HLS注入系统top-off模式调试与研究

尚风雷，王远远，尚 雷，陆业明，陈大潮

（中国科学技术大学 国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029）

top-off注入是指同步辐射光源中在不关闭光束线光闸、不中断用户实验的情况下，不断向储存环补充电流，使光源运行在准恒流状态下。top-off注入模式具有以下优点：提高积分流强和轨道稳定性而不受储存环束流寿命的限制；解决光束线上光学元件因热负载效应引起的光斑不稳定及储存环束流轨道不稳定；相对于传统每隔数小时注入一次的decay模式，光源可工作于更低的发射度模式、可采用更小的插入件间隙和更灵活的束团填充模式。HLS在升级改造后束流发射度将更低，插入件的应用更多，这将使得束流品质有明显改善，与此同时，注入器能量升级为800MeV［1］，电子束脉冲长度达到了1ns，储存环的各项指标也达到了设计要求，具备了topoff模式注入的调试条件［2］。为此，本工作开展HLS top-off模式的调试工作。

1 注入系统电源及电源稳定性测量

HLS 储存环采用水平局部凸轨注入系统［3］，用4块铁氧体磁芯冲击磁铁产生高度为24mm 的水平局部凸轨，冲击磁场波形为半正弦波，波形底宽为1.3μs。HLS采用4台脉冲电源为4块冲击磁铁供电，并根据现场的需要对机柜位置做出调整：1）将5台高压充电电源集中放置于监控机柜中，并将监控机柜放置在环中心，这样可减小干扰、便于维修充电电源；2）在靠近磁铁的位置放置放电柜，以减弱电缆对磁场波形的影响，还有利于减小冲击磁场的扰动，因为高压电缆的电感相对于冲击和切割磁场不能被忽略。

利用pico4424 虚拟示波器对冲击磁铁电源和切割磁铁电源的稳定度进行测量，图1为4台冲击磁铁电源和切割磁铁电源的电流波形，冲击磁铁电源的延迟抖动使用泰克DPO3014示波器进行测量。

在800 MeV 工 作 点 设 定 值3 359A 情 况下，利用pico4424虚拟示波器和Pearson电流互感器（型号110，0.1V／A），测量冲击磁铁电源的波形及稳定性。测量结果表明：冲击磁铁电源波形为半正弦波波形，底宽1.3μs。稳定度测量共取1 000点（pico4424虚拟示波器记录长度最大只能设为1 000点），每秒测量1个点，经测量计算，冲击磁铁电源的幅值标准偏差为0.08%（p-p），峰峰值偏差为0.288%，优于设计指标0.3%。

在同样条件下使用泰克DPO3014示波器，设置时间轴为40ns／大格，即8ns／小格。用时序系统时钟为触发源，同时监测通道1（Kicker1）、通道2（Kicker2）、通道3（Kicker3）、通道4（Kicker4）上升沿阴影，选择示波器长余辉模式，测量15 min，线宽均小于8ns。于是可得出结论：相对于外触发时钟，Kicker1～Kicker4上升沿抖动＜8ns。

在工作点，利用pico4424虚拟示波器和自制电流互感器（0.01V／A），测量切割磁铁电源的波形及稳定度。测试结果表明：切割磁铁电源波形为正弦波，正半周波形底宽65.57μs；幅值稳定度测量共记录1 000 点，标准偏差为0.015%（p-p），峰峰值偏差为0.092%。

2 top-off模式的调试与分析

在前期top-off注入模式调试时，注入过程被频繁打断，如图2a所示，这主要是由于，在top-off模式下，直线加速器微波功率源与注入系统要一直处于工作状态，而为了实现满能量注入，功率源系统高压电源需工作在45kV 以上，它导致了功率源系统故障率非常高，故障不仅来自调制器本身（放电柜中电阻电容等高压器件经常损坏），而且来自微波反射功率保护以及真空连锁保护。

