CN107797137A - 一种直线感应电子加速器试验平台及双线圈探测结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线感应电子加速器试验平台及双线圈探测结构，所述结构包括：PCB板、探测线圈A、有机玻璃、探测线圈B；有机玻璃固定在束流管道壁上，PCB板固定在有机玻璃上，探测线圈A和探测线圈B固定在PCB板上，其中，探测线圈A与探测线圈B接地方向相反；解决了现有的探测结构复杂，工业要求较高的技术问题，实现了结构简单，工艺要求较低，且对束流的传输没有任何影响，提高了束流半径诊断效率的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及线感应电子加速器试验领域，具体地，涉及一种直线感应电子加速器试验平台及双线圈探测结构。
背景技术
目前在直线感应电子加速器中被广泛使用的束流半径诊断技术有胡椒屏法和渡越辐射法，如图1-图2所示。如胡椒屏法如图1所示。渡越辐射法如图2所示。
上述诊断技术都是直接拦截束流对其进行诊断，在系统稳定的情况下可以用大量束流的统计平均值来估算当前实验束流的半径或发射度。实验效率低，当系统出现不稳定时无法立刻判断出来，对束流的传输具有影响。同时这些方法装置布局相对繁琐，实验效率较低，不易满足现在的实验需求。
美国W.E.Nexsen提出的是单个线圈的测量结构，可以解决上述问题，但是由于径向电场的强度远大于束流旋转产生的轴向磁场的强度，为了屏蔽径向电场的影响和提高信噪比，添加了一层5μm镍铬合金薄膜并在线圈后加入磁环，如图3所示，这种结构对工艺的要求比较高。
发明内容
本发明提供了一种直线感应电子加速器试验平台及双线圈探测结构，解决了现有的探测结构复杂，工业要求较高的技术问题，实现了结构简单，工艺要求较低，且对束流的传输没有任何影响，提高了束流半径诊断效率的技术效果。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种直线感应电子加速器中的双线圈新型探测结构，所述结构包括：
PCB板、探测线圈A、有机玻璃、探测线圈B；有机玻璃固定在束流管道壁上，PCB板固定在有机玻璃上，探测线圈A和探测线圈B固定在PCB板上，其中，探测线圈A与探测线圈B接地方向相反。
本申请中的双线圈的新型探测结构，两组单砸线圈独立且接地方向相反，这种结构简单，工艺要求较低，并且从理论上有效解决了电场干扰和损失的问题。束流在运动过程中本身激发出电磁场，这种结构的探头通过线圈的电磁感应原理，可以同时获得磁场和电场信息，通过简单的信号分析可以快速将两者分离并处理，实现束流半径和流强的实时诊断。此外该结构可以与轴向B-dot探头结合，在获得束流半径和流强信息的同时获得束流偏轴信息，实现束流诊断探头的集成。径向电场和轴向磁场在探头上产生的信号是耦合在一起的，采用两个接地方向相反的反磁线圈，就可以将两种信号区分开，从而更全面的获取束流的信息。
进一步的，探测线圈A和探测线圈B均为单砸线圈，且相互独立，磁场感应的电动势和电场感应的电动势在接地端相反的情况下方向变化不同。
进一步的，所述结构还包括外壳，PCB板、探测线圈A、有机玻璃、探测线圈B均位于外壳内，外壳与束流管道壁连接。外壳为密封金属外壳，进行保护。
进一步的，为了消除不对称性带来的误差，双线圈结构上改善了探头的引出和支撑结构，这些改变增强了两个反磁线圈的电磁对称性。所述结构还包括：BNC接头、同轴线、多个轴向B-dot环、多个角向B-dot环、i-pex接头，探测线圈A和探测线圈B分别通过同轴线与BNC接头连接，轴向B-dot环与角向B-dot环交叉均匀分布在PCB板的截面圆周上，i-pex头位于任意轴线B-dot环与角向B-dot环中间，束流管道从PCB板穿过，束流管道中心线与PCB板截面中心线重合。
本申请还提供了一种直线感应电子加速器试验平台，试验平台中的探测结构为所述的探测结构，所述试验平台还包括：一台高压脉冲电源、两组螺旋调节杆、一个匹配阻抗、一台示波器、两个积分器、束流管道、；
高压脉冲电源与匹配阻抗之间连接有束流管道，探测结构通过同轴电缆与积分器连接，积分器与示波器连接；探测结构固定在束流管道上，用于探测束流通过时产生的信号；高压脉冲电源用于产生梯形方波(前后沿均为20-30纳秒，平顶40-60纳秒，峰值5-10千伏，平定波动小于2％)；两组螺旋调节杆均固定在束流管道上，用于调整模拟束流杆的偏轴情况；匹配阻抗用于减小反射波；示波器用于显示并记录信号；积分器用于对初始信号进行积分处理。
试验平台灵敏度系数计算：
首先建立差模信号的S参数表达式，然后给出灵敏度系数的计算。输入端口由三个量确定：输入电压Vinput，输入电流Iinput和输入阻抗Zinput；同样输出端口也可以由三个量确定：输出电压Vputput，输出电流Ioutput和输出阻抗Zoutput。反磁线圈的灵敏度系数η表示线圈内部含有的由于束流旋转引入的轴向磁通。
