CN107589313B - 一种谐振腔轴向电场测量装置以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振腔轴向电场测量装置以及测量方法，该装置包括机械结构部分和测量控制部分，机械结构部分包括主体框架、滑轮、驱动结构、牵引线以及微扰体，测量控制部分包括激励模块、环境监测模块以及分析模块，微扰体位于处于竖直状态的牵引线上，通过滑轮驱动牵引线移动，保证微扰体在被测谐振腔的中心线上移动，通过激励模块向被测谐振腔发射激励信号，并采集微扰体位于不同位置时反馈信号，获得微扰体位于不同位置时谐振腔的谐振频率，根据微扰体位于不同位置时谐振腔的谐振频率和当前环境下谐振腔的谐振频率获得当前位置的谐振腔电场强度。本装置通过保证微扰体运动轨迹与被测谐振腔中心线的同轴度，提高电场强度精确度。

Description

一种谐振腔轴向电场测量装置以及测量方法

技术领域

本发明属于电子直线加速器领域，更具体地，涉及一种谐振腔轴向电场测量装置以及测量方法。

背景技术

电子直线加速器不仅用于高能物理等基础科学研究，还在民用领域有广泛的应用。医学上，目前在世界各国已经有不同能量的医用直线加速器在运行，对肿瘤进行放射治疗。在工业领域，电子直线加速器可用于工业探伤和辐照加工。在农业领域，尤其是在食品的辐照加工以及良种的培育方面，电子直线加速器得到了广泛的应用。

谐振腔体是直线加速器中的关键部分，微波功率馈入后在谐振腔体内部激发电场，进而加速电子。因此在安装谐振腔体前，对谐振腔体的谐振频率的测量，及测量其轴向电场曲线与谐振频率是否与仿真设计相一致具有十分重要的意义。由于腔体是一个封闭结构，无法直接测量其内部电场轴向强度分布。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种谐振腔轴向电场测量装置以及测量方法，其目的在于解决现有的测量装置无法保证测量探头与谐振腔的同轴度而导致轴向电场测量不准确的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种谐振腔轴向电场测量装置，包括：第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮、牵引线、主体框架、微扰体、激励模块、驱动结构、环境监测模块以及分析模块；

主体框架设有上横梁和下底座，上横梁和下底座平行设置，下底座上表面和上横梁下表面均设有导轨，驱动结构安装于下底座上，第一滑轮与驱动结构连接，第二滑轮位于下表面上导轨上，第三滑轮和第四滑轮位于上横梁下表面上的导轨上，且第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮位于同一平面；第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮通过呈环形的牵引线连接；

第二滑轮和第四滑轮之间竖直放置的牵引线位于待测谐振腔的中心线上，微扰体固定于第二滑轮和第四滑轮之间的牵引线上，用于改变待测谐振腔内谐振频率同时不破坏待测谐振腔内场强分布；驱动结构用于驱动第一滑轮转动进而带动牵引线移动，使微扰体沿着谐振腔中心线移动，保证微扰体运动轨迹与待测谐振腔中心线的同轴度；

激励模块用于产生激励信号并采集微扰体位于不同位置的反馈信号，激励信号作用于待测谐振腔上使谐振腔谐振；

环境监测模块用于监测环境信息；

分析模块，其第一输入端与激励模块的输出端连接，其第二输入端与环境监测模块的输出端连接，用于根据微扰体位于不同位置的反馈信号和环境信息获得待测谐振腔内轴向场强。

优选地，在主体框架的下底座上设有多个螺纹孔，用于调节驱动结构的位置，使得第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮位于同一平面。

优选地，谐振腔轴向电场测量装置还包括张紧轮，安装于驱动结构上；呈环形的牵引线套于张紧轮上，张紧轮用于提高牵引线与各个滑轮之间的摩擦力。

优选地，分析模块包括：

参数转化单元，其输入端作为分析模块的输出端连接，用于根据标准真空状态下谐振频率和环境信息获得当前环境下谐振频率；以及

电场数值获取单元，其第一输入端与参数转化单元的输出端连接，其第二输入端作为分析模块的第二输入端，用于根据不同位置的反馈信号和当前环境下谐振频率获得谐振腔不同位置的轴向场强。

