CN112986705B - 一种复合型束团电荷量测量探头及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合型束团电荷量测量探头，其安装于一加速器隧道内的束流管道上，包括：谐振腔腔体，其为一个金属材质的圆柱形空腔，其侧壁上设有一信号引出端；陶瓷圆环，其用于将谐振腔腔体的内部空间分割为空气介质的径向外部和真空的径向内部；积分型束流变压器，其放置于所述径向外部；以及两个真空束流管道，其与所述谐振腔腔体相通并分别与谐振腔腔体的轴向两侧的端面在对应于径向内部的位置处直接连接。本发明还提供了该测量探头的制作方法。本发明的束团电荷量测量探头可以确保束团电荷量标定的准确性，且结构紧凑，测量效率高。

Description

一种复合型束团电荷量测量探头及其制作方法

技术领域

本发明属于粒子加速器装置中的束流诊断领域，尤其涉及一种复合型束团电荷量测量探头及其制作方法。

背景技术

对于加速器装置中的束团电荷量测量，在加速器装置中普遍使用积分型束流变压器和腔式探头作为束团电荷量测量探头。

积分型束流变压器可以将ps量级的脉冲束流积分展宽至几十ns量级，实现束团电荷量的绝对测量。但其输出信号易受到各种电磁脉冲的干扰，比如强激光以及kicker磁铁等，因此测量分辨率不高，且不适用于低电荷量下的测量。

腔式探头同样作为一款在加速器装置，主要是自由电子激光装置中普遍使用的束团电荷量测量探头，具有很高的灵敏度和分辨率，适用于低电荷量下测量，但腔式探头却只能用于相对电荷量的评估，而无法得到绝对电荷量。

因此为了对束团电荷量进行高分辨率的绝对测量，则至少需要两个探头，其中一个是高灵敏度的腔式探头，另一个是用于对腔式探头进行电荷量标定的积分型束流变压器，束流变压器信号分辨率受限，因此用于对提取的与束团电荷量相关的射频信号进行标定。腔式探头和束流变压器信号两者是相互独立的，腔式探头产生射频信号而变压器中无法产生射频信号。对于每一个测量探头，其工作原理不同，信号有效长度及幅值都不同，因此每一个测量探头都通常需要配置相应的电子学前端及数据采集系统，而无法共用电子学前端及数据采集系统。

另外，由于积分型束流变压器需要对腔式探头的测量结果进行标定，因此需要保证两套数据采集系统之间严格的同步。换言之，即需要保证二者是对同一束团进行采集处理。不难看出，目前此类测量系统比较复杂繁琐，且系统成本比较高，信号测量及数据处理效率低，性价比低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合型束团电荷量测量探头及其制作方法，以确保束团电荷量标定的准确性，且结构紧凑，测量效率高。

为了实现上述目的，本发明提供一种复合型束团电荷量测量探头，其安装于一加速器隧道内的束流管道上，包括：谐振腔腔体，其为一个金属材质的圆柱形空腔，其侧壁上设有一信号引出端；陶瓷圆环，其用于将谐振腔腔体的内部空间分割为空气介质的径向外部和真空的径向内部；积分型束流变压器，其放置于所述径向外部；以及两个真空束流管道，其与所述谐振腔腔体相通并分别与谐振腔腔体的轴向两侧的端面在对应于径向内部的位置处直接连接。

两个真空束流管道的远离谐振腔腔体的一端均设有法兰。

信号引出端直接与一连接电缆连接，从而通过连接电缆与电子学前端及数据采集系统连接。

积分型束流变压器设置为提供与束团电荷量相关的束流变压器信号，谐振腔腔体设置为提供腔体信号并为所述积分型束流变压器提供电磁屏蔽，信号引出端设置为提取与束团电荷量相关的信号，该与束团电荷量相关的信号包括待提取的腔体信号和束流变压器信号。

