CN102281699A - 一种束流偏角测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种束流偏角测量方法及系统，本发明的方法采用与管道轴线垂直放置的轴向B-dot感应线圈，得到轴向B-dot上的电压信号波形，采用电路进行信号积分或者直接对B-dot电压信号进行数字积分，得到积分波形，一定条件下积分波形与束流流强波形及束流偏角成正比例关系；结合积分电路参数、束流管道尺寸及轴向B-dot尺寸，通过公式计算得到积分波形与束流偏角及束流流强波形乘积的比例因子；将积分波形除以束流流强波形及比例因子得到束流偏角波形。采用本发明，可以花费较小的束流传输线长度，无阻拦的直接测量束流方向，从而更精确的进行束流轨道的校正，以及更精确的反应束流轨道的变化。本发明适用于带电粒子加速器束流诊断。
Description
技术领域
本发明属于带电粒子加速器束流诊断领域，提供了一种直接无阻拦的束流偏角测量方法及系统。
背景技术
束流位置测量是带电粒子加速器中最重要的束流诊断手段之一。实际上要完全描述束质心在横向相空间中的位置，还需要测量束流偏角。所谓束流偏角是指，带电束流在管道中传输时，束流运动方向与圆形束流管道的轴线的夹角。束流偏角实际上是一个二维参数，依照通常习惯用水平和铅垂两个方向来描述，分别记作x方向和y方向。束流偏角测量能够为带电粒子加速器束流动力学研究、特别是束流位置校正提供非常重要的诊断信息。
已有技术中，采用角向磁场感应线圈，测量角向磁场对时间的变化率 
，对角向磁场感应线圈的信号积分，可以得到角向磁场信号；束流管道上相差180度处的角向磁场的差，正比于束流偏心量；因此可以通过角向磁场感应线圈测量束流偏心，亦即束流位置。由于角向磁场感应线圈上的感应电压正比于角向磁场对时间的变化率（
），因此角向磁场感应线圈通常简称为角向B-dot。同领域的技术人员，通常将角向B-dot直接称为B-dot。
已有技术可以通过在束流传输线上两个轴向位置进行束流位置测量，计算束流偏角。这种方法属于一种间接束流偏角测量方法。没有已有技术能够进行束流偏角进行直接测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种直接束流偏角测量方法，本发明要解决的另一个技术问题是提供一种采用本发明提出的束流偏角测量方法的系统。采用本发明，可以直接测量束流偏角，从而更精确的进行束流轨道的校正，以及更精确的反应束流轨道的变化。
本发明中的采用轴向磁场感应线圈测量束流偏角，是一种全新的束流偏角测量方法，可以无阻拦的、直接的进行束流偏角测量。由于轴向磁场感应线圈上的感应电压正比于轴向磁场对时间的变化率（
），因此本发明中的轴向磁场感应线圈简称为轴向B-dot。
本发明的束流偏角测量方法，其特点是，采用与管道轴线垂直放置的轴向B-dot，得到轴向B-dot上的电压信号波形，采用电路进行信号积分或者直接对轴向B-dot电压信号进行数字积分，得到积分波形，一定条件下积分波形与束流流强波形及束流偏角成正比例关系；结合积分电路参数、束流管道尺寸及轴向B-dot尺寸，通过公式计算得到积分波形与束流偏角及束流流强波形乘积的比例因子；将积分波形除以束流流强波形及比例因子得到束流偏角波形。
本发明的采用束流偏角测量方法的系统，其特点是，所述的系统由圆形束流管道、与管道轴向垂直的位于束流管道壁附近的轴向B-dot、用于完成积分功能的自积分电阻或者积分器、电压信号放大电路、连接电缆、电压信号测量仪器构成；轴向B-dot一端与束流管道壁连接，另一端与自积分电阻或积分器的一端连接，同时与电压信号放大电路输入端连接，自积分电阻或者积分器的另一端与束流管道壁连接，电压信号测量仪器通过连接电缆与电压信号放大电路输出端连接。
束流偏角不为零时，脉冲束流在轴向B-dot上产生感应电压信号，经过积分以及放大处理后，电压信号测量仪器测量处理后的信号的波形，电压信号测量仪器采集到的信号正比于轴向磁场的大小，因此也正比于束流偏角大小，实现对束流偏角的测量。
本发明的优点是，可以直接、无阻拦的测量束流偏角，而不需要在两个轴向位置测量束流横向位置计算得到束流偏角，因此可以在更短的束流管道范围内进行束流偏角的测量。
附图说明
图1为本发明中的束流偏角的示意图。
图2为本发明中的轴向B-dot测量束流偏角的系统结构示意图。
图3为本发明中的采用模拟积分器的一种具体实施电路图。
图中，1. 圆形束流管道 2. 轴向B-dot 3. 自积分电阻 4. 电压信号放大电路 5. 连接电缆 6. 电压信号测量仪器。
具体实施方式
