CN115201580A - 一种用于束流尾场补偿的壁流探针及其标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于强流加速器束流诊断技术领域，涉及一种用于束流尾场补偿的壁流探针及其标定装置，包括：真空管道、陶瓷环、若干磁环、柔性电路板、屏蔽壳和第一馈通；真空管道为两个，在两个真空管道之间设置陶瓷环，在每个真空管道外周设置若干磁环，在陶瓷环外周设置柔性电路板，柔性电路板用于对真空管道内产生的壁电流进行采集；磁环和柔性电路板外设置屏蔽壳，第一馈通设置在屏蔽壳的壳体上。本发明中壁流探针拥有足够宽的带宽，可以准确测得束流高阶谐波分量，从而进行束流尾场补偿。

Description

一种用于束流尾场补偿的壁流探针及其标定装置

技术领域

本发明涉及一种用于束流尾场补偿的壁流探针及其标定装置，属于强流加速器束流诊断技术领域。

背景技术

运动的带电粒子周围会分布电磁场,当运动的带电粒子穿越一定结构时，如不连续光滑的导电束流管道及其真空部件等，会产生随时间衰减的感应电磁场,这一感应电磁场称为束流尾场。束流尾场会导致束流不稳定性。为了提高束流稳定性，需要设计一款非拦截式探针对束流信号进行测量。通过探测束流信号，经过I/Q调制等方法处理后得到束流的各次谐波电流，再结合机器的阻抗数据，计算出各次谐波对应的尾场电压，最后通过高频控制系统在腔内来补偿束流尾场。

壁流探针设备在各强流加速器实验室有着广泛的应用，利用其可对束流的纵向束团形状和束流的稳定性进行观测，对测量数据处理后可进一步计算得到纵向发射度以及束团的强度信息等,是重要的束流纵向参数测量器件。各实验室根据各自加速器束流参数设计了不同响应带宽的壁流探针设备。欧洲核子研究中心同步加速器(CERN-PS)使用的壁流探针设备工作带宽为100kHz-4GHz，通过该设备可以实现低电平RF反馈、束团形状测量以及纵向相空间成像；相空间分布图是CERN-PS广泛使用的诊断工具，壁流探针设备为其提供了更好的信号质量及更宽的带宽，明显改善了相空间分布图的清晰度。欧洲核子研究中心(CERN-CTF3)使用的壁流探针设备工作带宽为100kHz～20GHz，主要用于其线性对撞机研究CLIC时粒子束的时间分布，日本质子加速器研究中心(J-PARC)在其同步加速器中安装了一款壁流探针装置，用于光束负载补偿系统的输入，以及束流诊断以调整射频系统参数，工作于几MHz～几十MHz频段。

综上所述，需要一种适用于强流重离子加速器(HIAF)装置的新型壁流探针装置，可准确测量束流信号，对束流尾场进行补偿。除此外，该装置还可对束流的纵向束团形状进行观测，对测量数据处理后可进一步计算得到纵向发射度以及束团的强度等信息，是重要的束流纵向参数测量器件。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种用于束流尾场补偿的壁流探针及其标定装置，本发明中壁流探针拥有足够宽的带宽，可以准确测得束流高阶谐波分量，从而进行束流尾场补偿。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种用于束流尾场补偿的壁流探针，包括：真空管道、陶瓷环、若干磁环、柔性电路板、屏蔽壳和第一馈通；真空管道为两段，在两段真空管道之间设置陶瓷环，在每段真空管道外周设置若干磁环，在陶瓷环外周设置柔性电路板，柔性电路板用于对真空管道内产生的壁电流进行采集；磁环和柔性电路板外设置屏蔽壳，第一馈通设置在屏蔽壳的壳体上。