所述待提取的腔体信号为腔体信号中的TM₀₁₀模式信号。

其中一侧的真空束流管道伸入谐振腔腔体的内部，所述真空束流管道之间的间距在0.5mm～10mm之间。

所述陶瓷圆环通过合金块与谐振腔腔体的腔壁焊接；且所述积分型束流变压器通过螺钉从一侧固定在谐振腔腔体上。

所述谐振腔腔体的材质为不锈钢316L或者无氧铜。

另一方面，本发明提供一种复合型束团电荷量测量探头的制作方法，包括：

S1：选择信号强度最大的TM₀₁₀模式信号作为待提取的腔体信号；

S2：根据积分型束流变压器的内外径以及长度，确定谐振腔腔体的内径；

S3：确定谐振腔腔体的待提取的腔体信号的频率，该频率高于积分型束流变压器的最高频且低于真空束流管道的截止频率；

S4：根据束团电荷量提取的信噪比要求，结合三维电磁场仿真软件计算得到两个真空束流管道之间的间距以及谐振腔腔体的总长度与该谐振腔腔体的待提取的腔体信号的强度之间的关系式，并确定真空束流管道之间的间距及谐振腔腔体的总长度；

S5：根据步骤S4中确定的频率和步骤S3中确定的真空束流管道之间的间距，得到谐振腔腔体的最终尺寸；

S6：根据谐振腔腔体的最终尺寸制作金属材质的圆柱形空腔作为谐振腔腔体，在其内部使用陶瓷圆环将谐振腔分割为径向外部和径向内部，在径向外部中放置积分型束流变压器，并将谐振腔腔体的轴向两侧的端面在对应于径向内部的位置处与两个真空束流管道连接，以与真空束流管道相通并抽真空；

S7：在谐振腔腔体的侧壁上设置一信号引出端，得到复合型束团电荷量测量探头。

所述谐振腔腔体的最终尺寸包括谐振腔腔体的腔长以及其中一个真空束流管道伸入到谐振腔腔体的深度。

本发明的束团电荷量测量探头利用谐振腔腔体将积分型束流变压器完美嵌入其中，从而实现谐振腔腔体的多用途，该多用途的谐振腔同时作为高分辨率信号拾取探头及束流变压器的电磁屏蔽而存在，使得探头可以一次性提取来自谐振腔腔体和积分型束流变压器的信号，即通过来自谐振腔腔体和积分型束流变压器的信号的耦合可以共用电子学前端及数据采集系统，且实现信号的严格同步，因此可以实现在完全的位置对同一束团进行电荷量标定，有效确保了束团电荷量标定的准确性，可实现束团电荷量的高分辨率绝对测量，同时极大地简化了系统结构，降低了系统成本及系统的复杂繁琐性，具有结构紧凑，测量效率高等优点。

附图说明

图1(a)-图1(b)是复合型束团电荷量测量探头示意图，其中图1(a)是复合型探头的侧视图，图1(b)是复合型探头的截面图。

图2是谐振腔腔体内TM010模式分布图，其上半部分示出了电磁场在谐振腔腔体内部的方向，下半部分示出了电磁场在谐振腔腔体内部的分布情况。

图3是复合型束团电荷量测量探头输出信号频谱图。其中低频部分为积分型束流变压器输出信号频谱，高频峰为腔体信号频谱。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并给予详细描述。

如图1(a)-图1(b)所示，本发明的复合型束团电荷量测量探头安装于一加速器隧道内的束流管道上，其包括谐振腔腔体1、设于谐振腔腔体1内部的陶瓷圆环2和积分型束流变压器3、设于谐振腔腔体1的两侧的两个真空束流管道4、与两个真空束流管道4连接的两个法兰41。

谐振腔腔体1为一个金属材质的圆柱形空腔，其提供一内部空间，由于其内部含有陶瓷圆环2和积分型束流变压器3而具有多用途，一方面用于提供腔体信号(其中包含与束团电荷量相关的腔体信号)，以提高束团电荷量提取的分辨率；另一方面，为谐振腔腔体1内部的积分型束流变压器3提供电磁屏蔽。谐振腔腔体1的材质一般采用不锈钢316L或者无氧铜，根据需要在两者中选择，低Q腔体一般用不锈钢，高Q腔体一般用无氧铜一般定义介于0<Q<1000为低Q，高于1000均为高Q。