优选地，微扰体为导电材料。

按照本发明的另一方面，提供了一种谐振腔轴向电场测量方法，包括如下步骤：

S1通过让激励信号作用于待测谐振腔内使谐振腔内发生谐振；

S2通过让第一滑轮转动单位角度使微扰体在待测谐振腔内移动单位步长；

S3采集微扰体移动单位步长后激励信号返回的反馈信号，并根据谐振腔标准真空状态下谐振频率和环境信息获得谐振腔当前环境下谐振频率；

S4根据谐振腔当前环境下谐振频率和当前位置的反馈信号获得当前位置轴向场强；

S5判断微扰体移动步数是否大于设定移动步数，若是，则输出谐振腔的轴向场强分布数据，否则，返回步骤S2。

优选地，根据公式获得当前环境下谐振频率；

其中，f_r为当前环境下谐振腔的谐振频率，f₀为真空下谐振腔的谐振频率，ε_r为当前环境下的相对介电常数，Δf_T是测试温度不同于腔体工作温度时引起的频率变化。

优选地，根据公式获得当前位置轴向场强；

其中，f为微扰体位于当前位置时谐振腔的谐振频率，f_r为当前环境下谐振腔的谐振频率，W激励信号的功率，Δε为微扰体的介电常数与空气介电常数的差值，V'为微扰体体积。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的装置中，将位于第二滑轮和第四滑轮中间竖直放置的牵引线作为测量线，微扰体位于该段牵引上，通过电机驱动滑轮转动带动牵引线移动，保证微扰体移动位移与被测谐振腔中心线的同心度高，测量结果更精确。

2、该装置设有导轨，便于移动滑轮位置，同时将滑轮直接安装于型材之上，既保证的结构的紧凑与简单，又使得调节滑轮之间的位置更加方便。

3、该装置在电机传动处设有张紧轮以压紧牵引线，增大牵引线与滑轮间的摩擦力，电机转动带动滑轮时，不易发生打滑，保证测量的准确性。

4、测量系统采用工业计算机与可远程控制的网络分析仪、步进电机及环境监测集成模块的组合，可实现全自动测量，并且测量过程快速平稳。

附图说明

图1为本发明提供的谐振腔轴向电场测量装置的结构示意图；

图2为本发明提供的谐振腔轴向电场测量装置的工作原理图；

图3为本发明提供的基于谐振腔轴向电场测量装置的测量方法流程图；

其中：1为主体框架；2为导轨；3为谐振腔支撑件；4为步进电机；5为第一定滑轮；6为第二定滑轮；7为张紧轮；8为待测谐振腔；9为网络分析仪；10为微扰体；11为激励探针；12为第三滑轮；13为第四滑轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明提供的谐振腔轴向电场测量装置的结构示意图，该装置分为机械结构部分和测量控制部分两个部分，机械结构部分包括主体框架1，主体框架1用于提供安装支撑，主体框架1包括下底座、左支撑架、右支撑架和上横梁，驱动结构包括步进电机4和电机支撑件，下底座上安装有电机支撑件，步进电机4安装于电机支撑件上，第一滑轮5安装于步进电机的输出轴上，步进电机4用于驱动第一滑轮5转动，支撑底座安装电机支撑件处，打有若干个螺丝孔，这样是为了方便调节电机支撑件的位置，使得电机轴上的滑轮也可以横向调节，这样做是为了保证第一滑轮5、第二滑轮6、第三滑轮12和第四滑轮13位于同一平面。张紧轮安装于电机支撑件之上，并可左右调节以调整对线的压力大小。上横梁通过三角支架固定在竖直放置的左右支撑架上，可调整三角支架的位置以调节上横梁的高度。谐振腔置于腔体的支撑件上。同时在下底座上固定一段导轨2，导轨2上安装有第二滑轮6，第二滑轮6可以在导轨上移动，调整第二滑轮6位置，方便对不同大小的腔体进行测量。上横梁下方设有导轨，第三滑轮12和第四滑轮13均位于上横梁的导轨上，第三滑轮12和第四滑轮13可以在上横梁下方设置导轨移动。本实施例中左支撑架、右支撑架以及上横梁均为过2011铝合金型材，将滑块安装于铝合金型材的槽内，第三滑轮12和第四滑轮13固定于滑块上既可以实现第三滑轮和第四滑轮可移动。