进一步，磁环包括高磁导率材料与低磁导率材料，磁环在接近陶瓷环的一端采用高磁导率材料，而另一端采用低磁导率材料。

进一步，磁环的外周敷设吸波材料，吸波材料为泡沫品平板吸波材料。

进一步，第一馈通为至少四个，其均匀分布在屏蔽壳外周，第一馈通通过射频电缆与功率合成器输入端连接，功率合成器的输出端信号为检测到的束流信号。

进一步，柔性电路板包括若干并联的贴片电阻和若干接头焊盘，贴片电阻的信号输出端与接头焊盘连接，接头焊盘通过半刚性线缆与第一馈通连接。

进一步，两段真空管道各有一端与陶瓷环连接，两段真空管道的另一端各设置安装法兰，陶瓷环、磁环、屏蔽壳以及安装法兰中心线同轴。

本发明还公开了一种用于束流尾场补偿的壁流探针的标定装置，用于上述任一项用于束流尾场补偿的壁流探针，包括：同轴结构内芯、转接法兰、锥形渐变体、锥形壳和第二馈通，同轴结构内芯套入壁流探针的真空管道内，转接法兰设置在同轴结构内芯两端，用于与壁流探针的安装法兰固定连接；锥形渐变体与同轴结构内芯固定连接，锥形壳设置在锥形渐变体外，锥形壳与转接法兰固定连接，锥形壳的端部设置通孔，使锥形渐变体的端部与第二馈通连接，第二馈通用于信号引出。

进一步，标定装置还包括支撑体，支撑体为中空结构，套设在同轴结构内芯上，转接法兰通过支撑体固定在同轴结构内芯上，转接法兰的底部设置支撑架。

进一步，锥形渐变体的底面上设置阶梯状凸起，用于与同轴结构内芯和支撑体卡接。

进一步，第二馈通为两个，两个第二馈通分别连接矢量网络分析仪的输入端和输出端，或者两个第二馈通一个连接信号发生器，另一个连接示波器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明能准确地测量强流束流的纵向分布信息以及高阶谐波分量，据此可对束流尾场进行补偿。

2、本发明采用柔性电路板形式替代传统等效拾取电阻，有效提高了测量精度。

3、本发明采用高磁导率磁性材料及低磁导率磁性材料组合的磁芯，可有效提高该设备的工作带宽，以测得束流更高阶谐波分量。

4、本发明设置多个信号引出端口采集镜像电流，可将采集信号对束流径向位置的依赖性最小化。

5、本发明中采用屏蔽壳、吸波材料以及各类精密射频连接器件等措施，使得该设备具有良好的信噪比。

6、本发明中整机设备机械结构可靠，具有良好的可加工性及稳定性。

7、本发明中整机安装、运行维护简单可靠，可以广泛应用于加速器束流诊断领域中。

附图说明

图1是本发明一实施例中壁流探针设备结构示意图；

图2是本发明一实施例中壁流探针设备结构剖面示意图；

图3是本发明一实施例中壁流探针设备柔性电路板PCB板示意图；。

图4是本发明一实施例中壁流探针设备离线测试标定结构示意图；

图5是本发明一实施例中壁流探针设备离线测试标定结构剖面示意图；

图6是本发明一实施例中壁流探针设备传输参数测试系统框图；

图7是本发明一实施例中壁流探针设备低频截止频率及顶降测试系统框图；

图8是本发明一实施例中壁流探针设备整机传输系数参数测试结果图；

图9是本发明一实施例中壁流探针设备各信号端口传输系数参数测试结果图；

图10是本发明一实施例中壁流探针设备低频截止频率测试结果图；

图11是本发明一实施例中壁流探针设备顶降测试结果图；

图12是本发明一实施例中壁流探针设备在束实测结果图。

附图标记：

1-真空管道；2-陶瓷环；3-磁环；4-柔性电路板；5-屏蔽壳；6-第一馈通；7-安装法兰；8-吸波材料；9-同轴结构内芯；10-转接法兰；11-锥形渐变体；12-锥形壳；13-第二馈通；14-支撑体；15-支撑架。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式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，所用到的术语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。

当束流通过真空管道1时，其交流分量将在管道内壁产生一个等幅反向的镜像电流，即壁流。因此，通过直接测量跨接在被绝缘的两段真空室管道之间的电阻上的电压信号，就可以测得束流脉冲的流强信号。壁流探针装置就是利用此原理对束流的纵向信息进行测量。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于束流尾场补偿的壁流探针及其标定装置，包括真空管道1、陶瓷环2、磁环3、柔性电路板4、屏蔽壳5、第一馈通6、半刚性电缆以及吸波材料8。屏蔽壳5上四个馈通引出，接至四合一功率合成器输入端，输出信号即为测量信号。本发明结构能准确测量强流束流的纵向分布信息以及高阶谐波分量，从而对束流尾场进行补偿；有效提高了测量精度；大大提高了该设备的工作带宽，以测得束流更高阶谐波分量；同时本发明设备具有良好的信噪比；机械结构可靠稳定，整机安装、运行维护简单可靠。可以广泛应用于加速器束流诊断领域中。下面结合附图，通过实施例对本发明方案进行详细说明。