陶瓷圆环2，其用于将谐振腔腔体1的内部空间分割为空气介质的径向外部和真空的径向内部两个部分，以起到真空隔离的作用。谐振腔腔体1的径向外部用于放置积分型束流变压器3；径向内部为真空介质下的谐振腔结构，与真空束流管道4相通，是产生束团电荷量相关信号的主要位置。这主要是因为：真空环境要求比较高，所以如果不需要真空环境的设备尽量不要放置在真空环境中，而积分型束流变压器3不需要真空环境，因此需要放置在空气介质中。陶瓷圆环2与合金块21焊接，并通过合金块21与谐振腔腔体1的腔壁焊接。合金块21的材质是可伐合金，在本实施例中，所述合金块21为含镍29％、钴18％的硬玻璃铁基封接合金。使得陶瓷圆环可以间接与谐振腔腔体1的腔壁焊接在一起。

积分型束流变压器3放置于所述径向外部，其设置为提供与束团电荷量相关的束流变压器信号。积分型束流变压器3通过螺钉31从一侧固定在谐振腔腔体1上。积分型束流变压器3的频率可以通过频谱仪获取积分型束流变压器3的频谱范围。但是一般情况下，积分型束流变压器3的信号频谱分布范围低于500MHz，主要工作在250MHz以下。

谐振腔腔体1的侧壁上设有一信号引出端11，信号引出端11直接与一连接电缆连接，从而通过连接电缆与电子学前端及数据采集系统(图未示)连接。信号引出端11优选为一个SMA型的接头。由于信号引出端11与金属材质的谐振腔腔体1的侧壁是直接相连的，由此，谐振腔腔体1整体依然形成了一个金属罩且束流变压器整体仍然位于金属罩内，并不影响整体的电磁屏蔽。此外，由于信号引出端11设置在金属材质的谐振腔腔体1的侧壁上，而主要的电磁干扰来自于束流管中的束团也就是谐振腔腔体1的内部，因此信号引出端11位置所受到的电磁干扰是比较小的。信号引出端11设置为提取与束团电荷量相关的信号，该与束团电荷量相关的信号包括高频的待提取的腔体信号和低频的束流变压器信号；电子学前端及数据采集系统设置为采集该与束团电荷量相关的信号，并利用与束团电荷量相关的信号中的束流变压器信号对腔体信号的峰值进行标定。

如图2所示，在本实施例中，待提取的腔体信号为腔体信号中的TM₀₁₀模式信号，其频率为谐振腔腔体1的TM₀₁₀模式频率，其峰值为束团电荷量的相对值。为了使积分型束流变压器3的信号和腔体信号频率不会混叠，这里的腔体信号频率一般在1GHz～8GHz。

再请参见图1(a)-图1(b)，两个真空束流管道4与所述谐振腔腔体1相通并分别与谐振腔腔体1的轴向两侧的端面在对应于径向内部的位置处直接连接，即设置在图1(a)中的谐振腔腔体1的左右两侧。真空束流管道4一方面用于通过法兰与所述复合型束团电荷量测量探头的上下游的其他真空束流管道或者波纹管连接，另一方面，用于使得谐振腔内耦合到束流管中的信号在该束流管内衰减完毕，减少对谐振腔外的其他束流管道的上设备干扰。其中一侧的真空束流管道4伸入谐振腔腔体1的内部(而另一侧的真空束流管道4并不伸入)，以防止高速粒子损坏陶瓷圆环。真空束流管道4伸入谐振腔腔体1的长度主要由谐振腔腔体1的长度所决定，使得两侧的真空束流管道4之间的间距可以在0.5mm～10mm之间。两个真空束流管道4彼此间隔开，设置一定间距一方面是为了方便谐振腔腔体1与下文所述的法兰41安装；另一方面，如果两个真空束流管道4相距很近，那么上下游的其他真空束流管道或者波纹管中的信号可能耦合到谐振腔中，造成信号之间的串扰。真空束流管道4的真空度一般要好于10^-11Pa*m³/s。

两个法兰41，分别设置于两个真空束流管道4的远离谐振腔腔体1的一端；两个法兰41是对称的，并且均用于方便本发明的复合型束团电荷量测量探头与加速器隧道内的上下游的其他真空束流管道或者波纹管连接，相当于一个接头。

