CN105300264A - 一种基于谐振腔的束团长度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐振腔的束团长度测量装置及方法，该测量方法利用的束团长度监测器包括工作于TM₀₁₀的基频腔、工作于TM_0n0的倍频腔和滤波器，基频腔的输出信号用于测量束流的流强，基频腔和倍频腔的输出信号联立解出束团长度，滤波器用于优化信号。该方法利用的后处理单元包括基于超外差接收机的降频模块，高速ADC模块和基于数字电路的束团长度计算模块。本发明采用的谐振腔腔体半径可以自由选择，通过使谐振腔工作于TM_0n0模式而非限定于TM₀₁₀模式，使得在工作频率很高的情况下，腔体半径仍大于束流管道半径，可以做以前无法完成的短束团测量。本发明扩大了谐振腔法可测量的束团长度范围，属于非拦截式高精度联合测量。

Description

一种基于谐振腔的束团长度测量装置及方法

技术领域

本发明属于束流测量的技术领域，特别涉及一种基于谐振腔的束团长度测量装置及方法。

背景技术

为了获知直线加速器中的能散参数和观测聚束效果，束团伸长效应和设定合适的RF相位，需要精确测量其束团长度。谐振腔作为束流诊断的拾取装置，可以提供大幅度和高信噪比的信号，谐波法谐振腔束团长度测量方法也因此成为一种重要的束团长度测量方法。

谐波法测量束团长度时，长度越短需要的倍频腔工作频率越高。传统的谐波法测量束团长度时，采用的基频腔和倍频腔均基于谐振腔的TM₀₁₀模，为了使TM₀₁₀模谐振频率达到基频的若干倍，不得不使用半径很小的倍频腔，当倍频腔半径小于束流管道半径时无法安装使用(限制于束流的动力学孔径和量子激发效应，束流管道半径无法做到很窄)。

束流管道半径的限制是谐振腔束团长度测量方法的一大缺点：受测量方法限制，谐振腔均工作于TM₀₁₀模式。由束流频谱可知，欲测量的束团长度越短，倍频腔的工作频率需要越高，从而其半径越小。但是，谐振腔半径必须大于束流管道半径才能安装，因此束流管道半径会限制谐振腔法能测量到的束团长度：对于一个特定半径的束流管道，总是存在一个最小可测量的束团长度值(在该值下，谐振腔腔体半径等于束流管道半径)。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于谐振腔的束团长度测量装置及方法，摆脱腔体半径需大于束流管道半径这一原则对谐振腔测量方法中可测量束团长度范围的限制，完成短束团测量，同时提高测量精度。

本发明采用的技术方案为：一种基于谐振腔的束团长度测量装置，包括工作于TM₀₁₀的基波腔、工作于TM_0n0的高次谐波腔和滤波器，基波腔和高次谐波腔依次安装于束流管道，基波腔信号由同轴探针引出于同轴线，高次谐波腔信号由小孔引出于波导，滤波器由该波导中的一小段加载膜片组成。

其中，基波腔用于测量束流的流强，该流强和高次谐波腔的输出信号用于解出束团长度，滤波器用于优化信号。

其中，滤波器为引入膜片加载的波导带通滤波器。

其中，该测量装置采用了双谐振腔谐波法测量，两腔依次安装于束流管道，基频腔工作于TM₀₁₀模式，使用同轴线耦合电磁场信号，其信号幅值与束流流强相关，倍频腔工作于TM_0n0模式，腔体半径可以随n值调节，使用波导耦合电磁场信号，其信号幅值与束流流强和束团长度相关；

后续信号处理将谐振腔输出信号降频并做ADC，在数字电路中做运算，利用基频腔信号幅值求出束流流强I₀，然后与倍频腔信号幅值P_m一同代入公式(1)求出束团长度；

可以获取束团长度，由此束流流强和束团长度都得以确定。

理论计算推导如下：

束流经过谐振腔时，会在其中激起尾场电磁场，对于束流流强I₀，束团长度σ_τ，谐振腔分路阻抗R_m的情况，其激起功率为(其中m为谐振腔工作频率的相对束流的谐波次数)：

$P_m=I_m^2{R}_m={\[I_0\exp (-\frac{m^2{\mathrm{\ω}}_0^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}^2}{2})\]}^2{R}_m$

