CN112305581B - 一种束流位置探测器的穿墙子 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种束流位置探测器的穿墙子，其中穿墙子的金属导体位于中心轴，金属导体包括内导体和外导体，其特征在于，从下到上依次为同轴放置的第一匹配段、第一陶瓷密封段、第二陶瓷密封段、第二匹配段和标准匹配结构段；第一匹配段的上端中心区域设有与该第一陶瓷密封段匹配的凹槽，该第一陶瓷密封段位于该凹槽内。本发明穿墙子的结构设计以及对各传输段参数进行优化之后，具有传输效率高、反射功率小，特征阻抗的跳变幅度小，过渡平滑，信号损失小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种束流位置探测器的穿墙子，属于粒子加速器技术领域。
背景技术
首先对本申请涉及的术语进行介绍，束流位置探测器(BPM)：Beam PositionMonitor；横向电磁波(TEM)：Transverse Electromagnetic Wave；时域反射测量计(TDR)：Time Domain Reflectometry；电压驻波比(VSWR)：Voltage Standing Wave Ratio；有限元分析(FEA)：Finite Element Analysis；计算机模拟软件(CST)：Computer SimulationTechnology；微波工作室(MWS)：Micro Wave Studio；带宽(BW)：Band Width；散射参数(S参数):Scatter parameter；条带线电极(Strip电极)：Strip-line。
束流位置探测器Beam Position Monitor(BPM)是粒子加速器中最重要的设备之一，它能提供束流的位置信息，其构成如图1所示。束流经过时会在金属导体管道上产生的幅度相等、极性相反的镜像壁电流，束流位置探测器通常由一块与管道绝缘的金属组成，如图1中椭圆标定部分所示，经过穿墙子(Feedthrough)感应的电信号被传输出来，可以得到一定幅度的电压信号U，因为该信号U与束流与穿墙子的距离d成反比关系，通过比较上下两个穿墙子上的信号，就可以得到束流在管道内的位置。
图2给出了常见的纽扣型穿墙子的内部结构图，其中最下方的为感应电极，通常是以金属钛或者鉬为材质，外壳通常为非磁性材料，比如SUS316L，内部用于固定电极和内芯的为介电材料，它也起到隔绝真空的作用。为了保证电极上有信号，它必须与管道之间绝缘的，所以图中陶瓷部分常见的材料有可加工陶瓷(εr～9)、AlN(εr～9)、BN(εr～4)、玻璃 (εr～4)等。
为了将真空内的电极上感应到的信号传出来，一般会设计成图2这种同轴传输结构，理想情况下希望阻抗是完全匹配的，这样信号会全部都传输到真空外面的输出端。由于前端电极处的特征阻抗比较小，一般在5～10Ω，而一般的接头，比如SMA、N型的特征阻抗为50Ω (有些为75Ω)，所以会出现信号的反射，再加上制作工艺等方面的限制，很容易产生较大的反射信号，而反射信号会引起穿墙子发热变形、严重时会烧坏等不良后果。
本发明致力于通过特征阻抗的优化，使不同传输段的阻抗过渡平滑。基于传输参数的计算结果，结合实际加工工艺，确保信号在较宽的频带范围内有良好的传输效率，将反射信号抑制在较低水平。
穿墙子本质上是一种同轴线，其承担着将信号从真空内传输至真空外的功能，其传输信号的基本模式是TEM模，即在信号传播的时候，其电场与磁场都是垂直于传播方向，其电场分布从内导体指向外导体，磁场为圆周方向。特征阻抗表征的是电场与磁场的比值，也可以理解为电压(电感)与电流(电容)的比，对于同轴结构有：