实施例一

本实施例公开了一种用于束流尾场补偿的壁流探针，如图1、图2所示，包括：真空管道1、陶瓷环2、若干磁环3、柔性电路板4、屏蔽壳5和第一馈通6；真空管道1为两个，在两个真空管道1之间设置陶瓷环，该陶瓷环为中空结构，该陶瓷环的内径尺寸与真空管道1内径尺寸保持一致，陶瓷环两端采用钎焊方式焊接于不锈钢材质真空管道1上。在每个真空管道1外周设置若干磁环3，在陶瓷环外周设置柔性电路板4，柔性电路板4用于对真空管道1内产生的壁电流进行采集；磁环3和柔性电路板4外设置屏蔽壳5，第一馈通6设置在屏蔽壳5的壳体上。该壁流探针通过测量束流在真空管道1内壁形成的镜像电流对束流信息进行测量，通过信号拾取电阻带对镜像电流进行拾取，拾取的信号经由四路信号馈通引至设备外，然后经过四合一功率合成器，最终得到束流的纵向分布信息。其可准确测量束流纵向分布信息及高阶谐波分量。

其中，两个真空管道1各有一端与陶瓷环连接，两个真空管道1的另一端各设置安装法兰7，陶瓷环、磁环3、屏蔽壳5以及安装法兰7中心线同轴。屏蔽壳5为铝屏蔽壳，厚度2～4mm。屏蔽壳5上设置四个第一馈通6以引出信号，屏蔽壳5厚度及其上信号馈通数目不以此为限。该陶瓷环为97陶瓷，厚度为5mm～30mm，长度8～15mm；两端钎焊于不锈钢材质真空管道1上。本实施例中四合一功率合成器优选为R&KPD260-0S，工作带宽为9kHz～400MHz。

磁环3包括高磁导率材料与低磁导率材料，磁环3在接近陶瓷环的一端采用低磁导率材料，而另一端采用高磁导率材料。该高磁导率材料与低磁导率材料的磁环3尺寸与真空管道1尺寸及磁性材料退火有关，磁环3尺寸及形状可不限于图示尺寸及安装方法。本实施例中磁环3的数量共计六个，每个真空管道1上套设三个磁环3，如图2所示，将磁环3标记为①～⑥，其中，第①个磁环3和第⑥个磁环3的材质为低磁导率材料，在本实施例中优选为纳米晶材料1K107B，其他的磁环3材质为高磁导率材料，在本实施例中优选为1K502D，综合使用两种材料可以有效提高壁流探针设备的工作带宽。材料型号及磁环3数目可不限于本发明中型号及数目。通过引入上述技术特征，使得使用壁流探针设备进行束流纵向分布信息测量时，工作带宽更宽，能更精确地测量束流纵向信号及其高阶分量。采用柔性电路板4形式替代传统等效拾取电阻，有效提高了测量精度；采用高磁导率磁性材料及低磁导率磁性材料组合的磁芯，可有效提高该设备的工作带宽，以测得束流更高阶谐波分量。

磁环3的外周敷设吸波材料8，吸波材料8优选为方便裁剪放置的泡沫品平板吸波材料8。本实施例中优选该吸波材料8为泡沫平板吸波材料SAT-10mm；尺寸以可安装于屏蔽壳5及磁环3之间为准。吸波材料8型号及尺寸以具体设备工作频段及安装位置空间为准。

第一馈通6为至少四个，其均匀分布在屏蔽壳5外周，第一馈通6通过射频电缆与功率合成器输入端连接，功率合成器的输出端信号为检测到的束流信号。第一馈通6为射频专用SMA信号连接头，以保证高频信号的良好传输。在壁流探针设备工作时，由于束流在径向传输会有偏移，因此设置多个信号引出端口采集镜像电流，可将采集信号对束流径向位置的依赖性最小化。