螺旋线可以由三个参数表示：螺旋线的半径R，长度L和长度L总的螺旋角度hAngle。在螺旋线上角向电流Iθ和轴向电流Iz有以下关系
电流密度同样有类似的关系
在同轴线中，Vinput＝Z×Iinput，由于在我们的模型中Iθ＜＜Iz，可以将Iinput≈Iz，在后面的推导中我们将Iz用Iinput替代。
在螺旋线内部区域，Bz＝μ0Jθ，磁通量为
在低频情况下，输出端口的输出电压为
S31或S41的大小为
令η＝1计算S31参数值与有限元模拟计算的结果进行比较及可获得模型中的η值，S31为二端口网络系统中传输端口参数，S41为输出端信号强度比上输入端信号强度。
流半径和流强计算方式为：在模拟平台上的计算公式为公式(7)，真实束流环境下为：
式中Φdia由式(4)给出，γ，β为相对论因子，m为电子质量，μ0为真空磁导率，c为光速，e为电子电荷量，B为磁场强度，Iz为束流强度，由式(6)给出。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
解决了现有的探测结构复杂，工业要求较高的技术问题，实现了结构简单，工艺要求较低，且对束流的传输没有任何影响，提高了束流半径诊断效率的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是胡椒屏法的原理示意图；
图2是渡越辐射法原理示意图；
图3是单个线圈结构的结构示意图；
图4是本申请中探测结构的结构示意图；
图5-图7为探测结构改进引出后结构的结构示意图；
图8-图9是轴向磁场信号和径向电场信号方向示意图；
图10是实验测试平台示意图；
图11是探头等效电路示意图；
图12为直线感应加速器上测量的实验结果波形图；
图13为灵敏度系数分布示意图。
其中，1—螺线管；2—监测束位置电阻；3—多孔板；4—铝箔；5—荧光屏；6—反射镜；7—有机玻璃；8—相机；9—磁环；10—探测线圈；11—酚醛塑胶板；12—束流管道壁；13—金属薄膜；14—PCB板；15—探测线圈A；16—有机玻璃；17—探测线圈B；18-外壳；19—BNC头；20—同轴线；21—改进后探测线圈A；22—改进后探测线圈B；23—轴向B-dot环；24—角向B-dot环；25—i-pex头。
具体实施方式
本发明提供了一种直线感应电子加速器试验平台及双线圈探测结构，解决了现有的探测结构复杂，工业要求较高的技术问题，实现了结构简单，工艺要求较低，且对束流的传输没有任何影响，提高了束流半径诊断效率的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请提出了一种双线圈的新型探测结构，两组单砸线圈独立且接地方向相反，这种结构简单，工艺要求较低，并且从理论上有效解决了电场干扰和损失的问题。束流在运动过程中本身激发出电磁场，这种结构的探头通过线圈的电磁感应原理，可以同时获得磁场和电场信息，通过简单的信号分析可以快速将两者分离并处理，实现束流半径和流强的实时诊断。此外该结构可以与轴向B-dot探头结合，在获得束流半径和流强信息的同时获得束流偏轴信息，实现束流诊断探头的集成。
实现在加速器整个束流传输线对感兴趣的地方进行定点测量束流半径，测量装置简单，且对束流的传输没有任何影响，提高了束流半径诊断效率。获得了束流半径之后，可以通过修正三梯度法或者传输矩阵法还可以求得束流的发射度。
直线感应电子加速器中，束流在通过螺线管线圈磁场区域时聚焦，同时发生旋转产生轴向磁通Φbeam，在轴对称情况下Φbeam守恒，有以下关系式：
其中B(0，z)为螺线管线圈中心z方向的磁场，Iz为束流的强度，γ，β为相对论因子，m为电子质量，μ0为真空磁导率，c为光速，e为电子电荷量，B为磁场强度。轴向磁通的变化会在反磁回路线圈中感生出电压信号：
其中η为反磁回路线圈的灵敏度因子，考虑到腔体上的壁电流会产生一个反向的磁通Φwall，有效信号会被削弱，
其中R1，Rp分别是反磁回路线圈和束流管道半径。式(3)给出的表达式只适用于平滑的束流管道。但是实际应用中为了避免杂散电子轰击，一般会将反磁回路线圈放置在一个凹槽内。凹槽结构对磁场有很强屏蔽效应[6]，因此在应用过程中还需要对灵敏度因子进行修正。
美国W.E.Nexsen提出的是单个线圈的测量结构，由于径向电场的强度远大于束流旋转产生的轴向磁场的强度，为了屏蔽径向电场的影响和提高信噪比，添加了一层5μm镍铬合金薄膜并在线圈后加入磁环，如图3所示，这种结构对工艺的要求比较高。理论上径向电场和轴向磁场在探头上产生的信号是耦合在一起的，但是如果采用两个接地方向相反的反磁线圈，就可以将两种信号区分开，从而更全面的获取束流的信息。图4是本申请中有两个反磁回路线圈的新型探头结构示意图。