对于基频腔，其m＝1，对于长度较短的束团、尤其本方法适用的10ps以下短束团而言，代入公式可得因此基频腔的输出信号仅与束流流强相关，束团长度变化带来的影响可以忽略，可以由基频腔输出信号推导出束流流强。倍频腔的输出信号P_m则与束流流强和束团长度变化皆相关。知道束流流强和倍频腔分路阻抗R_m，输出信号P_m，可以反推得束团长度如公式1。对于未知流强和束团长度的束流，测量方法利用基频腔信号幅值P₁求出束流流强I₀，然后与倍频腔信号幅值P_m一同代入公式1求出束团长度。

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}=15.76\sqrt{\ln \left(I_0\sqrt{\frac{R_m}{P_m}}\right)}\left(ps\right)---\left(1\right)$

其中，R_m为倍频腔分路阻抗值；

本发明另外提供一种基于TM_0n0谐振腔的束团长度测量方法，该方法的步骤如下：

步骤1)、构建该测量方法利用的束团长度监测器并安装于束流管道；

步骤2)、束流经过谐振腔，在两腔内部激起尾场电磁场，在基频腔里形成TM₀₁₀谐振，倍频腔里形成TM_0n0谐振；

步骤3)、基频腔信号由同轴探针引出于同轴线，倍频腔信号引出于波导，并经过膜片加载的波导滤波器以优化输出信号；

步骤4)、两腔输出信号经过基于超外差接收机的降频模块，将信号频率降至中频；

步骤5)、中频信号经过高速ADC采样量化转变为数字信号；

步骤6)、在数字电路中做如下处理：利用基频腔输出信号P₁计算出束流流强I₀，然后与倍频腔信号幅值P_m一同代入公式1求出束团长度，由此未知参数束流的流强和束团长度都可以确定。

其中，步骤2中倍频腔形成的TM_0n0模式谐振，可以根据n值的不同选择合适的腔体半径，从而摆脱束流管道半径对腔体工作频率的限制；

其中，步骤3中的波导滤波器可以优化信号提高测量精度，其由八块金属膜片加载于标准波导来组成，滤波器使用的波导尺寸与信号耦合波导一致，无需额外的波导尺寸转换装置。

其中，步骤5中的ADC模块其采样率需大于2倍的中频信号频率以满足采样定理，其采样位数需足够高以高精度地保留信号幅度信息。TI公司的ADS5463芯片为12位高速ADC，采样频率可达500M，可以满足实际要求；

其中，步骤6中的信号幅值P₁和P₅需经由对数字信号做包络提取运算来获得，希尔伯特变换是通信领域常用的包络提取技术，可以在数字电路中构建希尔伯特滤波器以获取信号包络，提取信号幅值；

其中，步骤6中的基频腔信号幅度P₁与只与束流流强I₀相关，在电路中做计算可以获取束流流强，其中R₁为基频腔分路阻抗值。倍频腔信号幅度P_m与束流流强I₀和束团长度σ_τ皆相关，在电路中做计算(R_m为倍频腔分路阻抗值)：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}=15.76\sqrt{\ln \left(I_0\sqrt{\frac{R_m}{P_m}}\right)}\left(ps\right)---\left(1\right)$

可以获取束团长度，由此束流流强和束团长度都得以确定。

其中，步骤6中做计算使用的数字电路需拥有足够的门级资源以构建包络提取电路和信号运算电路，同时需满足实时性的要求。Xilinx的FPGAXC5VLX30可以满足需求。

本发明的原理在于：

本发明设计使倍频腔工作于TM_0n0模式，可以根据n值的不同选择不同的腔体半径，摆脱了腔体半径需大于束流管道半径这一原则对谐振腔测量方法中可测量束团长度范围的限制。通过使谐振腔工作于TM_0n0模式，使得腔体半径大于束流管道半径，可以做以前无法完成的短束团测量，同时提高了测量精度。同时在提取波导中加载膜片起到滤波器的作用以优化输出信号，提高测量精度。为实现以上技术方案，设计的束团长度监测器包含工作于TM₀₁₀的基频腔和工作于TM_0n0的倍频腔倍频腔，以及用于优化信号的滤波器。对于未知流强和束团长度的束流，由于束团长度对基频腔输出信号影响较小，经过基频腔可以测量到其流强，以此流强和倍频腔倍频腔输出信号代入束团长度计算公式可以解出束团长度，由此未知参数束流的流强和束团长度都可以确定。

本发明测量方法的优势在于：

1.本发明腔体半径可根据其工作模式TM_0n0的n值变化，摆脱了腔体半径需大于束流管道半径这一原则对谐振腔测量方法中可测量束团长度范围的限制。通过使谐振腔工作于TM_0n0模式，使得在工作频率很高的情况下，腔体半径仍大于束流管道半径，可以做以前无法完成的短束团测量，同时提高了测量精度。