图1 Kicker电源波形和septum 电源波形Fig.1 Wave of power supply of Kicker and septum

图2 top-off模式调试情况Fig.2 Status of debug under top-off mode

HLS改造后，电子枪脉冲长度为1ns，于是通过拆除部分人工线电感、电容将调制器脉冲平顶降为原来的一半，约2μs。事实证明，2μs脉冲平顶可满足需求，且大幅降低了故障率。

此外，对于微波功率源以及注入系统，采用了预充电的工作方式，这对于降低故障率也起到了非常大的作用。预充电方式是指在放电时序到达前，提供一个时序，使高压充电电源开始工作，为人工线充电，然后等待放电信号，产生脉冲波形。相对于一般方式（高压电源为人工线充电后，一直等待放电信号），电路器件约90%的时间处于低电位。采用预充电模式保护了电子器件，一方面保证了电源系统的稳定性，另一方面也降低了电源的故障率。

在完成了调制器与注入系统电源的改进后，top-off模式注入时，电源故障率很低，如图2b所示，连续6h左右，均无被打断的现象。

3 波形实时监测系统

在注入过程中，需对调制器和注入系统波形进行监测，方便发生故障时进行判断，HLS改造前使用的方法是在设备与控制室间铺设同轴线缆，在控制室使用示波器进行观测，长距离的同轴线缆不仅衰减了信号，还可能会导致不同系统间因共地而引起干扰。为此，HLS采用了带有网络功能的示波器：在本地完成监测，通过网络，在控制室使用一台计算机，计算机上使用NI signal express软件，完成对调制器和注入系统波形的实时监测。每台示波器有一个固定的IP地址，计算机既可同时访问所有示波器，也可对每台示波器进行访问。如图3所示，共连接了9台示波器，上面8个窗口依次为调制器1～8号的高压实时波形，下面4个是注入系统Kicker1、septum、Kicker3、Kicker4的实时波形。

图3 波形实时监测系统Fig.3 Waveform real-time monitor system

4 残余振荡

注入系统产生局部凸轨将注入束流接纳入储存环的同时，会对已储存的束流产生扰动，实现top-off模式的一个关键问题是对储存环束流轨道的扰动充分小。国际上有的采用屏蔽注入过程的方法来解决，即在注入期间，向用户送开关信号，用户可在注入期间内不进行采样，待束流的扰动被充分阻尼后，再恢复采样。而如果实际运行中注入过程给储存束流带来的扰动很小，那么除了在局部凸轨内部的两个实验线站外，其他实验线站用户几乎感觉不到注入的扰动。这样可提高用光效率。

图4为HLS反馈系统对残余振荡的抑制效果，图4a未加反馈，图4b添加了反馈。从图中可看出，反馈系统缩短了残余振荡对束流的影响时间。进一步的效果还需继续调试。

图4 反馈系统对残余振荡的抑制效果Fig.4 Inhibitory effect of residual vibration by feedback system

5 辐射剂量率

图5中所取的辐射剂量观测点为HLS环内现有辐射剂量观测点辐射水平最高的一个点，从图中可看出，top-off注入时剂量明显较正常注入时的低。

在调试过程中，调节能量狭缝会对辐射剂量率有影响，图5a投入了能量狭缝，图5b未投入能量狭缝。由图中可看出，在投入能量狭缝后，辐射剂量率降低。

图5 top-off时辐射剂量率的变化Fig.5 Change of dose rate under top-off mode

6 结语

调试结果表明，采用能量狭缝是未来topoff模式运行的有效手段之一。目前，HLS 能进行top-off注入，但也存在很多问题，还需建立安全可靠的辐射安全联锁、调节注入器以及束运线等参数才能更好地实现top-off注入。故现阶段top-off模式仅用于束流清洗，还不能用于为用户供光。HLS已具备top-off模式注入的基础，能否成功投入使用，还需进一步的调试和各系统的配合。

感谢李京祎、卢平、蒋诗平、王琳、杨永良、张善才、黄章玲、刘勇涛等为本文工作提供的帮助。

［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.