CN109782331A - 一种束流位置探测器电中心标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种束流位置探测器电中心标定装置及标定方法。该装置自下而上依次设有二维组合电动平移台、调平框架、电动旋转台、第一匹配管道、待测束流位置探测器、第二匹配管道；穿过待测束流位置探测器的金属细丝馈入射频信号模拟束流产生的场，当金属细丝与束流位置探测器电中心重合时，束流位置探测器两个X轴方向、两个Y轴方向电极输出信号幅值均保持一致，然后旋转束流位置探测器180度，再次移动束流位置探测器使得金属细丝与束流位置探测器电中心重合，并利用位移传感器测量旋转前后束流位置探测器的相对位移，即可计算得到束流位置探测器电中心与机械中心的偏差。本发明与传统方法相比，操作步骤简单，不需特殊工装，具有普遍适用性。

Description

一种束流位置探测器电中心标定装置及标定方法

技术领域

本发明属于粒子加速器束流诊断技术领域，具体涉及一种束流位置探测器电中心标定装置及标定方法。

背景技术

束流位置探测器(BPM)是加速器运行、调试必需的测量元件，准确的束流位置测量，对于加速器的调试、优化具有重要的意义。理论上BPM具有轴对称结构，其电中心与机械中心重合，但由于加工、装配误差，BPM的电中心会出现偏差。实际将BPM安装于束线时，是以BPM的机械中心作为安装准直基准，因此BPM电中心与机械中心的偏差会造成位置测量误差。为实现准确位置测量，必须标定出电中心与机械中心的偏差。

BPM标定通常采用拉丝法进行，使用一根拉直的金属细丝穿过BPM，并向细丝馈入射频信号模拟束流。

现有标定电中心的方法是通过特殊机械工装和测量仪器将细丝固定到BPM机械中心，此时BPM测量得到位置即是BPM电中心与机械中心偏差。但此方法步骤复杂，且细丝直径较小，易断，很难通过机械工装实现高精度的定位，且一种工装只适用于一种特定尺寸结构的BPM，不具有普适性。

发明内容

基于现技术存在的问题，本申请的目的是提出一种束流位置探测器电中心标定装置及标定方法，该装置结构简单、标定精度高，且不需要任何特殊机械工装，对于不同尺寸、结构的BPM具有普遍适用性。

同时该标定方法步骤简单，易于实现。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种束流位置探测器电中心标定装置，包括：

二维电动平移台，实现在一水平面的X方向和Y方向上平移；

调平框架，设于所述二维电动平移台之上；

电动旋转台，设于调平框架之上，其旋转角度范围大于180度；

第一匹配管道，设于待测束流位置探测器与所述电动旋转台之间，且第一匹配管道与待测束流位置探测器同心；

第二匹配管道，其一端与待测束流位置探测器同心组装，另一端悬置；

位移传感器，设在待测束流位置探测器侧方，用于测量待测BPM的相对位移；

油槽，固定于调平框架内且始终静置不动(即就是在调平框体移动时，该油槽也始终保持不动)，且内部装有绝缘油，绝缘油内放置重锤；

金属细丝，其两端分别焊接在两个SMA接头内芯上，且一端通过SMA接头固定，另一端依次穿过第二匹配管道、待测束流位置探测器内孔、第一匹配管道、电动旋转台后通过SMA接头与所述油槽内的重锤连接；