为了消除不对称性带来的误差，我们还在第一代双线圈结构上改善了探头的引出和支撑结构，这些改变增强了两个反磁线圈的电磁对称性。结构如图5-图7所示。BNC头和同轴线用来屏蔽杂散电磁波，在复杂电磁环境中使得探测器可以正常稳定工作。
两个线圈的接地端相反，如下图8-图9所示：假定电流顺时针为正，电势为相关方向，图5-图7UE为电场感应出的电压，UB为磁场感应出的电压，IE和IB分别为电场和磁场感应出的电流。每个线圈的信号由两部分组成，差模信号和共模信号：差模信号与电子束流半径相关，共模信号与电子束流的流强相关。轴向磁场Bz产生的信号是两线圈的差模信号(线圈A和线圈B的信号差)，径向电场Er产生的信号是共模信号(线圈A和线圈B的信号的和)。
本申请中的实验平台包含一台高压脉冲电源、两组螺旋调节杆、一个匹配阻抗、一台示波器、两个积分器、反磁回路探测器以及同轴电缆。如图10所示，对应的等效电路如图11所示。
当L2CD＜＜1时，
式中为差模信号，其他参数均为图6电路参数，R0为示波器阻抗，R为积分器阻抗，C为积分器电容，Z0为同轴线阻抗，CD为探测结构电容，L2为探测结构分电感，L1为探测结构主电感。关于探头的参数可以通过矢量网络分析仪在频域中用相位拟合的方法得到。结合(1)式和(2)式可得
式中为共模信号，k为一个需要标定的比列系数。
在模拟实验平台上我们采用由八根螺旋的漆包线和有机玻璃组成的螺旋杆模拟束流的旋转情况，实验平台中的螺旋杆半径可由(7)式给出：
式中L为螺旋杆长度，Θ为螺旋角度，Iin为输入电流。
利用矢量网络分析仪测量了探头两个反磁线圈的S11参数，并在0-100MHz的频率范围为内进行了相位拟合。
从拟合结果可以看到，测量S11相位数据与利用等效电路相位曲线在0-100MHz内重叠的非常好，说明了等效电路在低频下的正确性，同时得到两个反磁线圈的电参数表。
| 线圈1 | 线圈2 | |
| L1(μH) | 0.6251 | 0.6220 |
| L2(μH) | 0.0564 | 0.0558 |
| C(pF) | 16.3525 | 16.2415 |
从电参数表可以看出，两个线圈之间的差别非常小，在误差允许范围内可以认为是一致的。
下面我们利用等效电路估计一下反磁线圈的频域响应：
假设磁场为B0eiωt，电场为K1B0eiωt，则电压ε等于磁场的感生电动势：
ε＝iwNSB0eiwt
式中N为线圈匝数，S为线圈面积，B0为磁感应强度，w为频率，K1为比列系数；
位移电流ID等于：
ID＝iwK2K1B0eiωt
式中K2为比例系数；
可以得到负载上的电压为
从该式可以看出，在低频情况下，对于磁场产生的感生电动势和电场引起的电动势，负载上的电压与频率近似成正比；在矢量网络分析仪测得的S21参数中可以很清楚的看到，差模信号和共模信号的大小均与频率近似成正比关系。
从图中可以看出电场引起的共模信号随频率增长速度比磁场引起的差模信号的增长速度大一个数量级。
在实验平台上利用网络分析仪和模拟实验平台标定出探头的灵敏度因子η＝0.08512。实验结果和误差下试验结果表表所示。
实验结果表
Experiment results
在实验台上的测量结果和误差
表2实验结果
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种直线感应电子加速器中的双线圈新型探测结构，其特征在于，所述结构包括：
PCB板、探测线圈A、有机玻璃、探测线圈B；有机玻璃固定在束流管道壁上，PCB板固定在有机玻璃上，探测线圈A和探测线圈B固定在PCB板上，其中，探测线圈A与探测线圈B接地方向相反。
2.根据权利要求1所述的直线感应电子加速器中的双线圈新型探测结构，其特征在于，探测线圈A和探测线圈B均为单砸线圈，且相互独立。
3.根据权利要求1所述的直线感应电子加速器中的双线圈新型探测结构，其特征在于，所述结构还包括外壳，PCB板、探测线圈A、有机玻璃、探测线圈B均位于外壳内，外壳与束流管道壁连接。
4.根据权利要求1所述的直线感应电子加速器中的双线圈新型探测结构，其特征在于，所述结构还包括：BNC接头、同轴线、多个轴向B-dot环、多个角向B-dot环、i-pex接头，探测线圈A和探测线圈B分别通过同轴线与BNC接头连接，轴向B-dot环与角向B-dot环交叉均匀分布在PCB板的截面圆周上，i-pex头位于任意轴向B-dot环与角向B-dot环中间，束流管道从PCB板穿过，束流管道中心线与PCB板截面中心线重合。
5.一种直线感应电子加速器试验平台，其特征在于，试验平台中的探测结构为权利要求1-4中任一所述的探测结构，所述试验平台还包括：一台高压脉冲电源、两组螺旋调节杆、一个匹配阻抗、一台示波器、束流管道、；