谐振腔的工作原理如下：当束团通过本发明的复合型束团电荷量测量探头的时候，会在其谐振腔腔体1内激励起各种本征模式(即谐振模式)的腔体信号，各本征模式的分布不同，其中TM₀₁₀模式(即主模)的电场是轴对称分布的，在近轴近似下，可以认为其场强与束团的位置无关，其输出信号可以表达为：V＝Aqf,其中A是幅度系数，q是束团电荷量，f是TM₀₁₀模式信号的频率。因此，当谐振腔尺寸确定后，A和f就固定了，所以腔体信号中的TM₀₁₀模式信号的峰值与束团电荷量成正比。因为变压器本身容易受到各种电磁干扰，如果给予一个强电磁场，则该电磁场很容易耦合到变压器中，因此，该TM₀₁₀模式的场强通过电耦合或者磁耦合的方式被积分型束流变压器3耦合，使得本发明的复合型束团电荷量测量探头可以实现一次性提取积分型束流变压器的束流变压器信号以及腔体信号中的TM₀₁₀模式信号，其输出信号频谱如图3所示。所提取的与束团电荷量相关的信号的低频部分为束流变压器信号，高频部分为腔体信号。通过对积分型束流变压器输出信号在时域上积分可以得到束团电荷量绝对值，对腔体信号中的TM₀₁₀模式信号进行峰值提取可以得到电荷量相对值。该复合型探头通过束流变压器信号和腔体信号的耦合确保了两者在同一位置对同一束团的电荷量进行标定，因而有效确保了标定的准确性。综上所述，该发明极大地简化了高分辨率束团电荷量绝对测量的过程，可以直接实现高分辨率的束团绝对电荷量测量。

此外，提取的腔体信号为TM₀₁₀模式信号，其通常为窄带信号且可以具有很高的信噪比，因此高信噪比和较多的有效点数带来的处理增益使得本发明的复合型束团电荷量测量探头可以有较高的分辨率。

基于上文的复合型束团电荷量测量探头，所实现的复合型束团电荷量测量探头的制作方法包括：

步骤S1：根据腔体内本征模式的特性，选择信号强度最大的TM₀₁₀模式信号作为待提取的腔体信号。该TM₀₁₀模式信号的分布如图2所示，其腔体内的主模，所以本身信号幅度比较大，其次，各个模式的频率是不同的，通过带通滤波器就可以降低其他模式的干扰。

步骤S2：根据积分型束流变压器3的内外径以及长度，确定谐振腔腔体1的内径；

积分型束流变压器3的内径等于谐振腔的半径，积分型束流变压器3的长度小于谐振腔的长度。其中，常用的积分型束流变压器3的内径大概在10～50mm，外径可以为50～120mm，长度在5～20mm之间。

步骤S3：确定谐振腔腔体1的待提取的腔体信号的频率，其中，该频率高于积分型束流变压器3的最高频，低于真空束流管道4的截止频率。积分型束流变压器3的最高频由积分型束流变压器3的尺寸及工作频率确定。具体来说，谐振腔腔体1的待提取的腔体信号的频率如果不高于变压器的最高频，则两种信号混叠在一起，很难分离，无法进行信号处理；谐振腔腔体1的待提取的腔体信号的频率如果高于真空束流管道4的截止频率，那么腔体频率会泄露到真空束流管道4中，无法形成谐振。以图3为例，腔体的待提取的腔体信号(即TM₀₁₀模式信号)的频率为1.4GHz；

此外，谐振腔腔体1的待提取的腔体信号的频率还在积分型束流变压器3的最高频以及真空束流管道4的截止频率所决定的范围内根据需求确定，比如谐振腔腔体1的待提取的腔体信号的频率的选择受限于可用的电子学前端及数据采集系统的ADC采样率和带宽。

步骤S4：根据束团电荷量提取的信噪比要求，结合三维电磁场仿真软件计算得到两个真空束流管道4之间的间距以及谐振腔腔体1的总长度与该谐振腔腔体1的待提取的腔体信号的强度之间的关系式，并确定真空束流管道4之间的间距及谐振腔腔体1的总长度；

