CN105487103A - 一种测量粒子加速器束流到达时间的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量粒子加速器束流到达时间的方法，其包括以下步骤：步骤S1，在所述电子枪的出口处安装第一腔式探头作为基准相位腔，并在所述电子束与所述种子激光的交汇处安装第二腔式探头作为测量相位腔；步骤S2，将所述第一腔式探头输出的TM010模共模信号与所述第二腔式探头输出的TM010模共模信号进行混频，并将混频后的信号进行低通滤波及放大；步骤S3，对经过所述步骤S2获得的信号进行同步数字化采样；以及步骤S4，对经过所述步骤S3采样的信号进行数字信号处理，以提取束流相位，并通过该束流相位计算获得束流到达时间。本发明解决了远距离传输射频信号导致的衰减和对室内外温差敏感引入的测量误差问题，同时也解决了本振源锁相问题。

Description

一种测量粒子加速器束流到达时间的方法
技术领域
本发明涉及加速器物理束流诊断领域，尤其涉及一种测量粒子加速器束流到达时间的方法。
背景技术
X射线自由电子激光装置作为一种常见的粒子加速器，束流到达时间的测量是其关键的技术问题之一。为了提高外种子型自由电子激光装置中由电子枪产生的电子束团与激光发生器产生的种子激光脉冲在三维实空间中的重合程度，需要精确测定电子束团到达时间，并以此时间为基准来调整激光脉冲的时序，从而实现二者在束流运动方向上(时间上)的重合，要求到达时间的测量分辨率达到百fs量级甚至更高。另外，束团纵向相位(到达时间)的变化在同步辐射光源高性能运行中也是一个不可忽视的问题，当纵向不稳定性较强时会直接影响到流强、寿命、光源点稳定性等多个束流参数，降低供光品质。
目前，常用的超高分辨率束流到达时间测量方法包括：电光采样法和射频相位腔法。其中，电光采样法利用宽带可达数十GHz的射频探头耦合到的束流信号对超短基准时钟激光脉冲强度进行调制，通过检测调制后的激光脉冲强度来获得束流到达时间信息；该方法采用的系统结构相对复杂，需要将基准激光脉冲信号引入加速器隧道，调试及优化相对比较困难。而射频相位腔法则利用腔式束流探头(工作频率通常为GHz量级)直接耦合出携带束流到达时间信息的窄带信号，通过混频器件将该窄带信号与由本振信号源产生的射频参考信号混频后输出中频信号，该中频信号的相位即反映了束流信号与参考信号之间的相对时间关系；然而，该射频相位腔法需要提供稳定的射频参考信号，但这种射频参考信号通常易受环境温度影响，而引入测量误差，从而无法准确获得束流到达时间。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种测量粒子加速器束流到达时间的方法，以提高测量分辨率，并简化用于测量的系统的结构。
本发明所述的一种测量粒子加速器束流到达时间的方法，其包括以下步骤：
步骤S1，提供具有用于产生电子束的电子枪和用于产生种子激光的激光发生器的自由电子激光装置，在所述电子枪的出口处安装第一腔式探头作为基准相位腔，并在所述电子束与所述种子激光的交汇处安装第二腔式探头作为测量相位腔，其中，所述第一腔式探头和第二腔式探头被设置为各自输出的TM010模共模信号之间的频率差为0～100MHz；
步骤S2，将所述第一腔式探头输出的TM010模共模信号与所述第二腔式探头输出的TM010模共模信号进行混频，并将混频后的信号进行低通滤波及放大；
步骤S3，对经过所述步骤S2获得的信号进行同步数字化采样；以及
步骤S4，对经过所述步骤S3采样的信号进行数字信号处理，以提取束流相位，并通过该束流相位计算获得束流到达时间。
在上述的测量粒子加速器束流到达时间的方法中，所述步骤S2由一射频信号处理前端实现，该射频信号处理前端包括：一用于将所述第一腔式探头输出的TM010模共模信号与所述第二腔式探头输出的TM010模共模信号进行混频的混频器件、一与所述混频器件连接并用于将混频后的信号进行低通滤波的低通滤波器以及一与所述低通滤波器连接并用于将滤波后的信号进行放大的放大器。
在上述的测量粒子加速器束流到达时间的方法中，所述低通滤波器被设置为其带宽大于所述第一腔式探头和第二腔式探头各自输出的TM010模共模信号之间的频率差。
在上述的测量粒子加速器束流到达时间的方法中，所述放大器的输出端还设置有一辐射屏蔽墙。
在上述的测量粒子加速器束流到达时间的方法中，所述步骤S3包括采用一数据采集器并通过该数据采集器接收一采样基准时钟信号，对经过所述步骤S2获得的信号进行同步数字化采样。
在上述的测量粒子加速器束流到达时间的方法中，所述步骤S4包括采用一与所述数据采集器连接的信号处理器并通过该信号处理器接收所述采样基准时钟信号，对经过所述步骤S3采样的信号进行数字信号处理，以提取束流相位，并通过该束流相位计算获得束流到达时间。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明利用安装在不同位置处的两个腔式探头测量束流经过两探头的相位差，表征了束流到达时间；两探头可以直接在加速器隧道内进行混频并低通滤波，不需要射频相位腔法所需的参考基准时钟，解决了远距离传输射频信号导致的衰减和对室内外温差敏感引入的测量误差问题。同时，两个腔式探头输出信号的相位差固定，也解决了本振源锁相问题。另外，本发明也不需要光电采样法所需复杂的光电调整解调模块。
附图说明
图1是实现本发明的一种测量粒子加速器束流到达时间的方法的系统结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
首先对本发明的基本原理进行介绍：