其中a和b分别为内导体的外径和外导体的内径，εr则为内外导体之间填充截止的介电常数。最理想的情况是在信号传输的整个路径上的特征阻抗均为50Ω。由于钮扣电极必须根据束流参数设计，虽然纽扣电极在不同的加速器上尺寸有所不同，但是特征阻抗远小于50Ω (5～10Ω)，因此必须要在钮扣电极与传输段之间增加匹配节。受纽扣电极设计的限制，通常需要设计出几段具有不同的特征阻抗的传输段，以保证整体的传输性能。
一般穿墙子的结构优化主要是保证信号的传输，并没有标准的方案，但是基于制造工艺的不同，一般可分为两大类型。
1.通过陶瓷粉末烧结成型，需要多次填料烧结，主要的密封点在陶瓷与内导体之间，在两者之间进行焊接。
2.通过对烧结成型的陶瓷进行二次加工，主要的密封点在陶瓷的端部，而非内导体与陶瓷的结合部。
两类工艺的穿墙子结构图的区别如图3所示，实线为焊接点，阴影部分为陶瓷，其中美国和西欧的工艺为陶瓷粉末烧结，大多为图3(a)所示的结构，中国、日本、俄罗斯和乌克兰的工艺为图3(b)图所示结构，该结构与本发明的技术方案最为接近。
目前日本和国内的穿墙子的结构大多为采用图3(b)的结构，其特点是陶瓷体被分成三段，其中第一段和第三段的结构相同，而中间第二段的内导体相对于第一、三段内径更小，而密封的部分集中在第三段(最下面)陶瓷的下端面上，下端面的下部有一段铍铜做的、专为焊接设计的材料，如图3(a)中虚线部分标示，而实线标示的部分为钼锰镍MoMnNi，为金属化过渡材料，方便陶瓷与外壳焊接，常见的外壳有可阀、SUS316L不锈钢材料、金属钛 Ti等。
具体来说该结构曾在以下几个方面的缺点，首先结构比较复杂，光陶瓷段就有3段，特征阻抗的跳变的次数则更多，每次特征阻抗的跳变都会引起信号的反射、有用信号的损失，即便在特征阻抗不变，光是结构跳变都会引起信号的损失，所以过于复杂的结构会引起信号的大幅度损失。
其次，该结构不具备普适性，针对不同的纽扣，其传输性能的差异较大，更重要的是高频参数没有经过全方面的优化，在信号传输与加工复杂程度之间没有达到很好的平衡。
发明内容
针对以上缺点，本发明的目标是提供一种束流位置探测器的穿墙子，在保留穿墙子基本结构不做大幅度调整的条件下，通过减少一段陶瓷的方式实现对结构的精简、同时采用S参数与时域反射TDR分析方法，对其结构进行全面的优化，兼顾信号传输特性S21、3dB带宽 BW、特征阻抗Z0等几个方面，其优点在于：
1.高带宽，3dB带宽高达16GHz以上。
2.高传输，低反射，在带宽内的传输系数高达0.95以上。
结构简单，陶瓷段仅两段，结合两边各有一段匹配段，一共只有四段。
本发明主要特点包括：
1、通过2段陶瓷节、2段匹配节一共4段的结构来实现穿墙子与纽扣电极的阻抗匹配的设计思想；
2、重点关注全填充陶瓷段的内导体外径的思想，它是整个结构优化的关键性参数，它对传输参数性能起决定性作用；
3、综合驻波比和TDR结果来对穿墙子结构进行综合评价的设计思路。
本发明的技术方案为：
一种束流位置探测器的穿墙子，其中穿墙子的金属导体位于中心轴，金属导体包括内导体和外导体，其特征在于，从下到上依次为同轴放置的第一匹配段、第一陶瓷密封段、第二陶瓷密封段、第二匹配段和标准匹配结构段；第一匹配段的上端中心区域设有与该第一陶瓷密封段匹配的凹槽，该第一陶瓷密封段位于该凹槽内；其中，
第一匹配段的纵向长度L1为0.5～1mm，第一匹配段纵向长度内的内导体外半径r11为 0.8～1mm、外导体内半径r12为4～5mm；
第一陶瓷密封段的纵向长度L2为0.5～3mm，第一陶瓷密封段纵向长度内的内导体外半径r21为0.8～1mm、外导体内半径r22为4～5mm、第一陶瓷密封段内半径R21为0.8～1mm、第一陶瓷密封段外半径R22为2～4mm；
第二陶瓷密封段的纵向长度L3为0.5～3mm，第二陶瓷密封段纵向长度内的内导体外半径r31为0.3～0.9mm、外导体内半径r32为4～5mm、第二陶瓷密封段内半径R31为0.8～1mm、第二陶瓷密封段外半径R32为4～5mm；