射频信号发生器通过SMA接头向金属细丝馈入射频信号模拟束流；

束流位置探测器电子学，与待测束流位置探测器通过射频同轴线连接，用于处理分析待测束流位置探测器输出信号得到所述金属细丝相对于待测束流位置探测器电中心的位置。

进一步地，上述调平框架包括上平板、下平板、螺母以及支撑柱；

支撑柱为多个，且均匀布置在上平板和下平板之间；

支撑柱的下端与下平板固连，上端设有外螺纹部，且穿过上平板向上延伸；

所述外螺纹部连接有两个螺母，且一个螺母位于上平板上方，另一个螺母位于上平板下方。

进一步地，该装置还包括固定支架，固定支架由底板、侧柱以及顶梁组成；

所述底板与顶梁平行设置，侧柱垂直安装在底板与顶梁之间；

顶梁用于固定金属细丝的上的SMA接头；

二维电动平移台固定安装在底板上；

位移传感器安装在侧柱上。

进一步地，该装置还包括直臂梁，所述直臂梁一端垂直安装在侧柱上，另一端位于调平框架的上平板和下平板之间，其上固定安装所述油槽。

进一步地，上述位移传感器为激光位移传感器。

本发明还提供一种束流位置探测器电中心标标定方法，采用上述的束流位置探测器电中心标标定装置，通过以下步骤实现标定：

1)调平

调整调平框架，利用水平尺测量，使得调平框架处于水平；

2)束流位置探测器的X轴方向的电中心标定；

2.1)驱动电动旋转台调整束流位置探测器角度，使得位移传感器测量方向与束流位置探测器的X轴方向平行；

2.2)驱动二维电动平移台调整束流位置探测器位置，通过束流位置探测器电子学测得束流位置探测器两个X轴方向电极输出信号幅值保持一致、两个Y轴方向电极输出信号幅值保持一致，从而确保金属细丝处于束流位置探测器电中心位置，

2.3)记录此时所述位移传感器读数d₁；

2.4)再次驱动电动旋转台，使得束流位置探测器旋转180°；

2.5)再次驱动二维电动平移台调整束流位置探测器位置，通过束流位置探测器电子学测得束流位置探测器两个X轴方向电极输出信号幅值保持一致、两个Y轴方向电极输出信号幅值保持一致，从而确保金属丝再次处于束流位置探测器的电中心；

2.6)记录此时位移传感器读数d₂；

2.7)计算得到束流位置探测器X轴方向上电中心与机械中心在旋转前的坐标系的偏差为(d₂-d₁)/2；

3)束流位置探测器的Y轴方向的电中心标定；

驱动电动旋转台90度，重复步骤2.2)至2.7)得到束流位置探测器Y轴方向上电中心与机械中心偏差。

进一步地，上述步骤2.1)的具体实现步骤是：

首先：粗调位移传感器测量方向与束流位置探测器的X轴方向基本平行；

然后：驱动电动旋转台缓慢转动并观察激光位移传感器示数，得到位移传感器示数随旋转角度的变化曲线，当位移传感器示数最小时，此时位移传感器测量方向与束流位置探测器的X轴方向平行。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明相对于传统的BPM电中心标定方法，采用二维电动平移台、调平框架、电动旋转台、第一匹配管道、第二匹配管道、位移传感器等零件的组合，测量过程不需要对BPM及金属细丝进行特殊定位，测量装置简便，操作简单，测量重复性好，并且具有普适性，对于不同形状、尺寸的BPM均可进行测量。

附图说明

图1是标定装置的结构示意图；

图2是标定原理示意图

附图标记如下：

1-二维电动平移台、2-调平框架、21-上平板、22-下平板、23-螺母、24-支撑柱、3-电动旋转台、4-第一匹配管道、5-第二匹配管道、6-金属细丝，7-SMA接头，8-固定支架，81-底板、82-侧柱、83-顶梁、84-直臂梁、9-油槽，10-位移传感器、11-待测BPM、12-射频信号发生器、13-BPM电子学。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

本发明提出的一种束流位置探测器电中心标定装置，实施实例结构示意图如图1所示：

包括：二维电动平移台1，调平框架2，电动旋转台3，第一匹配管道4、第二匹配管道5、金属细丝6，SMA接头7，固定支架8，油槽9，位移传感器10。

其中，图中XOY表示一水平面，其中X表示束流位置探测器(下文中均采用英文缩写BPM表示)的x轴方向，Y表示束流位置探测器的Y轴方向，Z表示垂直于XOY平面的方向。

本例中的固定支架8由底板81、侧柱82以及顶梁83组成；底板81与顶梁83平行设置，侧柱82垂直安装在底板81与顶梁83之间；本例中给出的固定支架仅仅为一个优选的结构，其他能够达到固定作用的结构均可使用。

二维电动平移台1安装在底板81上，二维电动平移台1上依次放置调平框架2，电动旋转台3，并分别用螺栓固定；

第一匹配管道4安装在待测BPM11和电动旋转台3之间，且第一匹配管道4与待测BPM11同心；(本例中的第一匹配管道4与待测BPM11、电动旋转台3的安装方式是通过法兰装配的形式，但也可以采用其他的方式进行)

第二匹配管道5其一端与待测BPM11同心组装，另一端悬置；(本例中第二匹配管道5与待测BPM11安装方式是通过法兰装配的形式，但也可以采用其他的方式进行)；

位移传感器10(本例中采用激光位移传感器，也可采用测距仪等其他设备)设在待测束流位置探测器侧方，用于测量待测BPM11的相对位移。

油槽9通过一个垂直安装在所述侧柱82上的直臂梁84固定安装于调平框架2内，油槽内装有绝缘油，绝缘油内的放置重锤(图中未示出)；

金属细丝6两端分别锡焊在两个SMA接头7内芯上，其中一个SMA接头7固定在顶梁83，金属细丝6沿着z方向依次穿过第二匹配管道5、待测BPM11内孔、第一匹配管道4、电动旋转台3后通过另一个SMA接头7与所述油槽9内的重锤连接。

