CN114137599A - 一种束流位置探测器标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种束流位置探测器标定系统，其特征在于，包括同轴线、锥形发射器、Gaobou线、锥形接收器、吸收负载、移动平台和信号记录子系统；其中，所述同轴线的一端与所述锥形发射器的顶端连接，用于将信号源产生的信号输入到所述锥形发射器；所述锥形发射器的末端与所述Gaobou线一端连接，用于将同轴线输入的TEM波逐渐过渡到TM模表面波并输入到Gaobou线中进行传输；所述Goubau线另一端与所述锥形接收器的末端连接，用于将输入的TM模表面波输入到所述锥形接收器；所述锥形接收器的顶端与所述吸收负载连接，用于将收到的信号输入到所述吸收负载；所述移动平台，用于携带待标定对象沿所述Gaobou线移动。

Description

一种束流位置探测器标定系统

技术领域

本发明属于粒子加速器技术领域，涉及一种新型束流位置探测器标定系统。

背景技术

束流位置探测器Beam Position Monitor(BPM)是粒子加速器的“眼睛”，用于观察束流在管道中位置，实现对束流位置的精确控制，从而保证正常运行。束流经过BPM时将在焊接在管道上的输出电极上产生一定幅度的电压信号U，如图1所示，信号与束流与电极距离d成反比关系，比较相对电极的信号就可以得到束流位置，即存在:

其中x为束流的位置，系数k也被称为BPM的灵敏度，δ则是两个电极因为各种原因，比如电极的差异，管道的对称性等引起几何中心相对于电中心的偏移offset。一般BPM在加工出来后，在安装到加速器上之前，需要对BPM的灵敏度k以及offsetδ进行标定，一方面对机械加工的精度进行一个评估，另一方面通过确定了标定系数k，电子学才能计算得到正确的位置。

另外公式(1)适用的范围，即信号强度与位置成正比的关系，是束流在靠近管道中心时才成立，这一范围成为线性区，标定的作用也是要得到线性区之外束流位置与U₁、U₂之间的关系，确定高阶的标定系数。

BPM标定系统的目标是产生一个模拟束流的电磁波，该电磁波需要精确稳定，且可以根据实验要求在一定范围内改变位置。图2是标定系统的基本构成示意图，信号源产生的模拟束流的信号经过同轴线、发射器往外传播发射，信号记录系统测量U₁、U₂，移动平台系统通过同步电机带动BPM运动，实现束流位置的变化(有的系统是带动发射器和穿过BPM的线运动)，接收器吸收电磁波信号减小反射。

对于标定系统而言，一方面需要实现天线(称发射器与之接收器之间的穿过待标定元件的部分)与待测部件的相对位置变化，另一方面需要通过信号记录系统记录下待测部件对这种位置变化的响应。对定位精度的要求是随着待测部件BPM的测量要求而逐渐严格的。因为发射器与天线组成的系统可以比较好的模拟束流，该标定系统也可以用于对其它束测元件的标定，得到如流强探测器Current Transformer CT等元件的特征信息。

一般的BPM标定系统采用的单线式天线，即同轴线的内导体接上一段金属线作为天线，为了保证天线相对于BPM位置的精度，通常采用较粗的刚性金属线，典型的内导体外径在4～10mm之间，这样才能保证足够的机械强度。

将信号源产生的信号经过放大后通过同轴线以TEM波传输，然后经过天线以平面波的形式往外发射，模拟束流。

现有的标定系统的缺点主要有以下几个方面:

1.系统的精度较差。为了有足够的机械强度，通常内导体尺寸较大，对于管径较小的BPM或者其它需要测试的设备(Device Under Test,DUT)来说，其定位精度较差，即便是采用内导体较小的材料(金属丝)，其震动、与BPM的轴线的平行度都会对标定的精度有较大影响。先进加速器的第四代光源，管道内径已经降低到20mm水平，对标定精度的要求也达到μm量级。

2.信号的发射效率不高。同轴线缆的特征阻抗为50Ω，自由空间平面波的特征阻抗为377Ω，阻抗的不匹配加上跳跃式变化，导致功率大部分都发生了反射，多次反射会引起也会引入额外的读数误差。

