CN110275199B - 一种共振肖特基探针装置及其使用方法 - Google Patents

一种共振肖特基探针装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种共振肖特基探针装置及其使用方法，其特征在于，包括共振肖特基探针：共振肖特基探针的第一耦合环天线通过低噪声放大器连接功率分配器输入端；功率分配器第一输出端连接第一负载或带通滤波器，带通滤波器连接频谱分析仪；功率分配器第二输出端通过开关分别连接第二负载和可调衰减器，可调衰减器通过连接可调移相器连接低通滤波器；低通滤波器输出端连接四端口双向耦合器输入端，四端口双向耦合器耦合端分别连接第三负载和第四负载，四端口双向耦合器输出端连接矢量网络分析仪第一端口或共振肖特基探针的第二耦合环天线，矢量网络分析仪第二端口连接共振肖特基探针的第二耦合环天线，本发明可广泛用于重离子束加速器束流诊断领域中。

Description

一种共振肖特基探针装置及其使用方法
技术领域
本发明是关于一种共振肖特基探针装置及其使用方法，属于重离子束(包括质子束)加速器束流诊断领域。
背景技术
1918年德国物理学家沃尔特·肖特基首次提出肖特基噪声概念，1972年，物理学家从欧洲核子研究中心(CERN)的ISR机器上首次观测到质子束肖特基信号，从此肖特基噪声诊断作为重要的非拦截式束流诊断手段广泛应用于各加速器束测系统中，通过肖特基信号可以得到束流流强、束流回旋频率、束流能量、束流的频率分布宽度和动量分布宽度等束流参数，且通过肖特基谱仪可以测量机器的tune值、研究机器的稳定性以及观察束流的冷却、堆积、衰减等过程，因此，肖特基谱仪是一个功能强大的束诊工具。通常的肖特基探针为容性探针，但是灵敏度较低，很多实验室在探针外面加入共振电路以提高探针的灵敏度(一般有载QL值小于10以下)，例如CERN和GSI(德国重离子研究中心)等。1985年，GSI提出采用肖特基信号测量原子核质量，迄今已成功测量一百多个核的质量，有的测量精度达10-7。2008年，GSI提出研制高灵敏度的谐振腔用于肖特基谱仪，实验表明共振肖特基探针灵敏度远远大于容性肖特基探针，在同样束流条件下新的共振肖特基探针信号强度比旧的容性肖特基探针信号大100倍。日本东京大学的RIKEN机器上也装有共振肖特基探针用于原子核质量测量。2011年，CSRe(中国兰州重离子加速器冷却储存实验环)上也研制了类似于GSI的共振肖特基探针。
共振肖特基探针基于谐振腔工作原理，其工作模式一般为TM010模。品质因数(Q值)是共振肖特基探针最重要的指标之一，Q值越大，共振肖特基探针的工作带宽越窄(频率选择性越好)，灵敏度越高。目前，GSI的高灵敏度共振肖特基探针的有载QL值约为500；CSRe上运行的共振肖特基探针的有载QL值约为496；日本东京大学的RIKEN机器上的共振肖特基探针的有载QL值约为1000。上述三个机器上的共振肖特基探针的有载QL值均限制在1000以下，因此，无法满足储存环中单质子测量的需求(要求有载QL值能达到10000以上)。同时，上述的共振肖特基探针均具有无载Q值为常数、不可调节、限制肖特基探针的灵敏度等缺点。