射频信号发生器12与固定在顶梁83上的SMA接头7通过射频同轴线连接，馈入射频信号；待测BPM11通过射频同轴线将输出信号传输到BPM电子学13。

需要说明的是：本发明的调平框架2包括上平板21、下平板22、螺母23以及支撑柱24；

支撑柱24有多个(本例中支撑柱为4个)，且均匀布置在上平板21和下平板22之间；每个支撑柱24的下端与下平板22固连，上端均设有外螺纹部，且均穿过上平板21向上延伸；

每个支撑柱的外螺纹部均连接有两个螺母22，且一个螺母22位于上平板21上方，另一个螺母22位于上平板21下方。

调平过程：对一个支撑柱而言，旋转两个螺母，使两个螺母分别向远离上平板的位置移动，从而沿着z方向调整上平板，通过水平尺等测量水平的仪器观察上平板的水平度，若满足水平要求，再旋转两个螺母，使两个螺母分别向靠近上平板的位置移动，锁紧上平板。本例中采用调平框架为纯机械式的结构，为了实现调平目的，其他的调平装置均可使用。

基于上述对束流位置探测器电中心标定装置的结构描述，现有采用该装置对束流位置探测器电中心进行标定的方法作以下介绍，主要步骤包括：

步骤1：装配

通过上述结构描述，将各个部件进行装配；

步骤2：调平

微调调平框架的4根支撑柱10，并利用水平仪观察，使得调平框架的上平板处于水平状态；

步骤3：束流位置探测器X轴方向的电中心标定

步骤3.1：驱动电动旋转台调整束流位置探测器角度，使得位移传感器测量方向与束流位置探测器的X轴方向平行；

首先，粗调激光位移传感器测量方向与待测BPM的X轴方向基本平行，然后驱动电动旋转台缓慢转动并观察激光位移传感器示数，得到激光位移传感器示数随旋转角度的变化曲线，当激光位移传感器示数最小时，此时激光位移传感器测量方向与待测BPM的X轴方向平行；

步骤3.2：驱动二维电动平移台调整束流位置探测器在XOY平面的位置，通过束流位置探测器电子学测得束流位置探测器两个X轴方向电极输出信号幅值保持一致、两个Y轴方向电极输出信号幅值保持一致(实际是在束流位置探测器电子学上显示的坐标值为(0,0))，从而确保金属细丝处于束流位置探测器电中心位置，

步骤3.3：记录此时激光位移传感器示数d₁；

步骤3.4：驱动电动旋转台旋转180度，由于电中心与旋转中心不一致，此时金属细丝不再位于BPM电中心位置；

步骤3.5：再次驱动二维电动平移台调整待测BPM位置使得金属细丝位于BPM电中心位置；

步骤3.6：记录此时激光测距仪示数d₂；

步骤3.7：计算得到束流位置探测器X轴方向上电中心与机械中心在旋转前的坐标系的偏差为(d₂-d₁)/2；

步骤4：束流位置探测器的Y轴方向的电中心标定；

驱动电动旋转台90度，重复步骤:3.2)至3.7)得到束流位置探测器Y轴方向上电中心与机械中心偏差。

对于上述方法需特别说明的是：如图2所示：待测BPM机械中心与旋转中心并不要求重合，假设旋转前丝位于BPM电中心时激光测距仪示数为d₁，BPM机械中心与旋转中心的偏差为o₁，BPM电中心与机械中心的偏差为o₂，BPM电中心与旋转中心的偏差为o₃，显而易见，o₃＝o₁+o₂；旋转180度后，激光测距仪示数为d₁-2*o₁,此时BPM电中心与细丝的距离为2*o₃,即是使丝再次位于BPM中心所需移动BPM的距离，因此旋转后再次位于BPM电中心时激光测距仪的示数d₂＝d₁-2*o₁+2*o₃，所以(d₂-d₁)/2＝o₂。这也是该方法不需特殊工装，对不同尺寸形状BPM具有普适性的原因。

该方法的分辨率主要受限于位移传感器的分辨率、金属细丝与BPM电中心重合的精度；本例中采用HL-G105-S-J型激光位移传感器，测量精度好于10μm，尽管测量中采用0.19mm铜丝，但铜丝与BPM电中心重合的精度好于5μm,即移动BPM 5μm，就可以从BPM读数观测到明显变化，因此该方法的最终测量精度高于15μm。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种束流位置探测器电中心标定装置，其特征在于：