柔性电路板4包裹于陶瓷环钎焊真空管道1外侧，包括若干并联的贴片电阻和若干接头焊盘，贴片电阻的信号输出端与接头焊盘连接，接头焊盘通过半刚性线缆与第一馈通6连接。贴片电阻的等效电阻与陶瓷环的等效阻抗相等；柔性电路板4由贴片式SSMP接头焊盘引出信号。该柔性电路板4通过半刚性电缆与第一馈通6相连。该半刚性电缆为射频专用高频低损耗线缆，半刚性电缆连接柔性电路板4为SSMP信号连接头，连接第一馈通6的一端为SMA信号连接头。如图3所示，本实施例中柔性电路板4组成包括100个220Ω贴片电阻并联，以及四个贴片式SSMP接头焊盘。

本实施例中壁流探针的使用方法为：壁流探针的屏蔽壳5上嵌的四个第一馈通6，通过该第一馈通6引出四根长度相等的射频电缆，四根射频电缆接至四合一功率合成器的四个输入端，功率合成器输出端信号即为测得的束流信号。注意测得的束流信号与实际束流信号方向相反，且幅值为实际束流信号幅值的四倍。

实施例二

本实施例公开了一种用于束流尾场补偿的壁流探针的标定装置，为微波同轴转换结构，对所述壁流探针设备工作带宽进行精确测量。如图4、图5所示，用于上述任一项用于束流尾场补偿的壁流探针，包括：同轴结构内芯9、转接法兰10、锥形渐变体11、锥形壳12和第二馈通13，同轴结构内芯9套入壁流探针的真空管道1内，转接法兰10设置在同轴结构内芯9两端，用于与壁流探针的安装法兰7固定连接；锥形渐变体11与同轴结构内芯9固定连接，锥形壳12设置在锥形渐变体11外，锥形壳12与转接法兰10固定连接，锥形壳12的端部设置通孔，使锥形渐变体11的端部与第二馈通13连接，第二馈通13用于信号引出。其中，锥形壳12为不锈钢材质，同轴结构内芯9为铝材质，以减轻重量。

标定装置还包支撑体14，支撑体14为中空结构，套设在同轴结构内芯9上，转接法兰10通过支撑体14固定在同轴结构内芯9上，转接法兰10的底部设置支撑架15，用于在实验测试时在桌面支撑壁流探针及其标定结构的支撑体14。其中，支撑体14为FR4支撑体，该支撑体14在保证承重的前提下尽可能进行掏空，即可以为镂空的支撑体14，以免引起因介质引入导致的同轴传输结构失配。

锥形渐变体11的底面上设置阶梯状凸起，用于与同轴结构内芯9和支撑体14卡接。

第二馈通13为两个，两个第二馈通13分别连接矢量网络分析仪的输入端和输出端，或者两个第二馈通13一个连接信号发生器，另一个连接示波器。

如图6所示，将图1中壁流探针设备连接于图4中的标定装置结构，二者由转接法兰10进行连接；第二馈通13分别连接至矢量网络分析仪的信号输入及输出端。上述矢量网络分析仪型号为R&S，ZVA-8。

或者如图7所示，将图1中壁流探针设备连接于图4中的标定装置结构，二者由转接法兰10进行连接；第二馈通13为两个，一个连接信号发生器，另一个连接500MHz示波器的输出端。上述信号发生器型号为81150A。上述示波器型号为MS058。

图8为在图6所示测试框图下进行实际实验场景搭建，测得的壁流探针设备的传输系数参数结果图，图8结果显示壁流探针设备在550MHz下无任何谐振。

图9为在图6所示测试框图下进行实际实验场景搭建，测得的壁流探针设备的传输系数参数结果图，壁流探针的屏蔽壳5上引出的四个信号馈通对应的测试结果分别对应S31、S41、S51和S61。图9结果显示壁流探针设备在550MHz下无任何谐振，与图8测试结果相互验证。