综上所述，需要一种新型的超高灵敏度和高Q值可调的共振肖特基探针装置，使共振肖特基探针能够有效满足高Q值连续可调、高灵敏度且造价低的要求，以解决现有技术中存在的不足。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种高Q值连续可调、高灵敏度且造价低的共振肖特基探针装置及其使用方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种共振肖特基探针装置，其特征在于，包括共振肖特基探针：所述共振肖特基探针内设置有第一耦合环天线和第二耦合环天线，所述第一耦合环天线通过低噪声放大器连接功率分配器的输入端；所述功率分配器的第一输出端连接第一负载或带通滤波器，所述带通滤波器连接频谱分析仪；所述功率分配器的第二输出端通过开关分别连接第二负载和可调衰减器，所述可调衰减器通过连接可调移相器连接低通滤波器；所述低通滤波器的输出端连接四端口双向耦合器的输入端，所述四端口双向耦合器的耦合端分别连接第三负载和第四负载，所述四端口双向耦合器的输出端连接矢量网络分析仪的第一端口或所述共振肖特基探针的第二耦合环天线，所述矢量网络分析仪的第二端口连接所述共振肖特基探针的第二耦合环天线。
进一步，当所述功率分配器的第一输出端连接所述带通滤波器且所述四端口双向耦合器的输出端直接连接所述共振肖特基探针的第二耦合环天线时，所述共振肖特基探针内为有束流状态；当所述功率分配器的第一输出端连接所述第一负载且所述四端口双向耦合器的输出端连接所述矢量网络分析仪的第一端口时，所述共振肖特基探针内为无束流状态。
进一步，所述可调移相器为相位连续可调移相器。
进一步，所述可调衰减器为幅度连续可调衰减器。
进一步，所述第一负载、第二负载和第三负载均为50欧姆。
进一步，所述开关采用单刀双掷微波开关。
一种共振肖特基探针装置的使用方法，其特征在于，包括以下内容：1)普通模式，即功率分配器的第一输出端连接带通滤波器，四端口双向耦合器的输出端直接连接共振肖特基探针的第二耦合环天线：共振肖特基探针内为有束流状态，将开关切换至连接第二负载的端口；开启低噪声放大器，共振肖特基探针的第一耦合环天线将提取的束流感应信号通过低噪声放大器放大进入频谱分析仪；通过频谱分析仪实时测量待测粒子的肖特基信号，实现普通模式下的肖特基测量；2)高Q值连续可调模式，即功率分配器的第一输出端连接第一负载，四端口双向耦合器的输出端连接矢量网络分析仪的第一端口：共振肖特基探针内为无束流状态，将开关切换至连接可调衰减器的端口；根据矢量网络分析仪测量的共振肖特基探针的品质因数Q值，通过调节可调衰减器的幅度值和可调移相器的相位值，使得共振肖特基探针的Q值传输函数幅度小于等于0dB，以实现共振肖特基探针的高Q值。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明具有高Q值连续可调功能，通过合理调节衰减器的幅度和移相器的相位，能够实现有载QL值从500到1万以上的连续可调，具有超高的灵敏度，可实现储存环单质子测量。2、本发明的正反馈电路结构紧凑，易于控制操作和调试安装，性能稳定，与高Q值的超导腔体相比造价非常低，同时具有良好的屏蔽性能等优点，可以广泛应用于重离子束(包括质子束)加速器束流诊断领域中。
附图说明
图1是本发明中实施例1的结构示意图；
图2是本发明中实施例2的结构示意图；
图3是本发明中高Q值连续可调模式和普通模式下Q值传输函数S21的实测结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1、图2所示，本发明提供的共振肖特基探针装置包括共振肖特基探针1、低噪声放大器2、功率分配器3、第一负载4、第二负载5、第三负载6、第四负载7、单刀双掷微波开关8、可调衰减器9、可调移相器10、低通滤波器11、四端口双向耦合器12、矢量网络分析仪13、带通滤波器14和频谱分析仪15，其中，共振肖特基探针1内设置有第一耦合环天线1-1和第二耦合环天线1-2。
