CN105676261A - 一种测量粒子加速器束流流强的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量粒子加速器束流流强的系统，包括设置在粒子加速器上的一双腔腔式BPM和一ICT，所述双腔腔式BPM具有两个参考腔，每个参考腔两侧具有一对探头，其中，该系统还包括一对差分器、一混频器、一低通滤波器和一数据采集器，其中，所述混频器、低通滤波器和数据采集器依次串联，所述一对差分器并联在所述双腔腔式BPM与混频器之间。本发明克服了现有技术中共模TM010信号必须远距离传输至隧道外与下变频使用的本振源进行混频所导致的信号衰减及对室内外温差敏感的缺陷，从而提高了测量精度。
Description
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中束流流强的系统和方法。
背景技术
目前粒子加速器中已经广泛采用了ICT(积分电流变压器)来测量束流流强(本申请中所述的“束流流强”均指代束流流强的幅度)。然而，由于ICT的测量波形受地回路干扰较大，如果采用ICT进行单次测量，则随机误差较大，无法满足测量精度的要求；但如果采用ICT进行多次测量，得到的平均值是准确的，可用作流强标定。
腔式BPM(束流位置探测器)是一种已有的信号获取方法，因其nm级的位置分辨率被广泛应用在粒子加速器中进行位置测量，例如应用在自由电子激光装置波荡器部分进行束流位置测量。但腔式BPM在测量过程中得到的共模TM010信号幅度并不受束流位置影响，而只与束流流强有关，且其性噪比可以达到100dB以上，因此可利用该共模TM010信号来测量束流流强。
已知的是，共模TM010信号为射频信号，其表达式如下：
在式(1)中，k是探头感应信号比例因子，A是束流流强，是信号相位，τ是信号衰减时间，f是谐振信号频率，一般为数GHz。
为了对共模TM010信号进行处理而求解出其信号幅度kA，现有技术中典型的处理方法是先进行下变频以将该射频信号变换到中频，然后进行数字化采样与数字信号解调操作即可得到信号幅度kA。然而，由于粒子加速器在运行时有辐射，其必须放置在防辐射的隧道内，当采用腔式BPM进行测量时，BPM必须安装在加速器上所以同样也位于隧道内，由于隧道内辐射较强，因而用于与共模TM010信号进行混频以实现下变频的本振源一般设置在隧道外，距离腔式BPM较远。这样会带来以下缺陷：共模TM010信号需远距离传输才能与隧道外的本振源混频，然而，射频信号在远距离传输时衰减较大，并且对隧道内外温差变化敏感，因此会引入测量误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的利用共模TM010信号测量粒子加速器束流流强的系统和方法，以解决现有技术中共模TM010信号须远距离传输至隧道外所带来的衰减较大以及对隧道内外温差变化敏感的问题，从而提高测量精度。
为实现上述目的，本发明提供一种测量粒子加速器束流流强的系统，包括设置在粒子加速器上的一双腔腔式BPM和一ICT，所述双腔腔式BPM具有两个参考腔，每个参考腔具有一对探头，其中，该系统还包括一对差分器、一混频器、一低通滤波器和一数据采集器，其中，所述混频器、低通滤波器和数据采集器依次串联，所述一对差分器并联在所述双腔腔式BPM与混频器之间；而数据采集器另与ICT串连。
本发明还提供一种测量粒子加速器束流流强的方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过设置在粒子加速器上的ICT对粒子加速器的束流流强进行多次测量，并输出多次测量的流强平均值；
步骤S2，通过设置在粒子加速器上的双腔腔式BPM的两对探头分别引出两个参考腔对应的两路谐振信号；
步骤S3，通过一对差分器分别对每个参考腔的每对探头输出的两路谐振信号进行差分，再通过混频器对所述一对差分器输出的差分信号进行混频，接着通过低通滤波器对混频后的信号进行低通滤波而得到一中频信号；
步骤S4，通过数据采集器对所述步骤S3得到的中频信号进行数字化采样，并提取所述中频信号的幅度；
步骤S5，通过所述数据采集器对所述步骤S1中的ICT输出的流强平均值进行数字化采样，并根据采样到的流强平均值及步骤S4中提取的中频信号的幅度根据下式确定束流流强与中频信号幅度的对应关系系数：