第二匹配段的纵向长度L4为0.5～1mm，第二匹配段纵向长度内的内导体外半径r41为 0.3～0.9mm、外导体内半径r42为4～5mm；
标准匹配结构段的纵向长度L5大于5mm，标准匹配结构段5纵向长度内的内导体外半径 r51为0.8～1mm、外导体内半径r52为2～2.5mm。
进一步的，内导体外半径r31为0.4～0.8mm。
进一步的，内导体外半径r31＝0.65mm。
进一步的，根据公式
计算得到等效介电常数εe；然后根据εe确定第一陶瓷密封段、第二陶瓷密封段的特征阻抗；其中a为内导体外半径，b为外导体内半径，c为陶瓷与空气的界面处的半径，ε1是靠内侧介质材料的介电常数，ε2是靠外侧的侧介质材料的介电常数。
进一步的，该第二陶瓷密封段的特征阻抗为50Ω。
进一步的，该第一陶瓷密封段的纵向长度L2＝1mm。
进一步的，L1+L2+L3+L4＜10mm。
与现有技术相比，本发明的积极效果
本发明中的穿墙子的结构较为简单，仅包含4段传输接结构，却可以实现对较好的匹配；
本发明的穿墙子的射频参数好。经过本方法优化之后的传输效率高、反射功率小，特征阻抗的跳变幅度小，过渡很平滑，信号损失小；
本发明应用面广，它立足于国内成熟的陶瓷加工工艺，可以应用于不同的粒子加速器中的束流位置探测器上。同时利用其原理，还可以应用于其它需要传输宽带信号的各种场合。
附图说明
图1为纽扣电极型束流位置探测器构成图；
图2为常见的纽扣型穿墙子的内部结构图；
图3为两类工艺的穿墙子结构图，其中
(a)为第一类工艺结构，(b)为第二类工艺结构；
图4为本发明优化后的穿墙子结构图；
图5为未经过优化的结构段的S参数效果图；
图6为电压驻波比VSWR的计算结果；
图7为TDR的计算结果；
图8为电压驻波比随第三段内导体外半径r31的变化情况；
图9为TDR随第三段内导体外半径r31的变化情况；
图10为优化前后的S参数对比图；
图11为优化前后的VSWR和TDR结果对比图，其中
(a)TDR结果对比图，(b)电压驻波比对比图；
图12为陶瓷段特征阻抗随内导体外半径r31变化情况；
图13为不同的陶瓷段长度L2的VSWR和TDR结果，其中
(a)电压驻波比结果，(b)TDR结果
图14为经过多方优化后的带纽扣模型；
图15为带纽扣模型的S参数与VSWR结果，其中
(a)S参数，(b)电压驻波比；
图16为不带纽扣的穿墙子结构图；
图17为不带纽扣结构的S参数与VSWR结果，其中
(a)S参数，(b)电压驻波比。
具体实施方式
为了更好的阐述本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细描述。
本发明利用有限元分析(FEA)软件—CST的微波工作室(MWS)对穿墙子的结构进行优化，提高信号的传输特性，同时结合TDR分析来针对特征阻抗跳变进幅度进行限制，利用CST 软件进行优化的模型如图4所示。
其结构可以分为4段，在图4中从下到上依次为第一匹配段，第一陶瓷密封段，第二陶瓷密封段，第二匹配段，标准匹配结构段，其中标准匹配结构段的最上面设为起始点，定义为端口1，第一匹配段的最下面设为终点，定义为端口2，未经过优化的结构段的S参数如图 5所示，其中S11的平方代表信号的反射功率占入射功率的比例，S21的平方代表信号的传输功率占入射功率的比例，它们之间满足以下关系：
其中S11和S21在低频段，即最左边的起始点表明传输功率和反射功率分别占入射功率的 10％和90％，S11×S11＝10％,S21×S21＝90％，这是因为起始端的特征阻抗Z0＝50.8Ω，终点的特征阻抗利用公式(1)计算Zr＝93.8Ω，而S11满足：
从中也可以看出特征阻抗对反射系数影响较大，另一个用于常用于传输结构优化的参数为电压驻波比Voltage Standing Wave Ratio(VSWR),它与反射系数之间满足关系：