包括二维电动平移台，实现在一水平面的X方向和Y方向上平移；

调平框架，设于所述二维电动平移台之上；

电动旋转台，设于调平框架之上，其旋转角度范围大于180度；

第一匹配管道，设于待测束流位置探测器与所述电动旋转台之间，且第一匹配管道与待测束流位置探测器同心；

第二匹配管道，其一端与待测束流位置探测器同心组装，另一端悬置；

位移传感器，设在待测束流位置探测器侧方，用于测量待测束流位置探测器的相对位移；

油槽，固定于调平框架内且始终静置不动，油槽内部装有绝缘油，绝缘油内放置重锤；

金属细丝，其两端分别焊接在两个SMA接头内芯上，且一端通过SMA接头固定，另一端依次穿过第二匹配管道、待测束流位置探测器内孔、第一匹配管道、电动旋转台后通过SMA接头与所述油槽内的重锤连接；

射频信号发生器通过SMA接头向金属细丝馈入射频信号模拟束流；

束流位置探测器电子学，与待测束流位置探测器通过射频同轴线连接，用于处理分析待测束流位置探测器输出信号得到所述金属细丝相对于待测束流位置探测器电中心的位置。

2.根据权利要求1所述的束流位置探测器电中心标定装置，其特征在于：所述调平框架包括上平板、下平板、螺母以及支撑柱；

支撑柱为多个，且均匀布置在上平板和下平板之间；

支撑柱的下端与下平板固连，上端设有外螺纹部，且穿过上平板向上延伸；

所述外螺纹部连接有两个螺母，且一个螺母位于上平板上方，另一个螺母位于上平板下方。

3.根据权利要求2所述的束流位置探测器电中心标定装置，其特征在于：还包括固定支架，固定支架由底板、侧柱以及顶梁组成；

所述底板与顶梁平行设置，侧柱垂直安装在底板与顶梁之间；

顶梁用于固定金属细丝的上的SMA接头；

二维电动平移台固定安装在底板上；

位移传感器安装在侧柱上。

4.根据权利要求3所述的束流位置探测器电中心标定装置，其特征在于：该装置还包括直臂梁，所述直臂梁一端垂直安装在侧柱上，另一端位于调平框架的上平板和下平板之间，其上固定安装所述油槽。

5.根据权利要求4所述的束流位置探测器电中心标定装置，其特征在于：所述位移传感器为激光位移传感器。

6.一种束流位置探测器电中心标定方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的束流位置探测器电中心标定装置，通过以下步骤实现标定：

1)调平

调整调平框架，利用水平尺测量，使得调平框架处于水平；

2)束流位置探测器的X轴方向的电中心标定；

2.1)驱动电动旋转台调整束流位置探测器角度，使得位移传感器测量方向与束流位置探测器的X轴方向平行；

2.2)驱动二维电动平移台调整束流位置探测器位置，通过束流位置探测器电子学测得束流位置探测器两个X轴方向电极输出信号幅值保持一致、两个Y轴方向电极输出信号幅值保持一致，从而确保金属细丝处于束流位置探测器电中心位置；

2.3)记录此时所述位移传感器读数d₁；

2.4)再次驱动电动旋转台，使得束流位置探测器旋转180°；

2.5)再次驱动二维电动平移台调整束流位置探测器位置，通过束流位置探测器电子学测得束流位置探测器两个X轴方向电极输出信号幅值保持一致、两个Y轴方向电极输出信号幅值保持一致，从而确保金属丝再次处于束流位置探测器的电中心；

2.6)记录此时位移传感器读数d₂；

2.7)计算得到束流位置探测器X轴方向上电中心与机械中心在旋转前的坐标系的偏差为(d₂-d₁)/2；

3)束流位置探测器的Y轴方向的电中心标定；

驱动电动旋转台90度，重复步骤2.2)至2.7)得到束流位置探测器Y轴方向上电中心与机械中心偏差。

7.根据权利要求6所述的束流位置探测器电中心标定方法，其特征在于：步骤2.1)的具体实现步骤是：

首先：粗调位移传感器测量方向与束流位置探测器的X轴方向基本平行；

然后：驱动电动旋转台缓慢转动并观察激光位移传感器示数，得到位移传感器示数随旋转角度的变化曲线，当位移传感器示数最小时，此时位移传感器测量方向与束流位置探测器的X轴方向平行。