常大的作用。預充電方式是指在放電時序到達前，提供一個時序，使高壓充電電源開始工作，為人工線充電，然后等待放電信號，產生脈沖波形。相對于一般方式（高壓電源為人工線充電后，一直等待放電信號），電路器件約90%的時間處于低電位。采用預充電模式保護了電子器件，一方面保證了電源系統的穩定性，另一方面也降低了電源的故障率。

在完成了調制器與注入系統電源的改進后，top-off模式注入時，電源故障率很低，如圖2b所示，連續6h左右，均無被打斷的現象。

3 波形實時監測系統

在注入過程中，需對調制器和注入系統波形進行監測，方便發生故障時進行判斷，HLS改造前使用的方法是在設備與控制室間鋪設同軸線纜，在控制室使用示波器進行觀測，長距離的同軸線纜不僅衰減了信號，還可能會導致不同系統間因共地而引起干擾。為此，HLS采用了帶有網絡功能的示波器：在本地完成監測，通過網絡，在控制室使用一臺計算機，計算機上使用NI signal express軟件，完成對調制器和注入系統波形的實時監測。每臺示波器有一個固定的IP地址，計算機既可同時訪問所有示波器，也可對每臺示波器進行訪問。如圖3所示，共連接了9臺示波器，上面8個窗口依次為調制器1～8號的高壓實時波形，下面4個是注入系統Kicker1、septum、Kicker3、Kicker4的實時波形。

圖3 波形實時監測系統Fig.3 Waveform real-time monitor system

4 殘余振蕩

注入系統產生局部凸軌將注入束流接納入儲存環的同時，會對已儲存的束流產生擾動，實現top-off模式的一個關鍵問題是對儲存環束流軌道的擾動充分小。國際上有的采用屏蔽注入過程的方法來解決，即在注入期間，向用戶送開關信號，用戶可在注入期間內不進行采樣，待束流的擾動被充分阻尼后，再恢復采樣。而如果實際運行中注入過程給儲存束流帶來的擾動很小，那么除了在局部凸軌內部的兩個實驗線站外，其他實驗線站用戶幾乎感覺不到注入的擾動。這樣可提高用光效率。

圖4為HLS反饋系統對殘余振蕩的抑制效果，圖4a未加反饋，圖4b添加了反饋。從圖中可看出，反饋系統縮短了殘余振蕩對束流的影響時間。進一步的效果還需繼續調試。

圖4 反饋系統對殘余振蕩的抑制效果Fig.4 Inhibitory effect of residual vibration by feedback system

5 輻射劑量率

圖5中所取的輻射劑量觀測點為HLS環內現有輻射劑量觀測點輻射水平最高的一個點，從圖中可看出，top-off注入時劑量明顯較正常注入時的低。

在調試過程中，調節能量狹縫會對輻射劑量率有影響，圖5a投入了能量狹縫，圖5b未投入能量狹縫。由圖中可看出，在投入能量狹縫后，輻射劑量率降低。

圖5 top-off時輻射劑量率的變化Fig.5 Change of dose rate under top-off mode

6 結語

調試結果表明，采用能量狹縫是未來topoff模式運行的有效手段之一。目前，HLS 能進行top-off注入，但也存在很多問題，還需建立安全可靠的輻射安全聯鎖、調節注入器以及束運線等參數才能更好地實現top-off注入。故現階段top-off模式僅用于束流清洗，還不能用于為用戶供光。HLS已具備top-off模式注入的基礎，能否成功投入使用，還需進一步的調試和各系統的配合。

感謝李京祎、盧平、蔣詩平、王琳、楊永良、張善才、黃章玲、劉勇濤等為本文工作提供的幫助。

［1］ ZHANG Shancai，LI Weimin，FENG Guangyao，et al.The upgrade of Hefei Light Source（HLS）transport line［C］∥Proceedings of IPAC'10.Kyoto，Japan：IPAC，2010.

［2］ WANG Lin，LI Weimin，FENG Guangyao，et al.The upgrade project of Hefei Light Source（HLS）［C］∥Proceedings of IPAC'10.Kyoto，Japan：IPAC，2010.

［3］ SHANG L，SHANG F L，LU Y M，et al.The new injection system of the HLS Ⅱ［C］∥Proceedings of IPAC2013.Shanghai：IPAC，2013.