3.系统的适用面较窄。通常BPM标定系统仅能用于BPM测量,针对其它DUT的困难在于不同的DUT需要测量的响应频率范围不同。一般电子加速器BPM的工作频率为500MHz，离子加速器BPM的工作频率也在100MHz量级，一方面结构优化通常是针对某个频率，所以很难应用到工作频率相差较大的设备标定。比如对于不同的CT来说，关心频率范围从kHz到MHz,甚至是GHz(FCT)，所以BPM标定系统不能用于CT的标定。另外对于100MHz信号的来说，在真空中的波长λ₀＝3m，这样发射装置的尺寸很难做小，不利于实验开展。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种新型束流位置探测器标定系统。本发明能模拟加速器的束流对BPM进行标定，得到BPM的标定系数与offset，其特点在于能提高信号(电磁波)的发射效率，采用较小尺寸的部件得到较为精确的标定结果，特别适用于管道较细的加速器BPM的标定，同时该标定系统也可以用于加速器部件的尾场阻抗测量，具有较宽和较高的应用价值。本发明的目标是优化电磁波发射装置，让特征阻抗的过渡更加平滑，提高信号源对发射系统的输入匹配状态即减小S₁₁，同时也增大传输，较小信号在天线上的损耗即增大S₂₁。

本发明通过锥形发射器实现同轴50Ω到300Ω的特征阻抗的逐渐变化，增大发射效率，减小信号的反射。用锥形接收器接上匹配负载尽可能减小反射信号对系统的干扰；本发明用尺寸在100μm级的Gaobou线替代mm级的发射天线或者金属裸线来模拟束流，既保证电场都集中在离导线很近的局域内，减小对边界条件的依赖性，同时减小发射装置的尺寸；通过锥形发射器接收器加Gaobou线的组合，不仅可以用于BPM标定，同时可用来进行其它束流探测器如CT的标定，也可用于尾场阻抗研究。

本发明的技术方案为：

一种束流位置探测器标定系统，其特征在于，包括同轴线、锥形发射器、Gaobou线、锥形接收器、吸收负载、移动平台和信号记录子系统；其中，

所述同轴线的一端与所述锥形发射器的顶端连接，用于将信号源产生的信号输入到所述锥形发射器；其中信号源产生的信号在所述同轴线中以TEM波的形式传输；

所述锥形发射器的末端与所述Gaobou线一端连接，用于将所述同轴线输入的TEM波逐渐过渡到TM模表面波并输入到所述Gaobou线中进行传输；

所述Goubau线另一端与所述锥形接收器的末端连接，用于将输入的TM模表面波输入到所述锥形接收器；

所述锥形接收器的顶端与所述吸收负载连接，用于将收到的信号输入到所述吸收负载；

所述移动平台，用于携带待标定对象沿所述Gaobou线移动；

所述信号记录子系统，用于记录待标定对象相对所述Gaobou线位置变化时的响应。

进一步的，所述锥形发射器与所述锥形接收器的结构相同。

进一步的，所述同轴线为N型同轴线，所述锥形发射器的顶端设置与所述同轴线匹配的N型接头，所述锥形发射器的末端的内导体与所述Gaobou线相连；所述锥形接收器的末端的内导体与所述Gaobou线相连。

进一步的，所述锥形发射器的外导体内半径r₂₂按照r₁₂+0.67*L₀变化，0≤L₀≤300、内导体外半径r₂₁为r₂₂/e^Z/60；其中，r₁₂为所述同轴线的外导体内半径，Z为所述锥形发射器的特征阻抗，在300mm的长的锥形发射器内，从入口处50Ω逐渐过渡到出口300Ω。

进一步的，所述锥形发射器沿信号传播方向的纵向长度为300mm、内导体与外导体之间材料相对介电常数为1。

进一步的，采用Klopfenstein渐进法对所述锥形发射器的阻抗进行优化确定所述特征阻抗Z。

进一步的，所述锥形发射器的末端直径与沿信号传播方向的纵向长度L₂的比例为0.4～1。

进一步的，2r/L₂＝0.67；其中，r为所述锥形发射器的末端半径，L₂为纵向长度。

进一步的，所述吸收负载为标准的N型接头匹配负载。

进一步的，所述Goubau线的铜漆包线半径为0.28mm、介电层的厚度为0.02mm、介质层的介电常数为3.5、长度为1500mm。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