2.本发明的测量方法引入了膜片加载的波导滤波器，优化输出信号，提高了测量精度。

3.本发明的测量方法使用的谐振腔属于高阻抗结构，可以提供大幅度高信噪比的信号，方法属于非拦截式高精度联合测量。

附图说明

图1是本发明一种基于谐振腔的束团长度测量装置结构示意图；

图2是基频腔的示意图；

图3是基频腔输出信号随束流流强的变化(纵坐标为CST归一化电磁场信号强度)；

图4是五次倍频腔的示意图(滤波器由八块金属膜片加载的波导组成)；

图5是五次倍频腔俯视图示意图；

图6是五次倍频腔后视图示意图；

图7是五次倍频腔左视图示意图；

图8是五次倍频腔输出信号随束团长度的变化(纵坐标为CST归一化电磁场信号强度)。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

图1是本发明一种基于谐振腔的束团长度测量装置的系统结构的示意图。

本发明公开的一种基于谐振腔的束团长度测量装置，该测量装置包括：工作于TM₀₁₀的基频腔、工作于TM_0n0的倍频腔倍频腔和滤波器，基频腔和倍频腔倍频腔依次安装于束流管道，基频腔信号由同轴探针引出于同轴线，倍频腔倍频腔信号由小孔引出于波导，滤波器由该波导中的一小段加载膜片组成。谐振腔输出信号经过滤波后将频率降至408MHz，然后送入快速ADC并在数字电路中做处理计算。应用实例如下：

所述的基于谐振腔的束团长度测量方法的具体步骤为：

1、欲测量束流参数：束团重复频率2.856GHz，长度σ_τ变化范围5～10ps，流强I₀变化范围100～300mA，其束流管道半径为5mm；

2、设计的基频腔属于普通的pill-box圆柱腔，其工作频率2.856GHz，半径40mm，使用同轴探针插入耦合出电磁场信号，由于输出功率可以由输出信号求出束流流强；基频腔示意图如图2，输出信号变化如图3；理论束流流强I1与测得束流流强I2比较如表1；

表1

理论束流流强I1/mA	测得束流流强I2/mA	误差
			100	100.3	0.30％
150	150.5	0.33％
			200	199.7	0.15％
250	250.1	0.04％
			300	299.8	0.07％

3、设计的五次倍频腔(m＝5)也属于普通的pill-box圆柱腔，其工作频率14.28GHz，工作于TM₀₂₀模式，腔体半径19mm(如果工作模式为TM₀₁₀，腔体半径6mm，已经基本无法安装与测量)。使用小孔耦合将电磁场耦合至波导，输出信号功率与束流流强I₀和束团长度σ_τ相关，将束流流强I₀和倍频腔输出信号幅度P₅代入下公式可以计算出束团长度σ_τ：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}=15.76\sqrt{\ln \left(I_0\sqrt{\frac{R_5}{P_5}}\right)}\left(ps\right)---\left(1\right)$

其中，σ_τ为束团长度，P₅为倍频腔输出信号幅度，I₀为束流流强，R₅为倍频腔分路阻抗值；

输出信号有高频成分，引起对束团长度的计算误差，引入膜片加载的波导带通滤波器滤去杂散信号，五次倍频腔和波导滤波器示意图如图4。图5是五次倍频腔俯视图示意图；图6是五次倍频腔后视图示意图；图7是五次倍频腔左视图示意图；表2是五次倍频腔设计参数。

表2五次倍频腔设计参数

项目	标注	尺寸(mm)
			倍频腔半径	Rc	19.06
波导宽度	Ww	15.799
			波导高度	Wh	7.899
波导长度	Wl	74.54
			束流管道半径	Rt	5
束流管道长度	lt	43
			膜片间距	l1	12.6
膜片间距	l2	13.34

膜片间距	l3	12.6
			膜片宽度	D1	4.9
膜片宽度	D2	6.1
			膜片宽度	D3	6.1
膜片宽度	D4	4.9

4.载入束流后，五次倍频腔的输出信号变化如图8，理论束团长度b1与测得束团长度b2比较如表3。

表3

理论束团长度b1/ps	测得束团长度b2/ps	误差
			5	4.87	2.60％
6	5.95	0.80％
			7	7.01	0.14％
8	8.04	0.50％
			9	9.06	0.67％
10	10.07	0.70％

