针对当前单次通过型数字束流位置探测器（BPM）有效采样点数少、数据信噪比低、测量分辨率差的问题，提出了一种基于“束流单次通过”的数字BPM测量改进算法。该算法通过模拟信号的功分-延迟-合成，增加了有效采样数据，并通过采样数据的截取与数据拼接、数字滤波等数据处理方式，提高了采样数据的信噪比，并最终实现了BPM测量分辨率的提高。实验结果表明，该算法在不改变模数转换器（ADC）采样率的情况下，将单次通过型BPM的测量分辨率提高了约2倍。该测量方法为提高单次通过型BPM的测量分辨率提供了一种新的解决方案，已成功应用于北京正负电子对撞机（BEPCII）和高能同步辐射光源（HEPS）直线加速器项目中。

为了高效地对直线加速器输出束流能量进行调节，设计了合肥光源（HLS-II）直线加速器束流能量调节方案。该方案在调试阶段通过能谱分析系统观察束团状态并测量束流能量，储存环注入阶段使用3个束流位置探测器（BPM）对束流能量进行在线测量；使用自动相位扫描程序对速调管输出相位进行扫描，获得各加速段的能量增益公式；定量调节速调管的输出相位和高压，实现直线加速器输出束流能量的快速调节。在线应用结果表明，该方案能快速实现束流能量调节，调节后的束流具有良好品质，束流横向能散小于0.22%，注入速率明显改善。

为满足高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，HEPS）束流位置测量的需求，研制了各种类型的束流位置探测器（Beam Position Monitor，BPM）。位置灵敏度系数是BPM的一项重要参数，通过它可以精确计算束流的位置。使用边界元法计算束流位置探测器的灵敏度系数，适用于在无法使用天线模拟束流进行实际测量和有限元软件进行模拟的场合。以HEPS储存环BPM的参数为例，首先用边界元法分析计算了具有圆形横截面的BPM的位置灵敏度系数，在此基础上，分析了椭圆形（HEPS增强器）与八边形（BEPCII储存环）管道的系数。将该方法应用于BPM的设计与分析中，确定了高能光源增强器BPM纽扣电极的方位角和北京正负电子对撞机BPM的纽扣电极间距。此外，计算了上述BPM的位置灵敏度系数分布Mapping图。圆形管道BPM的位置灵敏度系数结果与解析值接近，相对误差在1%左右，椭圆形与八边形管道BPM的计算结果与实际测量结果的偏差都在2%左右，证明了边界元法计算束流位置探测器的位置灵敏度系数是一种可靠的方法，可用于BPM的设计与相关问题的分析。

为改善传统的束流位置测量电子学系统受电子学通道非线性、温度漂移和系统噪声等因素对位置测量精度带来的影响，介绍了一种新型的基于导频技术的数字束流位置测量电子学系统。该系统硬件包括模拟信号采集电子学、数字信号处理电子学和PTC(导频信号耦合)模块；软件包括顶层应用软件和底层驱动，束流信号与导频信号在耦合电路中耦合后，经电子学处理，在FPGA中计算得到归一化后的束流位置信息。实验室测试结果分析，经导频信号归一化处理后能够有效改善各通道随温度变化的现象，束流位置漂移从4.5 μm改善至0.5 μm，分辨率从57.25 nm提升到13.37 nm，并且进行导频信号开关实验更加直观观测导频信号对束流位置测量的在线校正效果。设计的基于导频信号的数字束流位置测量（DBPM）电子学可以高效、实时地实现对加速器束流位置的在线校正，提升电子学系统的实时分辨率性能。

能散度是反映束流品质的重要参数，采用传统测量方法测量时打到靶上的束流不能得到利用，测得的数据也是多个宏脉冲的平均值，利用该方法的测量结果进行束流调节时，要等待荧光靶从束流轨道中反复插入和提出，调节时间很长。基于单个四条带束流位置检测器，结合发射度测量的方法，实现了非拦截式能散度测量方法。该方法能在不加入额外设备的情况下对每个束流宏脉冲的能散度进行测量，测量结果与传统的拦截式测量方法结果相吻合。进行了误差分析，指出为了减小测量系统误差，需要尽可能使束流通过束流位置检测器中心。

以高能同步辐射光源（HEPS）对BPM提出的位置测量分辨率要求为出发点，介绍了BPM系统的整体架构并推导出BPM系统的信号链路中各级信号所需达到的信噪比；并根据ADC采样数据的信噪比需求，计算出ADC采样时钟的抖动需求；最后介绍了能够测量BPM信号信噪比和采样时钟抖动的BPM测试平台。各项结论可以作为判断BPM系统各部分能否达到HEPS工程要求的标准。

在现有硬件基础上，基于BPM测量准确度的需求，在自制的电子学FPGA芯片内，通过Verilog语言实现了一种数字BPM采样数据增益自动校准的设计。首先介绍了自动增益校准模块的系统总体设计；然后对模块的实现方法做了详细说明，设计并搭建了ADC数据自动增益校准测试平台以验证自动增益较准模块的功能；最后介绍了该设计在BPM通道标定中的应用。实验结果表明，该方法可以实现4通道增益一致，使ADC采样后的数据幅度相同，有效解决了由通道增益不一致引起的测量偏差，以及工程应用中ADC数据幅度校准工作量大且难于操作的问题，将在BPM系统通道自动标定中发挥重要作用。

上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）作为中国第一台工作在软X射线波段的第四代光源，其产生的激光具备短波长、全相干、超高亮度、超短脉冲长度等优点，预期将会在基础科学研究领域中发挥出重要的作用。基于直线加速器的特点和需求，在SXFEL的注入器与直线加速段上选择了条带型束流位置测量系统（SBPM）作为束团位置测量工具。该系统由SXFEL束测团队自主研发设计，由条带探头、前端信号调理电子学与专用数字信号束流位置处理器（DBPM）组成，系统设计上借鉴上海同步辐射光源（SSRF）的同类型设备，并根据SXFEL的特点做了进一步的优化，束流实验结果表明该系统位置测量系统分辨率好于5.7 μm@188 pC，达到国际先进水平，满足了SXFEL注入器和直线加速器段对束流位置测量分辨率的设计要求。

从热稳定性和振动稳定性两个角度出发，优化设计得到了超高稳定的刚性支撑架结构；通过ANSYS有限元模态分析，验证了结构的热膨胀变化量和特征频率；采用混凝土二次灌浆方法对支撑架进行地面固定和特征频率测试，结果表明，支撑架结构的特征频率达到61.9 Hz、振动幅值小于30 nm，均满足设计要求。最后采用动态刚度测试方法，得到混凝土二次灌浆层的主要刚度值，进一步验证支撑架结构优化结果的准确性。

研究了基于BEPCⅡ直线加速器的腔式束流位置探测系统（CBPM）的设计。本方案给出的CBPM探头工作频率为S波段，束流管道半径23 mm，参考腔TM₀₁₀工作频率和位置腔TM₁₁₀的工作频率一致。由线下测试结果可知，CBPM实物特征参数与仿真结果一致，CBPM水平和垂直方向工作频率分别为2502 MHz和2503 MHz；垂直和水平的四个端口交叉隔离度均优于?44.7 dB；测量线性区域好于10 mm。射频前端电子学负责对CBPM探头的模拟信号进行滤波、放大和下变频等调制。将CBPM探头置于标定平台，对经过CBPM信号进行时域和频域分析，通过计算得到CBPM水平、垂直方向线下分辨率分别为2.87 μm、2.16 μm。