其中，将真空束流管道4之间的间距确定为使得谐振腔腔体1的待提取的腔体信号满足信噪比要求时的真空束流管道4之间的间距。在本实施例中，信噪比要求为信噪比好于100dB。

步骤S5：根据步骤S4中确定的频率和步骤S3中确定的真空束流管道4之间的间距，得到谐振腔腔体1的最终尺寸，谐振腔腔体1的最终尺寸包括谐振腔腔体1的腔长及其中一个真空束流管道4深入到谐振腔腔体1的深度。

谐振腔腔体1的腔长由于结构复杂，没有具体公式，需要根据仿真确定。其中一个真空束流管道4深入到谐振腔腔体1的深度是根据谐振腔腔体1的腔长和步骤S3的真空束流管道4之间的间距确定的，谐振腔腔体1的腔长等于左右束流之间的间距与真空束流管道4深入到谐振腔腔体1的深度之和。

步骤S6：根据谐振腔腔体1的最终尺寸制作金属材质的圆柱形空腔作为谐振腔腔体1，在其内部使用陶瓷圆环2将谐振腔分割为径向外部和径向内部两个部分，在径向外部中放置积分型束流变压器3，并将谐振腔腔体1的轴向两侧的端面在对应于径向内部的位置处与两个真空束流管道4连接，以与真空束流管道4相通并抽真空，从而保证真空束流管道4的真空环境；

步骤S7：在谐振腔腔体1的侧壁上设置一信号引出端11，得到复合型束团电荷量测量探头。

步骤S7还可以包括：随后，将信号引出端11通过连接电缆与电子学前端及数据采集系统(图未示)连接。

由此，该探头可以实现一次性提取积分型束流变压器的信号以及腔体的TM₀₁₀模式信号，其输出信号频谱如图3所示。其中低频部分为束流变压器信号，高频部分为腔体信号。通过对积分型束流变压器输出信号在时域上积分可以得到束团电荷量绝对值，对腔体TM₀₁₀模式信号的峰值提取可以得到电荷量相对值。该复合型探头确保了两者在同一位置对同一束团的电荷量进行标定，因而有效确保了标定的准确性。综上所述，该发明极大地简化了高分辨率束团电荷量绝对测量的过程，可以直接实现高分辨率的束团绝对电荷量测量。

此外，还可以包括步骤S8：利用电子学前端及数据采集系统采集与束团电荷量相关的信号，并利用与束团电荷量相关的信号中的束流变压器信号对腔体信号的峰值进行标定。

步骤S8具体包括以下步骤：

步骤S81：利用电子学前端及数据采集系统采集N组经过滤波后的信号；所述步骤S81中的滤波所通过的频率为步骤S1中的信号强度最大的TM₀₁₀模式信号的频率，其作用主要是使得待提取的腔体信号通过，将不需要的信号滤除。这不会影响束流变压器信号的采集，因为两者频率是分开的。N一般取大于等于2。

步骤S82：对采集的信号进行傅里叶分析，得到幅度谱，并在幅度谱上根据谐振腔腔体1的TM₀₁₀模式频率提取谐振腔腔体1的TM₀₁₀模式信号(即腔体信号)的峰值Vc；

步骤S83：对多用途谐振腔的输出信号进行低通滤波得到束流变压器信号(即滤波后的时域信号)；低通滤波的截止频率高于积分型束流变压器3的正常工作频率并低于谐振腔腔体1的工作频率。

步骤S84：对束流变压器信号进行积分得到绝对电荷量Q；

步骤S85：对谐振腔腔体1的TM₀₁₀模式信号的峰值Vc及绝对电荷量Q进行线性拟合得到标定系数。

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内。

Claims (7)

1.一种复合型束团电荷量测量探头，其安装于一加速器隧道内的束流管道上，其特征在于，包括：

谐振腔腔体（1），其为一个金属材质的圆柱形空腔，其侧壁上设有一信号引出端（11）；

陶瓷圆环（2），其用于将谐振腔腔体（1）的内部空间分割为空气介质的径向外部和真空的径向内部；

积分型束流变压器（3），其放置于所述径向外部；以及两个真空束流管道（4），其与所述谐振腔腔体（1）相通并分别与谐振腔腔体（1）的轴向两侧的端面在对应于径向内部的位置处直接连接；