第一滑轮5、第二滑轮6、第三滑轮12和第四滑轮13通过呈环形的牵引线连接，可以移动的第一滑轮5、第二滑轮6、第三滑轮12和第四滑轮13方便测量不同尺寸的谐振腔，且保证位于第二滑轮6个第四滑轮13之间的牵引线保持竖直。位于第二滑轮6和第四滑轮13之间竖直放置的牵引线通过待测谐振腔8的中心线，谐振腔8位于谐振腔体支撑件3上，微扰体10固定于第二滑轮6和第四滑轮13之间的牵引线上，进而使得微扰体10位于待测谐振腔8的中心线上，步进电机4驱动第一滑轮5转动进而带动牵引线移动，使微扰体10沿着待测谐振腔8中心线移动，保证微扰体10运动轨迹与待测谐振腔8中心线的同轴度，微扰体10为导电材料，能够改变待测谐振腔8内谐振频率同时不改变待测谐振腔8内场强分布。为了进一步的增加牵引线四个滑轮之间的摩擦力，在第一滑轮5和第三滑轮12之间设有张紧轮7，通过步进电机转动角度可以精确获得微扰体10在待测谐振腔8的位置信息，从而可以精确获得待测谐振腔8轴向上场强信息，同时张紧轮7可以使牵引线的垂直直线度较小。

测量控制部分包括激励模块、环境监测模块以及分析模块，激励模块包括网络分析仪9和激励探针11，网络分析仪9产生固定频率的激励信号，激励探针11经同轴线与网络分析仪9输出端相接，激励探针将激励信号传递至谐振腔，激励信号作用于待测谐振腔8上使待测谐振腔8谐振，网络分析仪9同时采集微扰体10位于不同位置的反馈信号，反馈信号输送至分析模块的第一输入端，环境监测模块将其监测环境信息输送至分析模块的第二输入端，分析模块中参数转化单元根据环境信息将标准真空下谐振腔的谐振频率转为当前环境下谐振腔的谐振频率，即根据环境温湿度和标准真空下谐振腔的谐振频率获得当前温湿度下未放入微扰体10的谐振频率，分析模块中电场数值获取单元根据参数转化单元输出的当前环境下谐振腔的谐振频率和激励模块输出的当前位置的反馈信号获得当前位置的场强信号。

谐振腔内部的电场测量采用逐点测量的模式，测量策略是利用激励模块产生固定频率的激励信号，用一探针经腔体耦合孔馈入谐振腔体。谐振腔体轴向中心开有一小孔，穿透腔体两端。缠绕在滑轮上的牵引线上系有微扰体10，由于微扰体10的存在使得腔体谐振频率发生改变，通过激励模块采集微扰体10位于不同位置下反馈信号，从反馈信号中提取微扰体10位于不同位置时谐振腔的谐振频率，根据利用环境监测模块检测到的温度、湿度以及标准真空状态下的谐振腔谐振频率获得当前环境下谐振腔的谐振频率，根据由激励模块于不同位置处测量的谐振频率与当前环境下谐振腔的谐振频率的差值获得该处电场强度。当牵引线绷紧后，通过步进电机转动带动固定在其轴上的滑轮旋转，由于线与滑轮的摩擦力带动其余定滑轮转动，电机轴转动的距离约等于线移动的距离，线上的微扰体10沿腔体中心轴线方向逐点运动，完成腔体中心轴线上电场强度的测量。