具体穿墙子的电压驻波比如图6所示，它表示了穿墙子对不同频率的信号的传输(反射)情况。另外TDR则表征的是传输结构特征阻抗Zr的情况，它满足：
其纵坐标是特征阻抗，单位是欧姆，横坐标是时间，时间与具体的穿墙子的位置之间的关系满足：
其中L是某段传输结构的长度，而Vr是电磁波在该段传输结构中的传播速度，它等于真空中的光速c＝3×108m/s除以介质的介电常数的平方根。通过公式(2)～公式(6)，可以得到结构参数与传输参数之间的关系，具体的TDR时域反射的结果如图7所示。
1.1.高带宽、低反射的穿墙子结构的实现方案
根据在上面章节所描述的基本原理，对不同的机械结构下的传输参数来进行优化，具体涉及到各段的机械参数如表1所示，其中有些参数是受穿墙子下端连接的部件(一般为纽扣电极)限制，比如在纽扣半径为4mm，纽扣间隙为0.3mm时r12＝4.3mm，另外SMA的接头的内导体半径一般为0.9mm，其它的限制还包括为了减小发热，希望陶瓷部分的长度短一些，L1+L2+L3+L4＜10mm。为了防止焊接的发热对陶瓷的冲击，希望焊接点与陶瓷的距离远一些，即L5＞5mm，在充分考虑了这些限制之后，各参数以及可以调节的范围如表1中所示，其中各参数存在以下关系R21＝r21＝R31＝r11＝r41＝r51，R32＝r32＝r12＝r22＝r42。
表1
1.1.1.主要传输参数的优化
优化的过程就是对不同的设计(不同的机械尺寸参数值)进行相关传输参数的计算，并从中选出最优的设计。以表1中的r31为例，在不同的内导体外半径下的驻波比如图8所示，从中可以看出在0.4～0.8mm的变化范围内，传输效果开始是变好，在r31＝0.65mm时达到最佳值，在图中以朝右的空心三角形标识，在整个频率范围内(0～25GHz)的驻波比的最大值以及其频率如表2所示，可见它对传输性能的影响很大，是优化的关键参数。
表2
| r31[mm] | VSWR | f[GHz] |
| 0.40 | 80.59 | 19.52 |
| 0.45 | 61.65 | 19.77 |
| 0.50 | 42.46 | 20.04 |
| 0.55 | 27.30 | 20.27 |
| 0.60 | 16.93 | 20.47 |
| 0.65 | 15.08 | 20.66 |
| 0.70 | 25.70 | 20.74 |
| 0.75 | 39.06 | 20.79 |
| 0.80 | 55.59 | 20.84 |
图9给出了TDR的情况对比，从中也可以看出，对于图8中最好的驻波比结果r31＝0.65 mm，其TDR结果也最为平滑，针对其它可以改变的机械参数的优化过程也与r31类似，优化前后的S参数、驻波比、TDR结果如图10、图11所示，其中虚线是优化后的结果，实线是优化之前的结果。
1.1.2.特征阻抗与TDR
在对表2中列举的所有可能变化的参数的优化过程中，发现只有上面提到的r31对性能的影响最大，原因在于作为整个结构的中间段，其特征阻抗起着至关重要的作用，公式(1)所描述的计算特征阻抗的方法仅适用于内外导体之间只有一种介质的情况，如果是像本文中陶瓷段这种既有真空，也有陶瓷的结构，需要对该式进行一定的修正，引入一个等效介电常数εe的替代公式(1)中的εr，
其中a为内导体外半径，b为外导体内半径，c为陶瓷与空气的界面处的半径，ε1是靠内侧介质材料的介电常数，ε2是靠外侧的侧介质材料的介电常数。对于第一陶瓷密封段，a＝r21， b＝r22，c＝R22，ε1＝9，ε2＝1，对于第二陶瓷密封段，a＝r31，b＝r32，c＝R31，ε1＝1，ε2＝9。上述公式(7)并没有考虑边缘效应，其计算值仅做一个参考，通过CST软件对陶瓷段特征阻抗Z0的计算结果如图12所示，可见保持该陶瓷段特征阻抗为50Ω左右是结构优化的关键。