中频信号幅度＝k1k2A2
其中，A为束流流强，k1k2为系数；以及
步骤S6，重复执行步骤S2-S4以获取不同时刻所述低通滤波器输出的中频信号的幅度，再根据所述步骤S5中得到的所述中频信号的幅度与束流流强的对应关系系数，而获取不同时刻的束流流强。
其中，所述探头分别位于每个参考腔的两侧。
特别的，所述两个参考腔均为高Q腔。
优选地，所述两个参考腔设置为使对应的共模TM010信号的频率差为1-200兆赫兹。
更优地，所述两个参考腔设置为使对应的共模TM010信号的频率差为20-40兆赫兹。
较佳地，该系统还包括一连接在所述低通滤波器与数据采集器之间的放大器对低通滤波得到的中频信号进行放大。。
本发明利用腔式探头对束流强度的高灵敏度，设计双腔结构探头进行束流流强测量。本发明采用具有两个参考腔的双腔腔式BPM同时测得两路共模TM010信号，并对这两路共模TM010信号进行混频和低通滤波后获取束流流强，由于混频器和低通滤波器受辐射影响较小可以设置在隧道内，从而克服了现有技术中共模TM010信号必须远距离传输至隧道外与下变频使用的本振源进行混频所导致的信号衰减及对室内外温差敏感的缺陷，同时两探头输出信号相位差固定，也解决了本振源锁相问题。本发明利用腔式探头高灵敏度和ICT多次测量的准确度进行流强绝对值标定，提高了测量精度，分辨率远好于千分之一。
附图说明
图1为本发明测量粒子加速器束流流强的系统的结构框图；
图2为现有技术中典型的腔式BPM的结构示意图；
图3为本发明中的双腔腔式BPM的结构示意图；
图4为本发明测量粒子加速器束流流强的系统的一个优选实施例的结构框图。
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。
如图1所示，本发明，即测量粒子加速器束流流强的系统，包括设置在粒子加速器通道10上的一双腔腔式BPM1和一ICT2，还包括用于信号处理的一对差分器31和32、一混频器4、一低通滤波器5和一数据采集器6。其中，混频器4、低通滤波器5和数据采集器6依次串联，一对差分器31和32并联在双腔腔式BPM1与混频器4之间。
在本发明中，双腔腔式BPM1是指在典型腔式BPM的基础上增加了一个参考腔的束流位置探测器，图2和图3分别示出了典型腔式BPM和双腔腔式BPM的结构示意图，图中箭头所示方向为束流传输方向。从图2中可以看出，典型腔式BPM具有一个参考腔13'及一对用于引出该参考腔13'的两路谐振信号的探头11'和12'，该对探头11'和12'输出的两路信号进行差分后，即可得到该参考腔13'对应的共模TM010信号。再请参阅图3，本发明的双腔腔式BPM具有两个参考腔15和16及两对探头11和12、13和14，其中，一对探头11和12用于引出参考腔15的两路谐振信号，另一对探头13和14用于引出参考腔16的两路谐振信号，每对探头11和12、13和14分别输出的两路信号进行差分后，即可得到相应参考腔15和16对应的共模TM010信号。由于当前电子学水平10位以上的模数转换器件可以达到1G赫兹以上，因此可以对采样500兆赫兹频率以内的信号实现数字化采样。但是频率越高，受到的信号干扰越严重。为了解决干扰的问题，双腔腔式BPM1设置为使两个参考腔15和16对应的共模TM010信号的频率差为1-200兆赫兹，而最佳的抗干扰频率则是中频信号，因此本发明优选20～40兆赫兹。两个参考腔15和16均为高Q腔。
采用图1中的系统进行束流流强测量的方法如下：
步骤S1，通过ICT2对粒子加速器通道10中的束流流强进行多次测量，并输出多次测量的流强平均值。
步骤S2，通过双腔腔式BPM1的两对探头11和12、13和14分别引出两个参考腔15和16各自对应的两路谐振信号。
步骤S3，首先，通过一对差分器31和32分别对每对探头11和12、13和14输出的两路谐振信号进行差分，得到的两个差分信号即为两个参考腔15和16各自对应的共模TM010信号，分别表示为：
在式(2)中，k1是探头11和12的感应信号比例因子，A是束流流强，是参考腔对应的共模TM010信号的相位，τ是信号衰减时间，f1是参考腔对应的共模TM010信号的频率；在式(3)中，k2是探头13和14的感应信号比例因子，A是束流流强，是参考腔对应的共模TM010信号的相位，τ是信号衰减时间，f2是参考腔对应的共模TM010信号的频率。