共振肖特基探针1的第一耦合环天线1-1连接低噪声放大器2的输入端，低噪声放大器2的输出端连接功率分配器3的输入端，第一耦合环天线1-1从共振肖特基探针1内提取束流感应信号，并通过低噪声放大器2放大后输入到功率分配器3。功率分配器3的输出端S1连接第一负载4或带通滤波器14，带通滤波器14连接频谱分析仪15，第一负载4用于吸收输出端S1处的信号，防止信号反射至功率分配器3的其他端口，频谱分析仪15用于实时测量待测单质子或几个粒子的肖特基微弱信号。功率分配器3的输出端S2连接单刀双掷微波开关8。单刀双掷微波开关8的J1端口连接第二负载5，第二负载5用于防止信号反射至单刀双掷微波开关8的J2端口。单刀双掷微波开关8的J2端口连接可调衰减器9的输入端，可调衰减器9的输出端连接可调移相器10的输入端，可调衰减器9用于环路的增益可调，可调移相器10用于环路的相位可调。可调移相器10的输出端连接低通滤波器11的输入端，低通滤波器11的输出端连接四端口双向耦合器12的输入端C1，四端口双向耦合器12的输出端C2连接矢量网络分析仪13的第一端口13-1，矢量网络分析仪13对共振肖特基探针1的品质因数Q值进行测量，矢量网络分析仪13的第二端口13-2连接共振肖特基探针1的第二耦合环天线1-2。四端口双向耦合器12的耦合端C3连接第三负载6，四端口双向耦合器12的耦合端C4连接第四负载7，第三负载6和第四负载7用于防止信号反射至四端口双向耦合器12的其他端口。
在一个优选的实施例中，当矢量网络分析仪13的第二端口13-2为源端口，矢量网络分析仪13的第一端口13-1为接收端口时，通过调节可调衰减器9的幅度值和可调移相器10的相位值，使得共振肖特基探针1的Q值传输函数S21幅度小于等于0dB，相位约为00，且单刀双掷微波开关8切换至J1端口时，可实现共振肖特基探针1的Q值10000以上。
如图2所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同的是本实施例将实施例1的第一负载4替换为带通滤波器14和频谱分析仪15，并去除矢量网络分析仪13，且共振肖特基探针1内为有束流状态。功率分配器3的输出端S1连接通过带通滤波器14连接频谱分析仪15，频谱分析仪15用于实时测量待测单质子或几个粒子的肖特基微弱信号。四端口双向耦合器12的输出端C2直接连接共振肖特基探针1的第二耦合环天线1-2。
在一个优选的实施例中，保持可调衰减器9的幅度值和可调移相器10的相位值，使得共振肖特基探针1的Q值传输函数S21幅度小于等于0dB(如果幅度大于0dB即增益大于1，将发生自激振荡)，相位约为00。
上述各实施例中，可调衰减器9为幅度连续可调衰减器
上述各实施例中，可调移相器10为相位连续可调移相器。
上述各实施例中，第一负载4、第二负载5和第三负载6均为50欧姆。
下面通过具体实施例详细说明本发明共振肖特基探针装置的使用方法：
普通模式：
1)如图2所示，共振肖特基探针1内为有束流状态，将单刀双掷微波开关8切换至J1端口。
2)开启低噪声放大器2使其正常工作，共振肖特基探针1的第一耦合环天线1-1将提取的束流感应信号通过低噪声放大器2放大进入频谱分析仪15。
3)通过频谱分析仪15实时测量待测单质子或几个粒子的肖特基微弱信号，实现普通模式下的肖特基测量。
高Q值连续可调模式：
1)如图1所示，共振肖特基探针1内为无束流状态，将单刀双掷微波开关8切换至J2端口。
2)根据矢量网络分析仪13测量的共振肖特基探针1的品质因数Q值，通过调节可调衰减器9的幅度值和可调移相器10的相位值，使得共振肖特基探针1的Q值传输函数S21幅度小于等于0dB，相位约为00，该步骤的目的是实现共振肖特基探针1的高Q值。
3)将本发明的各个部件按照图2所示进行连接，并将单刀双掷微波开关8切换至J1端口，共振肖特基探针1的第一耦合环天线1-1将提取的束流感应信号通过低噪声放大器2放大后进入频谱分析仪15。
