基于Open XAL的西安200 MeV质子应用装置同步环调束软件开发

张 辉， 杨 业, 王忠明, 王茂成, 魏崇阳, 王敏文

(1. 西北核技术研究所， 西安 710024； 2. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室， 西安 710024)

Open XAL为开放源代码的可拓展标记语言加速器程序库[1-3]，由美国散裂中子源(SNS)、中国散裂中子源(CSNS)[4]、欧洲散裂源加速器(ESS)，法国国家大加速器实验室重离子加速器(GANIL)、加拿大粒子与核物理国家实验室(TRIUMF)和美国密歇根州立大学(MSU)强流稀有同位素加速器(FRIB)等以可拓展标记语言加速器程序库(XAL)为基础协作开发，从加速器物理层面对加速器组成设备进行了建模，可通过虚拟加速器软件及光学文件实现加速器虚拟运行，为加速器装置调束软件编写提供了标准模型。

近年来，SNS在实验中用Open XAL取代了原有XAL；MSU采用Open XAL进行超导加速单元调试[5]；ESS为Open XAL建立了螺线管和导向铁模型，发展了轨迹和包络近似，并在低能传输段(LEBT)调束中模拟束流动力学[6],减少了UI相关代码上的开发工作；ESS提出了一种开发Open XAL程序的新方法，可更直观的设计应用，自动生成界面代码[7];上海软X射线源和大连相干光源通过移植Open XAL将虚拟加速器应用到FEL，基于遗传算法设计了优化软件[8]。西安200 MeV质子应用装置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility，XiPAF)物理设计完成后，以Open XAL为基础进行辅助控制和束流调试[9]，采用GitHub上2017年9月13日的Open XAL版本，针对机器实际特点相继开发了加速器数据库、数据库到光学文件转化软件、虚拟加速器、虚拟磁铁[10]和调束软件，此外还采用Java编写了遗传算法求解器，采用Python语言的机器学习算法也在拓展开发之中。调束软件中同步环调束软件共5种，至调束前已完成开发调试及虚拟验证工作。在2019年至今的调束工作中，验证了同步环束流位置探测器(beam position monitor, BPM)基于束流的准直(beam based alignment, BBA)软件及束流光学计算调整软件。

1 建立开发环境

Open XAL是一个灵活的应用框架，在开发加速器物理应用中有开源、支持多开发人员协作、采用纯JAVA语言可跨平台开发部署、支持EPICS通道访问、基于Ant可独立于IDE构建及支持数据库操作等特点。XiPAF为实现Open XAL开发运行，建立了Windows开发环境和Fedora 30运行环境，安装了数据库软件MySQL-server-5.7.16，采用JDBC实现Java同MySQL数据交换；在eclipse下通过Git从GitHub导入Open XAL项目，初步建立了本地开发环境；编译安装EPICS Base 3.14.12.8[11]，建立测试IOC；编译安装了JCA 2.3.5，实现了Open XAL与EPICS IOC的通信，建立了Open XAL同控制系统互通的运行环境；通过Ant 1.9.4实现软件自动化编译部署。

2 同步环调束软件总菜单

Open XAL采用Launch软件管理全部应用，可启动和关闭软件，并监控已启动软件。图1为Launch监控下的同步环调束软件及注入控制软件，显示了应用名称、主机名、占用内存情况、启动时间和程序最后心跳时间，判断程序是否响应。

同步环调束软件和注入控制软件的名称及功能如表1所列。

图1 Launch软件管理下的同步环调束软件及注入控制软件Fig.1 synchrotron beam commission and injectionsoftwares managed by Launch software

表1 同步环调束软件和注入控制软件名称及功能Tab.1 The synchrotron beam commissionand injection softwares

3 同步环调束软件的虚拟调试

同步环调束软件编写完成后采用Open XAL虚拟加速器进行虚拟调试，过程不依赖加速器支持，可以先于加速器建设调试软件，与加速器直接调试相比，虚拟调试更加节约和安全。

3.1 BPM基于束流准直软件RingBBA

RingBBA软件通过对束流控制和测量，实现了对待测BPM电中心相对于邻近四极铁磁中心的测量，结果设定为对应BPM的偏置量，可消除BPM测量中安装准直偏差的影响。程序扫描上游校正铁，使变化束流经过四极铁中心位置的同时微调四极铁强度，在下游采用参考BPM测量束流位置变化量同四极铁强度数据拟合作为四极铁响应，不同校正铁磁场下待测BPM的读数和对应四极铁的响应数据拟合截距即为待测BPM电中心相对于最近四极铁磁中心的偏置大小，图2为同步环BBA扫描过程及结果。

