1# @Time    : 2020-02-10
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粒子加速器定时系统

本系列主目录： 粒子加速器控制

在阅读加速器定时系统的手册或者论文时候会看到各种名词和数据，由于概念命名的不统一，会对初学者造成困扰，因此我总结一下常见的一些概念。

1. 如果对定时系统没有什么基础的了解，强烈推荐阅读Timo Korhonen 在1999年ICALEPCS会议上发表的这篇文章：REVIEW OF ACCELERATOR TIMING SYSTEMS 里面详细介绍了定时系统的发展，目标，分类，技术以及事件定时系统的基础概念。
2. 常用的一些无歧义的概念此处不列出，比如EVG, EVR, Fan-out等。
3. 本文只列基于事件的定时系统的概念，基于时间戳同步的定时系统（比如White Rabbit 项目White Rabbit at cern）在此不予介绍。
4. 如果有什么错误或纰漏，欢迎发邮件斧正。

名词解释

• RF frequency 或者 Accelerating frequency，本质上就是RF的频率，环（包括Storage Ring，booster 或者 Damping Ring）高频频率通常在500 MHz左右。
• Repetition frequency 或者 Fiducial rate或injection cycle或trigger rate，指注入重复周期，通常为几Hz。例如瑞士SLS为3.125Hz，即每320ms注入一次。上海SSRF为2Hz，每500ms注入一次，而日本SuperKEKB为50Hz，每20ms注入一次。可以理解为每秒钟重复多少次注入过程（但不一定代表注入束团的数量，比如在SuperKEKB，一个pulse内可以有两个bunch）。
• Circumference，环周长，单位为米。
• orbit frequency 或者 revolution frequency，回旋频率，一秒钟粒子在环里转多少圈。由环的周长和粒子速度确定。
• orbit cycle 或者 revolution cycle，回旋周期，回旋频率的倒数，粒子在环里转一圈的时间。
• harmonic number 或者 bucket number 或者 bunch number，即谐波数，由回旋频率和RF频率共同确定，谐波数也决定了环内最多有多少个“bucket”，每个bunch都要注入进一个bucket，然后在环内升能。
• coincidence frequency 或者 common frequency 不知道怎么翻译，相干频率或者重合频率？其实就是两个环的回旋频率的最大公约数（也就是两个环回旋周期的最小公倍数），只有在这个频率下extract一个环的bunch才能恰好进入另一个环的对应bucket。
• Event rate 或者 Event clock 或 clock frequency，即Event timing system中发送事件的频率，MRF系列产品支持25MHz~125MHz。为了和环锁相，通常由环RF高频频率分频得到。
• Timing jitter或 clock precision，信号的抖动，通常要求抖动在几十皮秒(picosecond)的数量级。
• Bucket Selection，顾名思义就是要选择注入到环里的哪一个bucket，根据BPM测得的束团数据或运行需求选择bucket之后，计算并设置电子枪的延迟。
• Bunch spacing，连续注入的两个bunch，相隔的bucket数量。

以SuperKEKB为例

下面以列出SuperKEKB为例，列出其主环Main Ring 和 正电子Damping Ring的一些定时参数：

由表中可知，主环运行在50赫兹，共有5120个bucket，相邻两次注入时会相隔49个bucket（96.3 ns）。

Bucket Selection

在设计加速器定时系统时，首先要考虑两个环回旋频率的同步关系，其次也要考虑linac高频与环高频之间的同步关系。除此之外也要注意与AC50电网信号的同步，此处细节较复杂，以后再介绍。

对于定时系统的实现细节可以参阅这几篇论文：

• H. Kaji et al. “ BUCKET SELECTION SYSTEM FOR SuperKEKB”, PASJ 2015 THP100
• H. Kaji et al. “INSTALLATION AND COMMISSIONING OF NEW EVENT TIMING SYSTEM FOR SuperKEKB”, PASJ 2015 FROL15

SuperKEKB linac的高频频率为2856 Mhz，为了和环高频508.9 MHz同步，选择coincidence frequency为10.38 Mhz（96 ns）。关于上图的 493 μs 的计算，见下表：