4)通过频谱分析仪15实时测量待测单质子或几个粒子的肖特基微弱信号。通过调节可调衰减器9的幅度值和可调移相器10的相位值还可以实现共振肖特基探针1高Q值连续可调在束测量。
如图3所示，为将本发明中高Q值连续可调模式和普通模式下Q值的实测结果示意图，实线曲线高Q值连续可调模式下的Q值实测值，测试结果为12020，虚线曲线为普通模式下的Q值实测值，测试结果为496。可以看出，两种模式下共振肖特基探针1的3dB带宽不一样，Q值与带宽成反比，实线的带宽很窄，代表Q值大，虚线的带宽宽，代表Q值小。即当将本发明设置为图1的结构时，可以实现共振肖特基探针1的高Q值连续可调模式；当将本发明设置为图2的结构时，可以实现共振肖特基探针1的Q值为常数的普通模式。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种共振肖特基探针装置，其特征在于，包括共振肖特基探针：
所述共振肖特基探针内设置有第一耦合环天线和第二耦合环天线，所述第一耦合环天线通过低噪声放大器连接功率分配器的输入端；
所述功率分配器的第一输出端连接第一负载或带通滤波器，所述带通滤波器连接频谱分析仪；所述功率分配器的第二输出端通过开关分别连接第二负载和可调衰减器，所述可调衰减器通过连接可调移相器连接低通滤波器，所述低通滤波器的输出端连接四端口双向耦合器的输入端；
所述四端口双向耦合器的耦合端分别连接第三负载和第四负载，所述四端口双向耦合器的输出端连接矢量网络分析仪的第一端口或所述共振肖特基探针的第二耦合环天线，所述矢量网络分析仪的第二端口连接所述共振肖特基探针的第二耦合环天线；
当所述功率分配器的第一输出端连接所述带通滤波器且所述四端口双向耦合器的输出端直接连接所述共振肖特基探针的第二耦合环天线时，所述共振肖特基探针内为有束流状态；
当所述功率分配器的第一输出端连接所述第一负载且所述四端口双向耦合器的输出端连接所述矢量网络分析仪的第一端口时，所述共振肖特基探针内为无束流状态。
2.如权利要求1所述的一种共振肖特基探针装置，其特征在于，所述可调移相器为相位连续可调移相器。
3.如权利要求1所述的一种共振肖特基探针装置，其特征在于，所述可调衰减器为幅度连续可调衰减器。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种共振肖特基探针装置，其特征在于，所述第一负载、第二负载和第三负载均为50欧姆。
5.如权利要求1至3任一项所述的一种共振肖特基探针装置，其特征在于，所述开关采用单刀双掷微波开关。
6.一种基于权利要求1所述的共振肖特基探针装置的使用方法，其特征在于，包括以下内容：
1)普通模式，即功率分配器的第一输出端连接带通滤波器，四端口双向耦合器的输出端直接连接共振肖特基探针的第二耦合环天线：
共振肖特基探针内为有束流状态，将开关切换至连接第二负载的端口；
开启低噪声放大器，共振肖特基探针的第一耦合环天线将提取的束流感应信号通过低噪声放大器放大进入频谱分析仪；
通过频谱分析仪实时测量待测粒子的肖特基信号，实现普通模式下的肖特基测量；
2)高Q值连续可调模式，即功率分配器的第一输出端连接第一负载，四端口双向耦合器的输出端连接矢量网络分析仪的第一端口：
共振肖特基探针内为无束流状态，将开关切换至连接可调衰减器的端口；
根据矢量网络分析仪测量的共振肖特基探针的品质因数Q值，通过调节可调衰减器的幅度值和可调移相器的相位值，使得共振肖特基探针的Q值传输函数幅度小于等于0dB，以实现共振肖特基探针的高Q值。
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