1.在结构方面优于传统的同轴线，装置本身结构简单，不需要复杂的匹配网络；

2.高频段具有良好的阻抗匹配，可以使频率为GHz量级的信号，沿着发射装置传播而不会产生明显的功率损耗。

3.用于模拟束流的线的尺寸在μm量级，对边界条件的干扰较小。

4.应用广泛，不仅可以用于BPM标定，还可以模拟于较短束长(较高频率)进行各种CT的响应测量以及真空部件的尾场阻抗研究。

本发明中的锥形发射器可以完成较好的阻抗匹配，可使频率为GHz量级的信号，沿着一根单线传播而不会产生明显的功率损耗。

本发明将100MHz的电磁波的发射装置的尺寸减小到100mm量级，结构十分紧凑。

本发明应用面广，可应用于加速器不同的束流探测器的标定，还可用于各种加速器上各种真空部件的尾场研究。

附图说明

图1为BPM测量束流位置原理示意图。

图2为BPM标定系统基本构成示意图。

图3为Goubau线表面波标定系统示意图。

图4为信号频率1GHz时锥形同轴线结构发射器内部电磁场分布；

(A)为电场分布，(B)为磁场分布。

图5为不同频率的电磁场发射情况；

(A)为信号频率为1GHz，(B)为信号频率为100MHz。

图6为Klopfenstein渐变阻抗匹配。

图7为Klopfenstein渐变阻抗匹配型锥形发射器频域响应。

图8为Gaobou线系统的S参数。

图9为输入端Smith圆图。

图10为优化后的标定系统机械模型图。

图11为HEPS设计的BPM在±6mm的范围内的标定结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明拟采用George Goubau在1950年提出的一种利用表面电磁波的单线传输线来模拟加速器束流，来完成BPM的标定实验。

如图3所示，假设有一根半径为a的金属线(Gaobou-line，简称G-line)，它的表明涂有厚度为d＝b-a的介电材料，加上涂层后线的外半径为b。采用圆柱坐标并假设系统在z方向具有周期结构。在电介质内部，电磁场分布由贝塞尔函数J_n(x)和诺依曼函数Y_n(x)共同给出，在介电材料内部，即a≤r≤b，有：

E_z＝iA[J₀(γ_dr)+mY₀(γ_dr)]e^-i(ωt-lz) (4-1c)

其中A是电磁场的幅度因子，m是由边界条件决定的函数，r为距离金属线中心的距离，Er与Ez分别是电场的径向与纵向分量，B_Φ是磁场的轴向分量等式(4-1a)～(4-1c)以频率ω和传播常数l的形式给出了电磁场的解，而它与材料参数之间存在：

其中下标d表示介电材料，用于区别真空或者空气中的下标0，所以介电材料的相对介电常数∈_r＝∈_d/∈₀，无磁材料的磁导率μ_d等于真空磁导率μ₀＝4π×10^-7T·m/A,k₀＝ω/c，l是导行波的传播常数，也被称为波的纵向波数，γ_d与k_d分别为介电材料中三维空间波数横向二维波数。在导线外的自由空间(空气)中，我们类似地定义:

因为在导体与介电材料以及介电材料与空气之间的界面上，

是连续的，在理想导线内部，将E_z＝0在r＝a的值应用在公式(4-1c)上，得出m＝-J₀(γ_d a)/Y₀(γ_d a)。在线的外面r≥b的空气中，圆柱坐标下的解由0阶第一类Hankel函数H₀ ⁽¹⁾和第一阶第一类Hankel函数H₁ ⁽¹⁾给出：

将(4-5)式在r＝b处得到的比例应用到(4-1a)～(4-1c)式中有：

其中采用了贝塞尔函数有用近似，它成立的条件是表面波的相速度与光速c接近，而当介电材料厚度远小于导线半径时d＜＜a，或者厚度与半径远小于电磁波波长时

相速与光速接近，G-line BPM标定系统中，上面两项都满足。

对(4-4)和(4-6)求解，将得到空气中以频率ω为自变量的表面波参数γ₀和介质中以频率ω为自变量的表面波参数γ_d，然后通过软件来得到自由空间的数值解B_φ～E_r～H₁ ⁽¹⁾(γ₀r),求解得到电场分布与束流的电磁场的差异对于标定来说完全可以忽略。