其中，信号引出端（11）直接与一连接电缆连接，从而通过连接电缆与电子学前端及数据采集系统连接；其中一侧的真空束流管道（4）伸入谐振腔腔体（1）的内部，而另一侧的真空束流管道（4）并不伸入，两个真空束流管道 （4） 彼此间隔开；

所述积分型束流变压器（3）设置为提供与束团电荷量相关的束流变压器信号，谐振腔腔体（1）设置为提供腔体信号并为所述积分型束流变压器（3）提供电磁屏蔽，信号引出端（11）设置为提取与束团电荷量相关的信号，该与束团电荷量相关的信号包括待提取的腔体信号和束流变压器信号。

2.根据权利要求1所述的复合型束团电荷量测量探头，其特征在于，两个真空束流管道（4）的远离谐振腔腔体（1）的一端均设有法兰（41）。

3.根据权利要求2所述的复合型束团电荷量测量探头，其特征在于，所述待提取的腔体信号为腔体信号中的TM₀₁₀模式信号。

4.根据权利要求1所述的复合型束团电荷量测量探头，其特征在于，两个真空束流管道（4）之间的间距在0.5mm~10mm之间。

5.根据权利要求1所述的复合型束团电荷量测量探头，其特征在于，所述陶瓷圆环（2）通过合金块（21）与谐振腔腔体（1）的腔壁焊接；且所述积分型束流变压器（3）通过螺钉（31）从一侧固定在谐振腔腔体（1）上。

6.根据权利要求1所述的复合型束团电荷量测量探头，其特征在于，所述谐振腔腔体（1）的材质为不锈钢316L或者无氧铜。

7.一种复合型束团电荷量测量探头的制作方法，其特征在于，包括：

步骤S1：选择信号强度最大的TM₀₁₀模式信号作为待提取的腔体信号；

步骤S2：根据积分型束流变压器（3）的内外径以及长度，确定谐振腔腔体（1）的内径；其中，积分型束流变压器（3） 的内径等于谐振腔的半径，积分型束流变压器（3） 的长度小于谐振腔的长度；

步骤S3：确定谐振腔腔体（1）的待提取的腔体信号的频率，该频率高于积分型束流变压器（3）的最高频且低于真空束流管道（4）的截止频率；

步骤S4：根据束团电荷量提取的信噪比要求，结合三维电磁场仿真软件计算得到两个真空束流管道（4）之间的间距以及谐振腔腔体（1）的总长度与该谐振腔腔体（1）的待提取的腔体信号的强度之间的关系式，并确定两个真空束流管道（4）之间的间距及谐振腔腔体（1）的总长度；

步骤S5：根据步骤S3中确定的频率和步骤S4中确定的两个真空束流管道（4）之间的间距，得到谐振腔腔体（1）的最终尺寸，谐振腔腔体（1） 的最终尺寸包括谐振腔腔体 （1） 的腔长及其中一个真空束流管道 （4） 深入到谐振腔腔体（1） 的深度，而另一侧的真空束流管道（4）并不伸入；

步骤S6：根据谐振腔腔体（1）的最终尺寸制作金属材质的圆柱形空腔作为谐振腔腔体（1），在其内部使用陶瓷圆环（2）将谐振腔分割为径向外部和径向内部，在径向外部中放置积分型束流变压器（3），并将谐振腔腔体（1）的轴向两侧的端面在对应于径向内部的位置处与两个真空束流管道（4）连接，以与真空束流管道（4）相通并抽真空；

步骤S7：在谐振腔腔体（1）的侧壁上设置一信号引出端（11），得到复合型束团电荷量测量探头；随后，将信号引出端（11）通过连接电缆与电子学前端及数据采集系统连接；

所述积分型束流变压器（3）设置为提供与束团电荷量相关的束流变压器信号，谐振腔腔体（1）设置为提供腔体信号并为所述积分型束流变压器（3）提供电磁屏蔽，信号引出端（11）设置为提取与束团电荷量相关的信号，该与束团电荷量相关的信号包括待提取的腔体信号和束流变压器信号。