图2 同步环BBA扫描过程及结果 Fig.2 Scanning process and results of synchrotron BBA

在待测BPM为R∶BI∶BPM01时,选取下游BPM为R∶BI∶BPM07，上游校正铁为R∶MG∶VC11,校正铁采用10个扫描点，扫描范围为最大场强的±2%，最近四极铁为R∶MG∶VC11，微调点数为5个，微调范围为5%，经过扫描计算拟合，得到BPM垂直偏心约为-0.678 3 mm。

3.2 同步环响应矩阵测量软件ResponseMatrix

利用ResponseMatrix依次改变同步环校正铁磁场，记录环上所有BPM测得的闭轨变化，然后将校正铁磁场复原，进行下一块校正铁的调整测量。虚拟调试中调束软件依次扫描各块校正铁并记录校正铁每次改变引起的同步环响应大小，扫描完成后拟合得出响应矩阵的结果并显示。最大偏转角度为0.2 mrad，每块校正铁扫描5点时，同步环响应矩阵测量结果如图3所示。

图3 同步环响应矩阵测量结果 Fig.3 Measurements of synchrotron response matrix

3.3 同步环β函数测量软件RingBetaMeasure

RingBetaMeasure分别用四极铁和校正铁激励，直接求解得到激励铁处的β函数值。四极铁激励法使用漂浮电源微调单块四极铁磁场强度，当微调量为Δk时，相应的工作点会有微小变化Δν，在线性近似下结合工作点测得激励四极铁处β函数为

(1)

图4为四极铁激励环β函数测量虚拟调试过程，激励后工作点变化源于在线模型计算，实际可采用测量数据。

(a) Results list of β function

校正铁激励法由单块校正铁踢角变化Δθ引起闭轨畸变Δx，在BPM距离校正铁较近时，校正铁处β函数为

(2)

XiPAF 的BPM和校正铁在同一位置，可直接使用该方法。在储存模式下，改变校正铁踢脚，使其有一个改变量Δθ，使用BPM测量该位置处闭轨变化Δx。

RingBetaMeasure软件完成多个校正铁或四极铁处的激励并测量计算各处β函数值，图5为校正铁激励环β函数测量虚拟调试过程。

(a) Results List of β function

3.4 同步环工作点控制软件RingTuneControl

XiPAF有3类独立可调的四极铁，散焦四极铁(QD)、聚焦四极铁(QF)和引出段聚焦四极铁(QFEX)。在聚焦四极铁强度同时调整下，所有四极铁有2组独立可调变量。通过扫描聚散焦四极铁强度可以得到水平和垂直方向上工作点的对应值，图6为水平和垂直方向上工作点随四极铁强度的变化关系。

(a) Horizontal tune

RingTuneControl读取四极铁强度和同步环工作点对应列表，在给定同步环工作点后，通过查表可得最接近的聚散焦四极铁梯度值，再用临近4点四极铁梯度值差分方法，估计给出工作点对应的聚散焦四极铁梯度。

软件测试中采用Mad8软件产生同步环四极铁强度同工作点关系文件。RingTuneControl对虚拟加速器的PV值进行监测，通过Machine Setting框读取四极铁磁场梯度值，通过滑动Xtune和Ytune滑杆改变水平和垂直工作点设定值，并可选择添加四极铁场修正和工作点修正，点击计算即可通过查表和线性插值得到3类四极铁的磁场梯度计算结果，如图7(a)所示；点击Submit按钮可将结果设定给加速器或虚拟加速器，如图7(b)所示。

3.5 同步环闭轨校正软件OrbitCorrect

OrbitCorrect由同步环BPM提供的闭轨信息计算闭轨校正所需的校正磁铁磁场强度，然后手动或自动向控制系统发出指令，控制校正铁使粒子轨道向理想闭轨靠拢，使轨道畸变最小。

(a) The calculation results of quadrupole

OrbitCorrect软件利用Open XAL的最小二乘法校正方法，闭轨校正的一个原则在施加最小校正元件强度下得到畸变轨道同设计轨道偏差的方差最小值，并由校正元件强度和元件长度，算出对应校正元件磁场强度。闭轨校正的另一个原则是将闭轨畸变变小的情况下，参与校正的校正铁的数量越少越好，故采用依次迭代的最小二乘法，在每一次迭代中找出参与闭轨最小的校正铁强度，寻求最有效的校正铁组合。OrbitCorrect软件中实际采用简化了的计算及迭代方法(MInimisation des CArres des Distoution d’Orbite， MICADO)[12]，是算法改进的最小二乘法。