图2为本发明提供的谐振腔轴向电场测量装置实施例的工作原理图，四个滑轮使位于同一平面，微扰体位于处于竖直状态的牵引线段上，通过调整微扰体上下两端的滑轮位置可以保证牵引线与谐振腔中心线的同轴度，可以对竖直放置腔体进行测量。将四个滑轮安装于由2011铝合金板制成的主体框架上，不易变形。测量控制部分中激励模块为网络分析仪和激励探针，网络分析仪产生固定频率的激励信号，激励探针经同轴线与网络分析仪输出端相接，激励探针将激励信号传递至谐振腔并采集反馈信号。网络分析仪将反馈信号输送至工业用计算机。环境监测模块包括温度探头和湿度探头，检测当前环境的温湿度，工控机接受到监测的数据，以进行当前条件下的谐振腔微波参数至标准真空条件下微波参数的换算。通过计算机设置网络分析仪运行参数，读取环境监测数据及相关测量数据，同时控制步进电机的运动，实现高精度的定位。

测量控制部分运行的逻辑是工业用计算机通过友好的人机界面记录电场测量要求的测量策略，然后通过计算机控制步进电机运动，步进电机转动的距离作为微扰体的位置信息反馈给计算机，实现高精度的定位，同时计算机控制网络分析仪实现对腔体的激励与测量，经过内部程序的后处理，计算机同时记录了微扰体的位置信号和该处对应的电场的值，从而完成整个腔体轴向的电场测量。

图3为本发明提供的基于上述谐振腔轴向电场测量装置的测量方法的流程图，方法包括如下步骤：

S1激励模块持续产生激励信号，激励信号作用于待测谐振腔内使谐振腔内发生谐振；

S2驱动结构驱动第一滑轮5转动单位角度使微扰体在待测谐振腔内移动单位步长；

S3采集微扰体移动单位步长后激励信号返回的反馈信号，并根据谐振腔标准真空状态下谐振频率和环境信号获得谐振腔当前环境下谐振频率；

S4根据谐振腔当前环境下谐振频率和当前位置的反馈信号获得当前位置轴向场强；

S5判断微扰体移动步数是否大于设定移动步数，若是，则输出谐振腔的轴向场强分布数据，否则，返回步骤S2。

其中，设定移动步数根据谐振腔长度和微扰体单位步长确定。微扰体单位移动步长与步进电机转动单位角度和滑轮半径有关。为了进一步提高测量精度，待微扰体移动停止后采集激励信号反返回的反馈信号，减少震动对谐振腔谐振频率的影响。

作为本发明提供的谐振腔轴向电场测量方法实施例中，根据如下公式获得当前环境下谐振频率：

其中，f_r为当前环境下谐振腔的谐振频率，f₀为真空下谐振腔的谐振频率，ε_r为当前环境下的相对介电常数，Δf_T是测试温度不同于腔体工作温度时引起的频率变化。

根据如下公式获得当前位置轴向场强：

其中，f为微扰体位于当前位置时谐振腔的谐振频率，f_r为当前环境下谐振腔的谐振频率，W激励信号的功率，Δε为微扰体的介电常数与空气介电常数的差值，V'为微扰体体积。

本发明提供的测量方法，由于微扰体位于处于竖直状态的牵引线上，通过滑轮驱动牵引线移动，能够保证微扰体在被测谐振腔的中心线上移动。通过激励模块向被测谐振腔发射激励信号，并采集微扰体位于不同位置时反馈信号，获得微扰体位于不同位置时谐振腔的谐振频率。根据微扰体位于不同位置时谐振腔的谐振频率和当前环境下谐振腔的谐振频率获得当前位置的谐振腔电场强度。本装置通过保证微扰体运动轨迹与被测谐振腔中心线的同轴度，提高电场强度精确度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种谐振腔轴向电场测量装置，其特征在于，包括：