1.1.低反射高传输的类束流电磁场的实现方案

为了以更高的效率发射所需模式的表面波，需要搭建一种特殊类型的喇叭或锥体，称为发射器，如图3所示。普通金属导线的电磁场以1/r的规律，从中心延伸到较远的距离，特别是要发射低频电磁波时，需要物理尺寸比较大发射器，对于Goubau线，电磁波是以表面波方式存在，电场以1/r下降到一定的距离后，以指数方式下降。电磁场的能量都集中在Goubau线表面附近，表面波在r附近内一个很小的区域内传播，这样就可以适用较小尺寸的发射器以高效率地发射波。

具体到BPM的发射器，为了更好的实现阻抗匹配，信号源的输出阻抗、普通的N型或者SMA型接头、同轴线缆的特征阻抗都是50Ω，而Goubau线的阻抗由其结构与传输信号的频率决定，一般100μm级Goubau线在GHz频率范围内的阻抗在100Ω量级，本发明将锥形发射器末端的特征阻抗定为300Ω，可以采用Klopfenstein渐进的方式来实现从起始段50Ω到300Ω的过渡，锥形发射器的末端半径r＝100mm，总长度(高度)L₂＝300mm，根据经验直径与长度的比例一般取0.4～1之间，我们选取为2r/L₂＝0.67，较大的锥角容易在喇叭内产生高阶模式，不利于信号的传输。最后设计其中锥形主要的机械参数如表1所示。

表1为电磁场传输系统基本参数

*其中Z为Klopfenstein渐进法要求的在z方向上L₀处(L₀为距离锥形发射器起始端的纵向距离，取值范围为0≤L₀≤L₂＝300)的特征阻抗，具体值见1.1.2阻抗匹配的描述。

在标定过程中，信号源接同轴线缆，锥形发射器的起始段设计同轴线标准的N型接头的尺寸，而发射器的末端的内导体直接与Gaobou线相连，接收器的起始段与Gaobou线末端相连，接收器末端连接的吸收负载为标准的N型接头匹配负载，用于减小信号的多次反射。

1.1.1.电磁场传输

信号从信号源产生，在同轴线缆中以TEM波的形式传输，从锥形发射器开始，逐渐过渡到Gaobou线的单线的TM模，在Goubau线上传输这种模式的表面波，可以用于模拟束流，其电场线都垂直于线表面，与相对论束流产生的电场类似，如图4所示。

对于发射器来说，其物理尺寸需要和发射信号的频率匹配，对于100MHz、500MHz、1GHz、10GHz自由空间ε_r＝1平面波的波长分别为3m、0.6m、0.3m、0.03m，而在相对介电常数为ε_r＝3.5的聚氨酯(漆包线外层主要成分)里波长为1.6m、0.32m、0.16m、0.016m，可见较低频率的电磁波的发射需要的发射装置的物理尺寸较大，图5显示了整个传输系统对不同频率的信号的发射情况，从中可以看到对于典型的发射装置，Gaobo线长为600mm时，1GHz和0.1GHz的电磁场的径向电磁的分布情况，从中可以看到波长较长0.1GHz的电磁波不能传输到接受端。具体的传输与反射情况如表2所示。

表2为不同长度的Gaobou线对不同频率信号的传输

1.1.2.阻抗匹配

为了更好的阻抗匹配，减小信号的反射，在300mm的纵向长度内，用Klopfenstein渐进的方式来实现从起始段50Ω到300Ω的过渡，具体特征阻抗最纵向位置的变化如图6所示，其中以位置0为锥形发射器的起点。

在采用了Klopfenstein法对锥形发射器的特征阻抗进行优化后，发射器的频域响应如图7所示，在设计时要求在BPM电子学工作的频率500MHz处的反射较小，且在整个0.5～5GHz的频段范围内反射系数不超过0.1，更小的反射、更平缓的过渡则需要更多的纵向匹配空间，目前的设计已经能满足大部分BPM标定实验。

为了综合考虑整套系统，即包括锥形发射器、Gaobou-线、锥形接收器在内的信号传输特性，用有限元电磁仿真软件Computer Simulation Technology(CST)的微波工作室Micro Wave Studio(MWS)对系统的散射参数Scattering Parameters(S参数)进行了计算，其结果如图8所示,从中可以看到反射系数都在-15dB左右，而传输系数都在-3dB左右，大部分信号功率都成功从同轴线缆的输入端传到了匹配负载处，根据反射系数S11从输入端口看到输入阻抗如图9所示，从中我们清楚看到阻抗的匹配过程，输入阻抗迅速的从1000Ω变化到良好匹配50Ω附近，在500MHz处的实部与虚部分别为50.7Ω和1.5Ω。