腔式探头(例如腔式BPM)因其nm级的位置分辨率被应用在自由电子激光装置波荡器部分进行束流位置测量。腔式探头输出的共模TM010信号的幅度不受束流位置影响，只与束流流强幅度有关，且性噪比可以达到100dB以上，可用于束流流强测量。
腔式探头的输出的TM010模共模信号V(t)的表达式如下：
其中，k是探头感应信号比例因子，A是束流流强幅度，是束流经过腔式探头时输出信号的相位，τ是信号衰减时间，f是腔式探头的工作频率，一般为数GHz。
将两个腔式探头输出的TM010模共模信号V(t)进行混频和低通滤波后可获得如下信号：
其中，两个腔式探头的相位差为
因此，如果将两个腔式探头分别置于基准位置处和待测位置处，则通过测量束流经过两探头时输出信号混频之后的相位差，就可测量这两个位置处的时间差。
基于上述原理，如图1所示，本发明，一种测量粒子加速器束流到达时间的方法，包括以下步骤：
步骤S1，提供具有用于产生电子束的电子枪和用于产生种子激光的激光发生器的自由电子激光装置，在电子枪的出口处安装第一腔式探头作为基准相位腔1，并在电子束与种子激光的交汇处安装第二腔式探头作为测量相位腔2，其中，第一腔式探头和第二腔式探头被设置为各自输出的TM010模共模信号之间的频率差为0～100MHz(例如，在本实施例中，第一腔式探头的工作频率为4819.5MHz和探头2工作频率为4789.75MHz，两者输出的TM010模共模信号之间的频率差为29.75MHz)；
步骤S2，将第一腔式探头输出的TM010模共模信号与第二腔式探头输出的TM010模共模信号进行混频，并将混频后的信号进行低通滤波及放大；具体来说，步骤S2由一射频信号处理前端3实现，该射频信号处理前端3包括：一用于将第一腔式探头输出的TM010模共模信号与第二腔式探头输出的TM010模共模信号进行混频的混频器件31、一与混频器件31连接并用于将混频后的信号进行低通滤波的低通滤波器32以及一与低通滤波器32连接并用于将滤波后的信号进行放大的放大器33，其中，低通滤波器32被设置为其带宽大于第一腔式探头和第二腔式探头各自输出的TM010模共模信号之间的频率差(例如在本实施例中，低通滤波器32的带宽为35MHz)，另外，放大器33的输出端还设置有一辐射屏蔽墙4，这是因为加速器运行时有辐射，需要利用屏蔽墙进行隔离；在本实施例中，通过放大器33输出的信号频率为29.75MHz。
步骤S3，对经过所述步骤S2获得的信号进行同步数字化采样；具体来说，步骤S3包括采用一数据采集器5并通过该数据采集器5接收一采样基准时钟信号，对经过步骤S2获得的信号进行同步数字化采样(例如本领域常见的ADC采样方式)，其中，采样基准时钟信号例如可通过以下方式获得：利用主加速器(即，自由电子激光装置中电子与种子激光会合之前的一段区域)的2856MHz高频时钟进行6分频到476MHz，将其作为采样基准时钟信号。
步骤S4，对经过所述步骤S3采样的信号进行数字信号处理，以提取束流相位，并通过该束流相位计算获得束流到达时间；具体来说，步骤S4包括采用一与数据采集器5连接的信号处理器6并通过该信号处理器6接收上述采样基准时钟信号，来实现上述处理过程(由于该处理过程及计算方法均为本领域常见技术，故此处不再赘述)。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种测量粒子加速器束流到达时间的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，提供具有用于产生电子束的电子枪和用于产生种子激光的激光发生器的自由电子激光装置，在所述电子枪的出口处安装第一腔式探头作为基准相位腔，并在所述电子束与所述种子激光的交汇处安装第二腔式探头作为测量相位腔，其中，所述第一腔式探头和第二腔式探头被设置为各自输出的TM010模共模信号之间的频率差为0～100MHz；
步骤S2，将所述第一腔式探头输出的TM010模共模信号与所述第二腔式探头输出的TM010模共模信号进行混频，并将混频后的信号进行低通滤波及放大；
步骤S3，对经过所述步骤S2获得的信号进行同步数字化采样；以及
步骤S4，对经过所述步骤S3采样的信号进行数字信号处理，以提取束流相位，并通过该束流相位计算获得束流到达时间。
2.根据权利要求1所述的测量粒子加速器束流到达时间的方法，其特征在于，所述步骤S2由一射频信号处理前端实现，该射频信号处理前端包括：一用于将所述第一腔式探头输出的TM010模共模信号与所述第二腔式探头输出的TM010模共模信号进行混频的混频器件、一与所述混频器件连接并用于将混频后的信号进行低通滤波的低通滤波器以及一与所述低通滤波器连接并用于将滤波后的信号进行放大的放大器。
3.根据权利要求2所述的测量粒子加速器束流到达时间的方法，其特征在于，所述低通滤波器被设置为其带宽大于所述第一腔式探头和第二腔式探头各自输出的TM010模共模信号之间的频率差。
4.根据权利要求2所述的测量粒子加速器束流到达时间的方法，其特征在于，所述放大器的输出端还设置有一辐射屏蔽墙。
5.根据权利要求1所述的测量粒子加速器束流到达时间的方法，其特征在于，所述步骤S3包括采用一数据采集器并通过该数据采集器接收一采样基准时钟信号，对经过所述步骤S2获得的信号进行同步数字化采样。
6.根据权利要求5所述的测量粒子加速器束流到达时间的方法，其特征在于，所述步骤S4包括采用一与所述数据采集器连接的信号处理器并通过该信号处理器接收所述采样基准时钟信号，对经过所述步骤S3采样的信号进行数字信号处理，以提取束流相位，并通过该束流相位计算获得束流到达时间。
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