高压脉冲电源与匹配阻抗之间连接有束流管道，探测结构通过同轴电缆与示波器连接；探测结构固定在束流管道上，用于探测束流通过时产生的信号；高压脉冲电源用于产生梯形方波；两组螺旋调节杆均固定在束流管道上，用于调整模拟束流杆的偏轴情况；匹配阻抗用于减小反射波；示波器用于显示并记录信号。
6.根据权利要求5所述的直线感应电子加速器试验平台，其特征在于，所述所述试验平台还包括：积分器，探测结构通过同轴电缆与积分器连接，积分器与示波器连接；积分器用于对初始信号进行积分处理。
7.根据权利要求5所述的直线感应电子加速器试验平台，其特征在于，试验平台灵敏度系数计算方式为：
首先建立差模信号的S参数表达式，然后给出灵敏度系数的计算；输入端口由三个量确定：输入电压Vinput，输入电流Iinput和输入阻抗Zinput；同样输出端口也由三个量确定：输出电压Vputput，输出电流Ioutput和输出阻抗Zoutput；反磁线圈的灵敏度系数η表示线圈内部含有的由于束流旋转引入的轴向磁通；
螺旋线由三个参数表示：螺旋线的半径R，长度L和长度L总的螺旋角度hAngle；在螺旋线上角向电流Iθ和轴向电流Iz有以下关系：
<mrow>
<mfrac>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>&theta;</mi>
</msub>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>h</mi>
<mi>A</mi>
<mi>n</mi>
<mi>g</mi>
<mi>l</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
<mi>L</mi>
</mfrac>
</mrow>
电流密度同样有类似的关系：
<mrow>
<mfrac>
<msub>
<mi>J</mi>
<mi>&theta;</mi>
</msub>
<msub>
<mi>J</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>h</mi>
<mi>A</mi>
<mi>n</mi>
<mi>g</mi>
<mi>l</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
<mi>L</mi>
</mfrac>
</mrow>
在同轴线中，Vinput＝Z×Iinput，由于Iθ＜＜Iz，可以将Iinput≈Iz，在后面的推导中将Iz用Iinput替代；
在螺旋线内部区域，Bz＝μ0Jθ，磁通量为：
<mrow>
<mi>&Phi;</mi>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>&pi;R</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<msub>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>p</mi>
<mi>u</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mi>R</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>h</mi>
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</mfrac>
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S31或S41的大小为：
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</msqrt>
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</mfrac>
</mrow>
令η＝1计算S31参数值与有限元模拟计算的结果进行比较及可获得模型中的η值，S31为二端口网络系统中传输端口参数，S41为输出端信号强度比上输入端信号强度。
8.根据权利要求5所述的直线感应电子加速器试验平台，其特征在于，束流半径和流强计算方式为：在模拟平台上的计算公式为真实束流环境下为：
<mrow>
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</mfrac>
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式中Φdia为探测线圈感应的磁通量，γ，β为相对论因子，m为电子质量，μ0为真空磁导率，c为光速，e为电子电荷量，B为磁场强度，Iz为束流强度。
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