然后，通过混频器4对差分器31和32输出的两路共模TM010信号进行混频，混频后的信号表示如下：
最后，通过低通滤波器5对混频后的信号进行低通滤波，为了滤除混频后的高频部分信号而保留中频(f1-f2)部分信号，低通滤波器5的带宽必须大于频率差f1-f2，滤波后得到中频信号，表示如下：
根据式(5)，滤波后中频信号的相位为幅度为k1k2A2，可见，该幅度与束流流强A的平方成线性关系，只要得到k1k2的值，即可计算出束流流强。
步骤S4，首先通过数据采集器6的一个通道对步骤S3输出的中频信号进行数字化采样，该数据采集器6优选为2通道、12位以上、采样率大于100兆赫兹的数据采集器；然后通过数字信号处理提取中频信号的幅度k1k2A2，此处提取幅度的方法为现有技术中成熟的方法，可以通过多种算法实现，如正交解调后取幅度，或者直接平方和开根，结果为k1k2A2等，在此不再赘述。
步骤S5，通过数据采集器6的另一个通道对ICT2输出的流强平均值进行数字化采样，由于ICT2测量的流强平均值是准确的测量值，则该流强平均值即为步骤S4中提取的中频信号的幅度k1k2A2所对应的实际束流流强A，从而可以确定两者的对应关系，即确定k1k2的值。
步骤S6，根据需要重复执行步骤S2-S4以获取不同时刻低通滤波器5输出的中频信号的幅度，由于步骤S5中已得到k1k2的值，根据式(5)中得到的中频信号的幅度与束流流强的对应关系，即可获取束流流强的随机测量值。
在图4所示的优选实施例中，考虑到信号传输时有插入损耗，在低通滤波器5与数据采集器6之间还连接有一放大器7，以对低通滤波器5输出的中频信号进行放大。采用图4的系统进行束流流强测量时，上述步骤S3还包括在低通滤波得到中频信号后对该中频信号进行放大。
综上所述，本发明采用具有两个参考腔15和16的双腔腔式BPM1同时测得两路共模TM010信号，并对这两路共模TM010信号进行混频和低通滤波后获取束流流强。由于混频器和低通滤波器受辐射影响较小，可以设置在隧道内，从而克服了现有技术中共模TM010信号必须远距离传输至隧道外与下变频使用的本振源进行混频所导致的信号衰减及对室内外温差敏感的缺陷。同时，两个参考腔15和16对应的两路共模TM010信号相位差固定，是锁相的，因而解决了本振源必须锁相的问题。此外，双腔腔式BPM1的高灵敏度和ICT2多次测量的准确度，提高了束流流强测量的精度。假设处理前端(即差分器31和32、混频器4、低通滤波器5和放大器7)引入了20dB的系统噪声，只要数据采集器6对中频信号进行数字化采样的位数大于10位、采样率百兆赫兹以上就能保证流强测量系统分辨率远好于千分之一，这是因为双腔腔式BPM1信噪比好于100dB，扣除20dB系统噪声，信噪比好于80dB，80dB对应的分辨率是万分之1，因此当数字化采样位数为10位时，分辨率为千分之一。因此，只要采样位数大于10位，分辨率就能好于千分之一。
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 (12)
1.一种测量粒子加速器束流流强的系统，其特征在于，包括设置在粒子加速器上的一双腔腔式BPM和一ICT，所述双腔腔式BPM具有两个参考腔，每个参考腔具有一对探头，其中，
该系统还包括一对差分器、一混频器、一低通滤波器和一数据采集器，其中，所述混频器、低通滤波器和数据采集器依次串联，所述一对差分器并联在所述双腔腔式BPM与混频器之间；而数据采集器另与ICT串连。
2.根据权利要求1所述的测量粒子加速器束流流强的系统，其特征在于，所述探头分别位于每个参考腔的两侧。
3.根据权利要求1或2所述的测量粒子加速器束流流强的系统，其特征在于，所述两个参考腔均为高Q腔。
4.根据权利要求1或2所述的测量粒子加速器束流流强的系统，其特征在于，所述两个参考腔设置为使对应的共模TM010信号的频率差为1-200兆赫兹。
5.根据权利要求4所述的测量粒子加速器束流流强的系统，其特征在于，所述两个参考腔设置为使对应的共模TM010信号的频率差为20-40兆赫兹。