本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (11)

1.一种基于谐振腔的束团长度测量装置，其特征在于：包括工作于TM₀₁₀的基波腔、工作于TM_0n0的高次谐波腔和滤波器，基波腔和高次谐波腔依次安装于束流管道，基波腔信号由同轴探针引出于同轴线，高次谐波腔信号由小孔引出于波导，滤波器由该波导中的一小段加载膜片组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔的束团长度测量装置，其特征在于：基波腔用于测量束流的流强，该流强和高次谐波腔的输出信号用于解出束团长度，滤波器用于优化信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔的束团长度测量装置，其特征在于：滤波器为引入膜片加载的波导带通滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔的束团长度测量装置，其特征在于：该测量装置采用了双谐振腔谐波法测量，两腔依次安装于束流管道，基频腔工作于TM₀₁₀模式，使用同轴线耦合电磁场信号，其信号幅值与束流流强相关，倍频腔工作于TM_0n0模式，使用波导耦合电磁场信号，其信号幅值与束流流强和束团长度相关；

后续信号处理将谐振腔输出信号降频并做ADC，在数字电路中做运算，利用基频腔信号幅值求出束流流强I₀，然后与倍频腔信号幅值P_m一同代入公式(1)求出束团长度；

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}=15.76\sqrt{\ln \left(I_0\sqrt{\frac{R_m}{P_m}}\right)}\left(ps\right)---\left(1\right)$

其中，R_m为倍频腔分路阻抗值；

可以获取束团长度，由此束流流强和束团长度都得以确定。

5.一种基于谐振腔的束团长度测量方法，该方法的步骤如下：

步骤1)、构建该测量方法利用的束团长度监测器并安装于束流管道；

步骤2)、束流经过谐振腔，在两腔内部激起尾场电磁场，在基频腔里形成TM₀₁₀谐振，倍频腔里形成TM_0n0谐振；

步骤3)、基频腔信号由同轴探针引出于同轴线，倍频腔信号引出于波导，并经过膜片加载的波导滤波器以优化输出信号；

步骤4)、两腔输出信号经过基于超外差接收机的降频模块，将信号频率降至中频；

步骤5)、中频信号经过高速ADC采样量化转变为数字信号；

步骤6)、在数字电路中做如下处理：利用基频腔输出信号P₁计算出束流流强I₀，然后与倍频腔信号幅值P_m一同代入公式(1)求出束团长度，由此未知参数束流的流强和束团长度都可以确定。

6.根据权利要求5所述的一种基于谐振腔的束团长度测量方法，其特征在于，步骤2)中倍频腔形成的TM_0n0模式谐振，可以根据n值的不同选择合适的腔体半径，从而摆脱束流管道半径对腔体工作频率的限制。

7.根据权利要求5所述的一种基于谐振腔的束团长度测量方法，其特征在于，步骤3)中的波导滤波器由八块金属膜片加载于标准波导来组成，滤波器使用的波导尺寸与信号耦合波导一致，无需额外的波导尺寸转换装置。

8.根据权利要求5所述的一种基于谐振腔的束团长度测量方法，其特征在于，步骤5)中的ADC模块其采样率需大于2倍的中频信号频率以满足采样定理，其采样位数需足够高以高精度地保留信号幅度信息。

9.根据权利要求5所述的一种基于谐振腔的束团长度测量方法，其特征在于，步骤6)中的信号幅值P₁和P_m需经由对数字信号做包络提取运算来获得，希尔伯特变换是通信领域常用的包络提取技术，可以在数字电路中构建希尔伯特滤波器以获取信号包络，提取信号幅值。

10.根据权利要求5所述的一种基于谐振腔的束团长度测量方法，其特征在于，步骤6)中的基频腔信号幅度P₁与只与束流流强I₀相关，在电路中做计算可以获取束流流强，其中R₁为基频腔分路阻抗值，倍频腔信号幅度P_m与束流流强和束团长度σ_τ皆相关，在电路中做计算，束团长度σ_τ为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}=15.76\sqrt{\ln \left(I_0\sqrt{\frac{R_m}{P_m}}\right)}\left(ps\right)---\left(1\right)$

其中，R_m为倍频腔分路阻抗值；

可以获取束团长度，由此束流流强和束团长度都得以确定。

11.根据权利要求5所述的一种基于谐振腔的束团长度测量方法，其特征在于，步骤6)中做计算使用的数字电路需拥有足够的门级资源以构建包络提取电路和信号运算电路，同时需满足实时性的要求。