第一滑轮(5)、第二滑轮(6)、第三滑轮(12)、第四滑轮(13)、牵引线、主体框架(1)、微扰体(10)、激励模块、驱动结构(4)、环境监测模块以及分析模块；

所述主体框架(1)设有上横梁和下底座，所述上横梁和所述下底座平行设置，所述下底座上表面和所述上横梁下表面均设有导轨，所述驱动结构(4)安装于所述下底座上，所述第一滑轮(5)与驱动结构连接，所述第二滑轮(6)位于下表面上导轨上，所述第三滑轮(12)和所述第四滑轮(13)位于上横梁下表面上的导轨上，且所述第一滑轮(5)、所述第二滑轮(6)、所述第三滑轮(12)和所述第四滑轮(13)位于同一平面；所述第一滑轮(5)、第二滑轮(6)、第三滑轮(12)和第四滑轮(13)通过呈环形的牵引线连接；

所述第二滑轮(6)和所述第四滑轮(13)之间竖直放置的牵引线位于待测谐振腔的中心线上，所述微扰体(10)固定于所述第二滑轮(6)和所述第四滑轮(13)之间的牵引线上，用于改变待测谐振腔内谐振频率同时不破坏待测谐振腔内场强分布；所述驱动结构(4)用于驱动第一滑轮(5)转动进而带动所述牵引线移动，使所述微扰体(10)沿着谐振腔中心线移动，保证所述微扰体(10)运动轨迹与待测谐振腔中心线的同轴度；

所述激励模块用于产生激励信号并采集所述微扰体位于不同位置的反馈信号，所述激励信号作用于待测谐振腔上使谐振腔谐振；

所述环境监测模块用于监测环境信息；

所述分析模块，其第一输入端与所述激励模块的输出端连接，其第二输入端与所述环境监测模块的输出端连接，用于根据微扰体位于不同位置的反馈信号和环境信息获得待测谐振腔内轴向场强。

2.如权利要求1所述的谐振腔轴向电场测量装置，其特征在于，在所述主体框架(1)的下底座上设有多个螺纹孔，用于调节驱动结构的位置，保证所述第一滑轮(5)、所述第二滑轮(6)、所述第三滑轮(12)和所述第四滑轮(13)位于同一平面。

3.如权利要求1或2所述的谐振腔轴向电场测量装置，其特征在于，谐振腔轴向电场测量装置还包括张紧轮(7)，其安装于驱动结构上；呈环形的牵引线套于所述张紧轮上，张紧轮用于提高牵引线与各个滑轮之间的摩擦力。

4.如权利要求1所述的谐振腔轴向电场测量装置，其特征在于，所述分析模块包括：

参数转化单元，其输入端作为分析模块的输出端连接，用于根据标准真空状态下谐振频率和所述环境信息获得当前环境下谐振频率；以及

电场数值获取单元，其第一输入端与参数转化单元的输出端连接，其第二输入端作为分析模块的第二输入端，用于根据所述不同位置的反馈信号和所述当前环境下谐振频率获得谐振腔不同位置的轴向场强。

5.如权利要求1所述的谐振腔轴向电场测量装置，其特征在于，所述微扰体(10)为导电材料。

6.一种基于权利要求1所述的谐振腔轴向电场测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1通过让激励信号作用于待测谐振腔内使谐振腔内发生谐振；

S2通过让第一滑轮转动单位角度使微扰体在待测谐振腔内移动单位步长；

S3采集微扰体移动单位步长后激所述激励信号返回的反馈信号，并根据谐振腔标准真空状态下谐振频率和环境信息获得谐振腔当前环境下谐振频率；

S4根据所述谐振腔当前环境下谐振频率和当前位置的反馈信号获得当前位置轴向场强；

S5判断微扰体移动步数是否大于设定移动步数，若是，则输出谐振腔的轴向场强分布数据，否则，返回步骤S2。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，根据公式获得当前环境下谐振频率；

其中，f_r为当前环境下谐振腔的谐振频率，f₀为真空下谐振腔的谐振频率，ε_r为当前环境下的相对介电常数，Δf_T是测试温度不同于腔体工作温度时引起的频率变化。

8.如权利要求6或7所述的测量方法，其特征在于，根据公式获得当前位置轴向场强；

其中，f为微扰体位于当前位置时谐振腔的谐振频率，f_r为当前环境下谐振腔的谐振频率，W激励信号的功率，Δε为微扰体的介电常数与空气介电常数的差值，V'为微扰体体积。