6.根据权利要求1所述的测量粒子加速器束流流强的系统，其特征在于，该系统还包括一连接在所述低通滤波器与数据采集器之间的放大器。
7.一种测量粒子加速器束流流强的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，通过设置在粒子加速器上的ICT对粒子加速器的束流流强进行多次测量，并输出多次测量的流强平均值；
步骤S2，通过设置在粒子加速器上的双腔腔式BPM的两对探头分别引出两个参考腔对应的两路谐振信号；
步骤S3，通过一对差分器分别对每个参考腔的每对探头输出的两路谐振信号进行差分，再通过混频器对所述一对差分器输出的差分信号进行混频，接着通过低通滤波器对混频后的信号进行低通滤波而得到一中频信号；
步骤S4，通过数据采集器对所述步骤S3得到的中频信号进行数字化采样，并提取所述中频信号的幅度；
步骤S5，通过所述数据采集器对所述步骤S1中的ICT输出的流强平均值进行数字化采样，并根据采样到的流强平均值及步骤S4中提取的中频信号的幅度根据下式确定束流流强与中频信号幅度的对应关系系数：
中频信号幅度＝k1k2A2
其中，A为束流流强，k1k2为系数；以及
步骤S6，重复执行步骤S2-S4以获取不同时刻所述低通滤波器输出的中频信号的幅度，再根据所述步骤S5中得到的所述中频信号的幅度与束流流强的对应关系系数，而获取不同时刻的束流流强。
8.根据权利要求7所述的测量粒子加速器束流流强的方法，其特征在于，步骤S2中所述两对探头分别位于双腔腔式BPM的每个参考腔的两侧。
9.根据权利要求7或8所述的测量粒子加速器束流流强的方法，其特征在于，步骤S2中所述两个参考腔均为高Q腔。
10.根据权利要求7或8所述的测量粒子加速器束流流强的方法，其特征在于，步骤S2中所述两个参考腔设置为使对应的共模TM010信号的频率差为1-200兆赫兹。
11.根据权利要求10所述的测量粒子加速器束流流强的方法，其特征在于，步骤S2中所述两个参考腔设置为使对应的共模TM010信号的频率差为20-40兆赫兹。
12.根据权利要求7所述的测量粒子加速器束流流强的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括对低通滤波得到所述中频信号进行放大。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Application publication date: 20160615 Assignee: SHANGHAI AIPUQIANG PARTICLE EQUIPMENT Co.,Ltd. Assignor: SHANGHAI INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2019310000019 Denomination of invention: System and method for measuring beam flow intensity of particle accelerator Granted publication date: 20180713 License type: Exclusive License Record date: 20191113 |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221226 Address after: 201800 Shanghai city Jiading District Road No. 2019 Patentee after: SHANGHAI INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Patentee after: Shanghai Alliance Investment Ltd. Address before: 201800 Shanghai city Jiading District Road No. 2019 Patentee before: SHANGHAI INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |