CN109936905B - 光阴极电子枪射频同步慢漂抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光阴极电子枪射频同步慢漂抑制方法，包括：积分束流变压器系统、慢漂抑制控制器、驱动激光能量监测系统、幅度相位可控的射频功率源系统和驱动激光系统；所述驱动激光能量监测系统包括激光半反射镜与激光能量测量装置；所述幅度相位可控的射频功率源系统包括射频幅度相位控制系统和速调管；所述驱动激光系统包括驱动激光器和驱动激光同步装置；本发明通过积分束流变压器系统计算得到的光阴极电子枪出口处电荷量以及驱动激光能量进行监测并反馈，最终达到抑制射频同步方案中相位慢漂的作用。结构简单，反馈速度快，实践效果好，可以有效的提高自由电子激光装置的长期稳定性。

Description

光阴极电子枪射频同步慢漂抑制方法

技术领域

本发明涉及光阴极电子枪射频相位与驱动激光达到时间相位同步慢漂抑制装置及方法，属于加速器光阴极电子枪射频同步领域。

背景技术

大连相干光源(简称DCLS)装置对电子束诸如发射的能散、流强等品质都有较高的要求，因此使用光阴极电子枪作为加速器的电子束的束流源。而电子束的参数，很大程度上取决于驱动激光的参数，比如驱动激光脉冲的宽度、脉宽、形状、能量、到达时间等。因此，在加速器物理中，比起在加速管和漂移段中对电子束参数直接调整，不如在驱动激光处调整技术上更加容易操作和实现一些。但是驱动激光到达时间的不稳定性，会直接影响到电子束的品质。因此一个好的驱动激光到达时间与电子枪射频相位同步系统是十分必要的。

目前DCLS的备用同步系统使用的是射频同步方案，该方案以射频振荡器为同步源，同轴电缆传输射频信号，以及使用远端的激光锁相装置对驱动激光进行锁相。这种同步系统的传输线同轴电缆，在长距离传输的过程中，电长度随环境温度变化系数高，对射频相位和驱动激光到达时间具有很高的慢漂现象，这种射频相位慢漂现象是实验和工程应用中不愿看到且无法接受的。

因此有必要提供一种可以抑制电子枪中射频相位与驱动激光到达时间同步系统慢漂的装置和方法，使得自由电子激光可以出光稳定，达到需要的实验目的。

发明内容

本发明提供了一种驱动激光到达时间与光阴极电子枪射频相位同步系统慢漂抑制装置，用来克服使用射频同步方案中驱动激光到达光阴极时间与光阴极电子枪射频相位同步慢漂的问题，可以有效的抑制射频相位的慢漂，提高自由电子激光装置束流的稳定性，从而为自由电子激光装置提供高品质的自由电子激光提供保障。

本发明的技术方案是：光阴极电子枪射频同步慢漂抑制装置，包括：积分束流变压器系统7、慢漂抑制控制器8、驱动激光能量监测系统、幅度相位可控的射频功率源系统和驱动激光系统；

所述驱动激光能量监测系统包括激光半反射镜4与激光能量测量装置5；

所述幅度相位可控的射频功率源系统包括射频幅度相位控制系统9和速调管10；

所述驱动激光系统包括驱动激光器3和驱动激光同步装置2；

所述积分束流变压器系统7安装在光阴极电子枪6出口处的电子漂移段11上，电子漂移段11一端连接光阴极电子枪6，另一端连接电子直线加速器16；

所述慢漂抑制控制器8有两个输入端和两个输出端，两个输入端分别连接到积分束流变压器系统7和激光能量测量装置5，两个输出端分别连接到射频幅度相位控制系统9和驱动激光器3；

所述激光半反射镜4以45°安装在驱动激光光路13上，所述激光能量测量装置5安装在驱动激光光路13上激光半反射镜4的后边；

所述射频幅度相位控制系统9通过慢漂抑制控制器8输出的反馈信号15实时调节射频功率源的相位，其输出信号传输到速调管10中；

所述速调管10用来将射频幅度相位控制系统9输出的调制后的微波功率放大并输送到光阴极电子枪6和电子直线加速器16中；

所述驱动激光器3由驱动激光同步装置2提供的同步信号控制驱动激光到达时间，由慢漂抑制控制器8提供的反馈信号控制激光能量，驱动激光器3出口处发出的驱动激光，经由激光半反射镜4传输到光阴极电子枪6和激光能量测量装置5中；

所述驱动激光同步装置2用来将射频主振源1发出的射频同步信号12与驱动激光器3的激光脉冲序列同步。

优选的，所述激光能量测量装置5为激光能量计或光电二极管。

优选的，所述射频幅度相位控制系统9为上海应用物理研究所制造的低电平系统。

抑制方法包括以下步骤：

第一步：使用激光半反射镜4将驱动激光的一小部分耦合到激光能量测量装置5中，通过激光半反射镜4的透射率与反射率的计算，实现对驱动激光能量进行实时监测；

第二步：将驱动激光能量监测结果传递到慢漂抑制控制器8中，并在慢漂抑制控制器8中，使用PID控制原理对激光能量进行反馈控制，保证驱动激光能量一直处于一个稳定的能量范围内；

第三步：使用加速器调束的方法，使光阴极电子枪6处于加速相位；

第四步：利用积分束流变压器系统7采集光阴极电子枪6出口处电子束团电荷量信号，并将信号传输到慢漂抑制控制器8中；

第五步：由于当光阴极电子枪6处于加速相位时并且驱动激光能量一定，通过积分束流变压器系统7测量得到的电子束团电荷量与射频相位存在函数对应关系，在慢漂抑制控制器8中将射频相位信号与电荷量信号根据函数关系进行映射；

第六步：在慢漂抑制控制器8中通过电子束团电荷量和驱动激光能量，判断驱动激光到达时间与光阴极电子枪6中射频相位同步的慢漂情况，将其差值经过处理，作为一个误差信号进行反馈，输出到射频幅度相位控制系统9。

第七步：射频幅度相位控制系统9根据慢漂抑制控制器8中的误差信号，调节输出射频信号的相位，从而抑制同步系统因慢漂所产生的相位误差。

本发明具有以下有益的效果：

本发明通过积分束流变压器系统计算得到的光阴极电子枪出口处电荷量以及驱动激光能量进行监测并反馈，最终达到抑制射频同步方案中相位慢漂的作用。结构简单，反馈速度快，实践效果好。通过对同步系统慢漂的抑制，可以有效的提高自由电子激光装置的长期稳定性，使用射频同步方案也可以达到和光学同步方案可媲美的相位慢漂抑制结果。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的原理图；

图3为本发明中驱动激光能量一定时电子束团电荷量与射频相位的关系；

图中：1、射频主振源；2、驱动激光同步装置；3、驱动激光器；4、激光半反射镜；5、激光能量测量装置；6、光阴极电子枪；7、积分束流变压器系统；8、慢漂抑制控制器；9、射频幅度相位控制系统；10、速调管；11、电子漂移段；12、射频同步信号；13、驱动激光光路；14、射频功率波导；15、慢漂抑制反馈信号；16、电子直线加速器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

如图1-3所示，光阴极电子枪射频同步慢漂抑制装置，包括：积分束流变压器系统7、慢漂抑制控制器8、驱动激光能量监测系统、幅度相位可控的射频功率源系统和驱动激光系统；

驱动激光能量监测系统包括激光半反射镜4与激光能量测量装置5；

幅度相位可控的射频功率源系统包括射频幅度相位控制系统9和速调管10；

驱动激光系统包括驱动激光器3和驱动激光同步装置2；

积分束流变压器系统7安装在光阴极电子枪6出口处的电子漂移段11上，电子漂移段11一端连接光阴极电子枪6，另一端连接电子直线加速器16；积分束流变压器系统7可以在不破坏电子束品质的情况下，在10ns级的时间范围内测出通过其内部电子束的电荷量；

慢漂抑制控制器8由FPGA系统构成，具有反应速度快，抗干扰能力强等优点；慢漂抑制控制器8有两个输入端和两个输出端，两个输入端分别连接到积分束流变压器系统7和激光能量测量装置5，用来采集积分束流变压器系统7的信号和激光能量测量装置5的信号，两个输出端分别连接到射频幅度相位控制系统9和驱动激光器3，用来反馈控制幅度相位可控的射频功率源系统以及驱动激光系统；

激光半反射镜4以45°安装在驱动激光光路13上，其可以将大部分的激光进行反射，同时把一小部分(10％以下)激光耦合出来，传输到激光能量测量装置5；激光能量测量装置5安装在驱动激光光路13上激光半反射镜4的后边，用来监测驱动激光透过激光半反射镜4后的激光能量，利用激光半反射镜4的透射率和反射率进行计算，就可以通过监测激光半反射镜4的透射光能量，实时检测驱动激光的能量；

射频幅度相位控制系统9通过慢漂抑制控制器8输出的反馈信号15实时调节射频功率源的相位，其输出信号传输到速调管10中；

速调管10用来将射频幅度相位控制系统9输出的调制后的微波功率放大并输送到光阴极电子枪6和电子直线加速器16中；

驱动激光器3用来发出时间稳定性好的驱动激光，驱动激光器3由驱动激光同步装置2提供的同步信号控制驱动激光到达时间，由慢漂抑制控制器8提供的反馈信号控制激光能量，驱动激光器3的出口处发出一个时间稳定性和能量稳定性都优秀的驱动激光，经由激光半反射镜4传输到光阴极电子枪6和激光能量测量装置5中；

驱动激光同步装置2用来将射频主振源1发出的射频同步信号12与驱动激光器3的激光脉冲序列同步，实现驱动激光输出脉冲具有时间稳定性的特点。

抑制方法包括以下步骤：

第一步：使用激光半反射镜4将驱动激光的一小部分(10％以下)耦合到激光能量测量装置5中，通过激光半反射镜4的透射率与反射率的计算，实现对驱动激光能量进行实时监测；

第二步：将驱动激光能量监测结果传递到慢漂抑制控制器8中，并在慢漂抑制控制器8中，使用PID控制原理对激光能量进行反馈控制，保证驱动激光能量一直处于一个稳定的能量范围内(能量rms小于2％的范围内)；

第三步：使用加速器调束的方法，使光阴极电子枪6处于加速相位；

第四步：利用积分束流变压器系统7采集光阴极电子枪6出口处电子束团电荷量信号，并将信号传输到慢漂抑制控制器8中；

第五步：由于当光阴极电子枪6处于加速相位时并且驱动激光能量一定，通过积分束流变压器系统7测量得到的电子束团电荷量与射频相位存在函数对应关系，即下述公式，对射频相位工作点附近(±2.5°内)的电荷量与射频相位关系进行线性拟合，可以得到在射频相位工作点附近，射频相位与电荷量的对应关系；

第六步：在慢漂抑制控制器8中通过电子束团电荷量和驱动激光能量，判断驱动激光到达时间与光阴极电子枪6中射频相位同步的慢漂情况，将其差值经过处理，作为一个误差信号进行反馈，输出到射频幅度相位控制系统9。

第七步：射频幅度相位控制系统9根据慢漂抑制控制器8中的误差信号，调节输出射频信号的相位，从而抑制同步系统因慢漂所产生的相位误差。

本发明使用对驱动激光能量监测并且进行闭环反馈，实现驱动激光能量的长期稳定；在保证驱动激光能量稳定的前提下，并且光阴极电子枪处于加速相位时，积分束流变压器系统监测的到的电子束团电荷量与射频相位有函数关系，因此监测积分束流变压器系统的电荷量可以得到射频相位与驱动激光到达时间的相对关系；利用相对关系，就可以对频幅度相位控制系统中的射频相位进行微调，从而达到抑制驱动激光到达时间与射频功率相位同步慢漂的作用。

本发明中慢漂抑制控制器是一个FPGA电路，内部由两个反馈环组成：

1、激光能量反馈环：

(1)读取激光能量测量装置的读数。

(2)利用激光半反射镜的透射率与折射率计算出驱动激光的能量，计算公式如下：

(3)将计算得到的驱动激光能量与设定值进行比较，使用PID控制原理进行反馈控制。

(4)如果驱动激光能量在允许范围内，输出一个使能信号给电荷量反馈环。

二、电荷量反馈环：

(1)当接受到激光能量的使能信号后，开始工作。

(2)读取积分束流变压器系统换算成电子束团电荷量后的电荷量信号。

(3)将电荷量信号与设定值进行比较，如果电荷量信号与设定值有差值，则输出一个误差信号给射频幅度相位控制系统。

(4)射频幅度相位控制系统根据误差信号，调节自己输出的射频相位。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种光阴极电子枪射频同步慢漂抑制方法，其特征在于：所述方法采用光阴极电子枪射频同步慢漂抑制装置来实现，所述光阴极电子枪射频同步慢漂抑制装置包括：积分束流变压器系统(7)、慢漂抑制控制器(8)、驱动激光能量监测系统、幅度相位可控的射频功率源系统和驱动激光系统；

所述驱动激光能量监测系统包括激光半反射镜(4)与激光能量测量装置(5)；

所述幅度相位可控的射频功率源系统包括射频幅度相位控制系统(9)和速调管(10)；

所述驱动激光系统包括驱动激光器(3)和驱动激光同步装置(2)；

所述积分束流变压器系统(7)安装在光阴极电子枪(6)出口处的电子漂移段(11)上，电子漂移段(11)一端连接光阴极电子枪(6)，另一端连接电子直线加速器(16)；

所述慢漂抑制控制器(8)有两个输入端和两个输出端，两个输入端分别连接到积分束流变压器系统(7)和激光能量测量装置(5)，两个输出端分别连接到射频幅度相位控制系统(9)和驱动激光器(3)；

所述激光半反射镜(4)以45°安装在驱动激光光路(13)上，所述激光能量测量装置(5)安装在驱动激光光路(13)上激光半反射镜(4)的后边；

所述射频幅度相位控制系统(9)通过慢漂抑制控制器(8)输出的反馈信号(15)实时调节射频功率源的相位，其输出信号传输到速调管(10)中；

所述速调管(10)用来将射频幅度相位控制系统(9)输出的调制后的微波功率放大并输送到光阴极电子枪(6)和电子直线加速器(16)中；

所述驱动激光器(3)由驱动激光同步装置(2)提供的同步信号控制驱动激光到达时间，由慢漂抑制控制器(8)提供的反馈信号控制激光能量，驱动激光器(3)出口处发出的驱动激光，经由激光半反射镜(4)传输到光阴极电子枪(6)和激光能量测量装置(5)中；

所述驱动激光同步装置(2)用来将射频主振源(1)发出的射频同步信号(12)与驱动激光器(3)的激光脉冲序列同步；

所述方法包括以下步骤：

第一步：使用激光半反射镜(4)将驱动激光的一小部分耦合到激光能量测量装置(5)中，通过激光半反射镜(4)的透射率与反射率的计算，实现对驱动激光能量进行实时监测；

第二步：将驱动激光能量监测结果传递到慢漂抑制控制器(8)中，并在慢漂抑制控制器(8)中，使用PID控制原理对激光能量进行反馈控制，保证驱动激光能量一直处于一个稳定的能量范围内；

第三步：使用加速器调束的方法，使光阴极电子枪(6)处于加速相位；

第四步：利用积分束流变压器系统(7)采集光阴极电子枪(6)出口处电子束团电荷量信号，并将信号传输到慢漂抑制控制器(8)中；

第五步：由于当光阴极电子枪(6)处于加速相位时并且驱动激光能量一定，通过积分束流变压器系统(7)测量得到的电子束团电荷量与射频相位存在函数对应关系，在慢漂抑制控制器(8) 中将射频相位信号与电荷量信号根据函数关系进行映射；

第六步：在慢漂抑制控制器(8)中通过电子束团电荷量和驱动激光能量，判断驱动激光到达时间与光阴极电子枪(6)中射频相位同步的慢漂情况，将其差值经过处理，作为一个误差信号进行反馈，输出到射频幅度相位控制系统(9)；

第七步：射频幅度相位控制系统(9)根据慢漂抑制控制器(8)中的误差信号，调节输出射频信号的相位，从而抑制同步系统因慢漂所产生的相位误差。

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