图1为本发明中的束流偏角的示意图。从图1中可以看出，束流运动方向与圆形束流管道的轴线的夹角。
图2为本发明中的轴向B-dot测量束流偏角的系统结构示意图。从图2中可以看出，在图2中圆形束流管道1与轴向B-dot 2的一端连接，轴向B-dot的另一端与自积分电阻3连接，然后与电压信号放大电路4连接，如信号幅度较大，已经适于测量，则不需要电压信号放大电路，最后，电压信号放大电路4的输出信号通过连接电缆5与电压信号测量仪器6连接，通过电压信号测量仪器6进行信号测量。
轴向B-dot的合理数量应为四个，且四个轴向B-dot应高精度的置于同一与管道轴线垂直的平面上。采用一个轴向B-dot可以测量沿一个方向的束流偏角，采用两个轴向B-dot可以测量二维的束流偏角，即可以得到全部的束流偏角信息。但是采用四个正交的轴向B-dot，置于图2中标示为x+、x-的水平方向和标示为y+、y-的铅垂方向，可以通过对应的轴向B-dot的信号相减，消去角向磁场的干扰，分别实现y方向和x方向的束流偏角的精确测量。
根据束流流强大小及束流偏角大小，轴向B-dot可以为单匝或者多匝。可通过在轴向B-dot出口并接自积分电阻3实现积分功能，当电阻阻值R满足（
，f为测量信号频率，L为轴向B-dot的电感量）时，自积分电阻两端的电压即为积分电压信号，该信号正比于束流偏角。
作为另一种轴向B-dot测量束流偏角的系统的结构，其系统由圆形束流管道、与管道轴向垂直的位于束流管道内壁上的轴向B-dot、用于完成积分功能的积分器、电压信号放大电路、连接电缆、电压信号测量仪器构成，轴向B-dot一端与束流管道壁连接，另一端与积分器的输入端连接，积分器的输出端与电压信号放大电路输入端连接，电压信号测量仪器通过连接电缆与电压信号放大电路输出端连接。
图3为本发明中的积分器的一种具体实施电路图。本具体实施电路中，积分器采用RC积分器。图3中L表示轴向B-dot的电感，轴向B-dot上产生的电压信号传输至RC积分器。R和C为积分电容和积分电阻，Rp为匹配电阻，用于实现轴向B-dot至模拟RC积分器间的信号传输匹配。当积分常数与测量信号频率的乘积远大于1时，积分信号正比于束流偏角。积分常数等于图3中积分电阻阻值R与积分电容容值C的乘积。积分信号大小由束流流强、待测束流偏角大小、轴向B-dot面积和匝数、积分参数等决定，如果积分信号幅度较小，则需要进行电压信号的放大，然后才能进行信号波形的测量或采集。
通过电路参数及公式（1）计算得到采用4个轴向B-dot及采用自积分电阻情形下，积分波形与束流偏角及束流流强波形乘积的比例因子
。
公式（1）中，
为电流波形，x'、y'分别为x方向和y方向的束流偏角，
、
、
、
分别为图2中标示为x+、x-方向和标示为y+、y-方向的四个轴向B-dot经过自积分电阻后的积分电压波形，N、S、L分别是轴向B-dot的匝数、面积和电感量，R为自积分电阻阻值，b为束流管道半径。
Claims (3)
1.一种束流偏角测量方法，其特征在于，采用与管道轴线垂直放置的轴向B-dot，得到轴向B-dot上的电压信号波形，采用电路进行信号积分或者直接对轴向B-dot电压信号进行数字积分，得到积分波形，积分波形与束流流强波形及束流偏角成正比例关系；结合积分电路参数、束流管道尺寸及轴向B-dot尺寸，通过公式计算得到积分波形与束流偏角及束流流强波形乘积的比例因子；将积分波形除以束流流强波形及比例因子得到束流偏角波形。
2.一种采用权利要求1所述的束流偏角测量方法的系统，其特征在于，所述的系统由圆形束流管道、与管道轴向垂直的位于束流管道内壁上的轴向B-dot、用于完成积分功能的自积分电阻、电压信号放大电路、连接电缆、电压信号测量仪器构成，轴向B-dot一端与束流管道壁连接，另一端与自积分电阻的一端连接，同时与电压信号放大电路输入端连接，自积分电阻的另一端与束流管道壁连接，电压信号测量仪器通过连接电缆与电压信号放大电路输出端连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的系统由圆形束流管道、与管道轴向垂直的位于束流管道内壁上的轴向B-dot、用于完成积分功能的积分器、电压信号放大电路、连接电缆、电压信号测量仪器构成，轴向B-dot一端与束流管道壁连接，另一端与积分器的输入端连接，积分器的输出端与电压信号放大电路输入端连接，电压信号测量仪器通过连接电缆与电压信号放大电路输出端连接。
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Application publication date: 20111214 |