在针对其它参数的优化过程中，单一通过驻波比有时不能判断优劣，这时需要结合其它参数来进行综合考量，比如在针对下部陶瓷段的纵向长度L2进行优化过程中发现L2取较短的值时，驻波比的最大值较高，所以L2取长一些比较有利，如图13所示；但是基于之前提到的不希望穿墙子整体结构过长，结合TDR结果L2取一个中间值比如1mm最为合适。
1.2.本发明在工程中的具体应用
1.2.1.带纽扣的穿墙子设计
本发明是为了高能同步辐射光源(HEPS)上束流位置探测器而设计的，为了测量束流位置，穿墙子下端接有半径为4mm的纽扣电极，纽扣电极与管道之间有0.3mm的间隙，在完成了对穿墙子基本结构的优化之后，加入纽扣电极的部分进行联合仿真计算，进行小幅度的尺寸调整，完成对整体结构的最终优化，锁定设计。经过多个参数的优化之后最终模型如图 14所示。其S参数与驻波如图15所示，相比于之前没有带纽扣电极的结果，其反射大、驻波比较大的原因是纽扣电极本身的原因，抛开它的影响，在整个0～18GHz的频带范围内，传输性能都比较平缓。
1.2.2.不带钮扣穿墙子设计
对于不需要另外再接纽扣电极的情况，不管是接其它类型的、比如条带型(Stripline) BPM或者标准SMA接头，则可以在原本接纽扣电极的地方匹配上一段标准匹配结构，为简单方便，匹配上一段和图5中一样的标准结构，最后的模型如图16所示，从图17中的S参数可以看到，其带宽接近20GHz(S11＝S21)，而从驻波比的情况可知，已在DC～19.8GHz 内，驻波比VSWR＜3。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种束流位置探测器的穿墙子，其中穿墙子的金属导体位于中心轴，金属导体包括内导体和外导体，其特征在于，从下到上依次为同轴放置的第一匹配段、第一陶瓷密封段、第二陶瓷密封段、第二匹配段和标准匹配结构段；第一匹配段的上端中心区域设有与该第一陶瓷密封段匹配的凹槽，该第一陶瓷密封段位于该凹槽内；其中，
第一匹配段的纵向长度L1为0.5～1mm，第一匹配段纵向长度内的内导体外半径r11为0.8～1mm、外导体内半径r12为4～5mm；
第一陶瓷密封段的纵向长度L2为0.5～3mm，第一陶瓷密封段纵向长度内的内导体外半径r21为0.8～1mm、外导体内半径r22为4～5mm、第一陶瓷密封段内半径R21为0.8～1mm、第一陶瓷密封段外半径R22为2～4mm；
第二陶瓷密封段的纵向长度L3为0.5～3mm，第二陶瓷密封段纵向长度内的内导体外半径r31为0.3～0.9mm、外导体内半径r32为4～5mm、第二陶瓷密封段内半径R31为0.8～1mm、第二陶瓷密封段外半径R32为4～5mm；
第二匹配段的纵向长度L4为0.5～1mm，第二匹配段纵向长度内的内导体外半径r41为0.3～0.9mm、外导体内半径r42为4～5mm；
标准匹配结构段的纵向长度L5大于5mm，标准匹配结构段5纵向长度内的内导体外半径r51为0.8～1mm、外导体内半径r52为2～2.5mm；
其中根据公式
计算得到等效介电常数εe；然后根据εe确定该第一陶瓷密封段、第二陶瓷密封段的特征阻抗；a为内导体外半径，b为外导体内半径，c为陶瓷与空气的界面处的半径，ε1是靠内侧介质材料的介电常数，ε2是靠外侧的侧介质材料的介电常数。
2.如权利要求1所述的穿墙子，其特征在于，内导体外半径r31为0.4～0.8mm。
3.如权利要求1或2所述的穿墙子，其特征在于，内导体外半径r31＝0.65mm。
4.如权利要求1所述的穿墙子，其特征在于，该第二陶瓷密封段的特征阻抗为50Ω。
5.如权利要求1所述的穿墙子，其特征在于，该第一陶瓷密封段的纵向长度L2＝1mm。
6.如权利要求1所述的穿墙子，其特征在于，L1+L2+L3+L4＜10mm。
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