图10为在图7所示测试框图下进行实际实验场景搭建，测得的壁流探针设备的低频截止频率结果图，图10结果显示壁流探针设备低频截止频率为1.2kHz。

图11为在图7所示测试框图下进行实际实验场景搭建，测得的壁流探针设备的低频截止频率结果图，图11结果显示壁流探针设备顶降为2％@5μs。

图12为本实施例在兰州重离子加速器HIRFL-CSR上的在束实测结果图，从图12中可以看到，使用该壁流装置可以清晰看到束流纵向分布信息。

与现有技术相比，本发明不受流强限制，能测量更高流强的束流纵向分布信息；具有较宽工作带宽，可测得束流更高阶谐波分量，以进行更准确的束流尾场补偿。本发明可以用于强流加速器的束流纵向信息，对测量数据再发开，可以提供包括：束流流强、纵向形状变化、电荷量、发射度测量、纵向工作点以及高阶尾场补偿等束流参数。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于束流尾场补偿的壁流探针，其特征在于，包括：真空管道、陶瓷环、若干磁环、柔性电路板、屏蔽壳和第一馈通；

所述真空管道为两个，在两个真空管道之间设置所述陶瓷环，在每个所述真空管道外周设置若干磁环，在所述陶瓷环外周设置所述柔性电路板，所述柔性电路板用于对所述真空管道内产生的壁电流进行采集；所述磁环和所述柔性电路板外设置屏蔽壳，所述第一馈通设置在所述屏蔽壳的壳体上。

2.如权利要求1所述的用于束流尾场补偿的壁流探针，其特征在于，所述磁环包括高磁导率材料与低磁导率材料，所述磁环在接近所述陶瓷环的一端采用高磁导率材料，而另一端采用低磁导率材料。

3.如权利要求2所述的用于束流尾场补偿的壁流探针，其特征在于，所述磁环的外周敷设吸波材料，所述吸波材料为泡沫品平板吸波材料。

4.如权利要求1所述的用于束流尾场补偿的壁流探针，其特征在于，所述第一馈通为至少四个，其均匀分布在所述屏蔽壳外周，所述第一馈通通过射频电缆与功率合成器输入端连接，所述功率合成器的输出端信号为检测到的束流信号。

5.如权利要求1所述的用于束流尾场补偿的壁流探针，其特征在于，所述柔性电路板包括若干并联的贴片电阻和若干接头焊盘，所述贴片电阻的信号输出端与所述接头焊盘连接，所述接头焊盘通过半刚性线缆与所述第一馈通连接。

6.如权利要求1所述的用于束流尾场补偿的壁流探针，其特征在于，两个所述真空管道各有一端与所述陶瓷环连接，两个所述真空管道的另一端各设置安装法兰，所述陶瓷环、磁环、屏蔽壳以及安装法兰中心线同轴。

7.一种用于束流尾场补偿的壁流探针的标定装置，其特征在于，用于如权利要求1-6任一项所述的用于束流尾场补偿的壁流探针，包括：同轴结构内芯、转接法兰、锥形渐变体、锥形壳和第二馈通，

所述同轴结构内芯套入所述壁流探针的真空管道内，所述转接法兰设置在所述同轴结构内芯两端，用于与所述壁流探针的安装法兰固定连接；所述锥形渐变体与所述同轴结构内芯固定连接，所述锥形壳设置在所述锥形渐变体外，所述锥形壳与所述转接法兰固定连接，所述锥形壳的端部设置通孔，使所述锥形渐变体的端部与所述第二馈通连接，所述第二馈通用于信号引出。

8.如权利要求7所述的用于束流尾场补偿的壁流探针的标定装置，其特征在于，所述标定装置还包支撑体，所述支撑体为中空结构，套设在所述同轴结构内芯上，所述转接法兰通过所述支撑体固定在所述同轴结构内芯上，所述转接法兰的底部设置支撑架。

9.如权利要求8所述的用于束流尾场补偿的壁流探针的标定装置，其特征在于，所述锥形渐变体的底面上设置阶梯状凸起，用于与所述同轴结构内芯和所述支撑体卡接。

10.如权利要求7所述的用于束流尾场补偿的壁流探针的标定装置，其特征在于，所述第二馈通为两个，两个所述第二馈通分别连接矢量网络分析仪的输入端和输出端，或者两个所述第二馈通一个连接信号发生器，另一个连接示波器。

Images