1.2.本发明在工程中的具体应用

本发明是为了对束流位置探测器进行标定设计的，运动平台采用日本西格玛光机生产的HST-XYZ(SG)系列，重复定位精度为0.5μm，最小步距为2μm，可以实现在横向x,y(束流方向、Gaobou线传播方向为z方向)的二维运动。信号源采用KEYSIGHT MXG AnalogSignal Generator NS181B(9kHz～6GHz)，BPM探头信号的测量使用Libera Brilliance+电子学，整个系统如图10所示。

我们对高能光源HEPS储存环纽扣型BPM进行标定，其中纽扣电极的半径r＝4mm，高度h＝2mm，与管道间的间隙g＝0.3mm，管道半径R＝11mm。信号源输出0dBm的500MHz的点频信号，经过20dB的放大器放大后，经过同轴线缆和锥形发射器发出电磁波，其能量主要集中在Gaobou线附近，电子学读取在探头上的感应到的信号幅度，探头上耦合得到的信号仅占发射电磁波的很小一部分，剩余电磁场经过锥形接收器后被吸收负载吸收。标定第一步为控制步进电机移动，使得四个电极上的信号幅度相等，则设置为该位置为坐标原点。第二步以原定为中心，以1mm的步长在x＝±6mm、y＝±6mm范围内移动，利用电子学读取四个电极上的信号幅度，计算出上文提到的差和比，对于两电极来说为U₁-U₂/U₁+U₂，四电极则为(U_a+U_c-U_b-U_d)/(U_a+U_b-U_c-U_d)，得到的标定Mapping图如图11所示，其中根据CST的计算结果该BPM的灵敏度系数Kx＝Ky＝9.35mm，而系统标定出来的结果kx＝9.261mm，ky＝9.264mm，考虑到加工的误差等因素，(9.35-9.26)/9.35＝0.96％的相对误差是可以接受的。

本申请并不局限于本发明详细记载的实施例，本领域技术人员可以对此做出各种修改，但是只要这些修改不背离本发明的精神和意图，仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种束流位置探测器标定系统，其特征在于，包括同轴线、锥形发射器、Gaobou线、锥形接收器、吸收负载、移动平台和信号记录子系统；其中，

所述同轴线的一端与所述锥形发射器的顶端连接，用于将信号源产生的信号输入到所述锥形发射器；其中信号源产生的信号在所述同轴线中以TEM波的形式传输；

所述锥形发射器的末端与所述Gaobou线一端连接，用于将所述同轴线输入的TEM波逐渐过渡到TM模表面波并输入到所述Gaobou线中进行传输；

所述Goubau线另一端与所述锥形接收器的末端连接，用于将输入的TM模表面波输入到所述锥形接收器；

所述锥形接收器的顶端与所述吸收负载连接，用于将收到的信号输入到所述吸收负载；

所述移动平台，用于携带待标定对象沿所述Gaobou线移动；

所述信号记录子系统，用于记录待标定对象相对所述Gaobou线位置变化时的响应。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锥形发射器与所述锥形接收器的结构相同。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述同轴线为N型同轴线，所述锥形发射器的顶端设置与所述同轴线匹配的N型接头，所述锥形发射器的末端的内导体与所述Gaobou线相连；所述锥形接收器的末端的内导体与所述Gaobou线相连。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锥形发射器的外导体内半径r₂₂为r₁₂+0.67*L₀、内导体外半径r₂₁为r₂₂/e^Z/60；其中，r₁₂为所述同轴线的外导体内半径，Z为所述锥形发射器的L₀处特征阻抗，L₀为距离锥形发射器起始端的纵向距离。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述锥形发射器沿信号传播方向的纵向长度为300mm、内导体与外导体之间材料相对介电常数为1。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，采用Klopfenstein渐进法对所述锥形发射器的阻抗进行优化确定所述特征阻抗Z。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锥形发射器的末端直径与沿信号传播方向的纵向长度L₂的比例为0.4～1。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，2r/L₂＝0.67；其中，r为所述锥形发射器的末端半径，L₂为纵向长度。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述吸收负载为标准的N型接头匹配负载。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述Goubau线的铜漆包线半径为0.28mm、介电层的厚度为0.02mm、介电层的介电常数为3.5、长度为1500mm。

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