在虚拟调束过程中采用环校正铁激发闭轨偏离，并采用闭轨校正软件进行校正，图8为同步环闭轨校正前后情况对比。

图8 同步环闭轨校正前后情况对比 Fig.8 The comparison of orbit before and after orbit correction

4 调束软件虚拟机

同步环调束软件包含了硬件设备监测控制、机器物理运算、人机图形接口及事件回调等多种范畴。在开发和测试中需要建立虚拟运行环境，模拟调束软件需要的硬件设备。Open XAL包含虚拟加速器系统，构建XiPAF虚拟加速器可方便的实现虚拟调束，完成调束软件的虚拟测试。

虚拟加速器是利用计算机模拟方法实现一套虚拟的加速器系统，在加速器在线模型基础上集成虚拟束流测量元件和与控制系统相兼容的通信接口，可根据设计参数、历史参数或加速器运行参数模拟加速器的运行状态，拥有与真实加速器完全相同的加速器结构和束流参数，从运行人员或控制系统的角度，完全等同于真实加速器。图9为XiPAF同步环虚拟加速器运行状况。

图9 XiPAF同步环虚拟加速器运行情况 Fig.9 Operation of synchrotron virtual accelerator at XiPAF

运行XiPAF定制的virtual accelerator软件加载装置光学文件xipaf.xdxf可实现同步环虚拟加速器运行。虚拟加速器为磁铁和BPM等硬件设备提供了PVServer，模拟调束软件需要的硬件设备信息，并使调束软件能够读写虚拟设备设定的参数值，如电压、电流、状态及配置参数等。虚拟加速器还可通过机器物理计算反馈由设备设定值改变引起的机器状态变化，最终被调束软件监测记录。3节所进行的虚拟调束过程即是在虚拟加速器上完成的，虚拟调束过程实现了调束软件测试和调束过程演练。

5 带束调试

经过多轮调束，XiPAF完成了离子源及注入器调试，同步环调束中实现总注入效率为58%，最大俘获效率为51%，最高加速效率为82%，加速后不同能量下环中存储粒子数大于1×1011，每周期引出粒子数大于5×1010，同步环调束软件在调束过程中发挥了重要作用。

在2020年4月下旬XiPAF调束过程中，采用响应矩阵测量软件测量了俘获存储阶段响应矩阵，通过改变校正铁强度，采用BPM记录束流位置改变。实验结果表明，束流位置随校正铁强度呈线性变化。表2为XiPAF加速器同步环水平方向响应矩阵。

表2 XiPAF同步环水平方向响应矩阵Tab.2 The horizontal response matrix of synchrotron mm·T-1

表3为XiPAF加速器同步环垂直方向响应矩阵，由于BPM1和BPM11出现问题，结果暂未记录。

表3 XiPAF同步环垂直方向响应矩阵Tab.3 The vertical response matrix of synchrotron mm·T-1

在2020年8月中下旬XiPAF调束中采用同步环BBA软件实现了同步环BPM基于束流准直，x方向BBA中，选取四极铁扫描范围为磁场值的1%到5%，得到x方向BPM电中心偏差具体数值，如表4所列。由表4可见，x方向BPM电中心偏差在4 mm内。

表4 同步环水平方向BBA结果Tab.4 The horizontal BBA results of synchrotron

y方向BBA中选取四极铁扫描范围为场值的5%～20%，得到y方向BPM电中心偏差，如表5所列。由表5可见，y方向BPM电中心偏差在1 mm内。

表5 同步环垂直方向BBA结果Tab.5 The vertical BBA results of synchrotron

6 总结

本文介绍了基于Open XAL开发的5种XiPAF同步环调束软件。软件采用Open XAL的软件规范，通过模板开发或由原有软件修改而成。开发过程中许多软件模块的功能确认和测试都由Open XAL的虚拟加速器辅助完成，软件在带束运行前的调试测试工作也通过虚拟加速器完成。

在实际调束过程中，同步环调束软件已经完成了响应矩阵测量和环BBA测量工作。在XiPAF下一步调束工作中，还将测量四极铁强度同工作点的对应map，实现 RingTuneControl 软件对工作点的控制，RingBetaMeasurement 软件对同步环β函数的测量，另外还需要编制软件实现色散函数测量，色品测量和线性光学校正等功能。在虚拟加速器辅助下，基于Open XAL的同步环调束软件开发和测试工作先于机器建设进行，极大地分散了线上调束的工作密度，积累了调束经验，为调束工作开展奠定了基础。