CN117410161A - 一种回旋管准直系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回旋管准直系统，属于回旋管调节技术领域。本发明通过回旋管‑磁体装配偏差对应的电子光斑特征，设计同轴度调节‑测量结构，在光斑与输出窗口中心偏移度指导下完成相对偏移角度调节，在相对平移距离调节过程，在电子光斑形状和位置的指导下完成粗略准直，以回旋管窗口输出功率为依据进行精细准直，使得回旋管‑磁体系统达到准直状态。该方案无需直接测量磁场轴线或者回旋管轴线，适用于太赫兹频段及更低频段的准直调节。该系统能够以极低的时间成本完成回旋管与磁体之间的共轴配合，其校正过程精确直接，可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于回旋管调节技术领域，更具体地，涉及一种回旋管准直系统。
背景技术
磁场与回旋管的同轴情况对电子注在谐振腔内的空间位置有着明显的影响，同轴度越差，电子注越偏离理想的耦合位置，与高频场的互作用效率越低。然而，在实际应用中，磁轴与回旋管轴的对准问题常常存在。国内外研究表明，该问题会降低电子注质量，以及降低电子注与电磁波之间的耦合效率，进而导致回旋管工作效率降低，还可能对回旋管的稳定运行产生危害。
目前的研究主要局限于低频回旋管情形，对于工作频率约为1THz的太赫兹回旋管而言，由于通常工作在高阶模式下，管体细长导致其难以确保整体对准。以0.8THz回旋管为参考，其要求回旋管轴的位置精度达到0.1mm以内，倾斜角达到0.1度以内，否则，回旋管轴与磁轴之间的微小偏移和倾斜将直接阻碍电子注通过回旋管腔体，严重损害注波互作用效率。高频回旋管严苛的对准条件给准直系统带来了极大的挑战：装置的可调精度必须足够高，且可控性强；调节过程中，必须有精密的测量仪器给予参数反馈；需要研究对准误差对系统的相关影响和表现特征，建立一套可靠的校正方法，以提供明确的调节目标。
虽然已有研究提出回旋管对准系统，但并未系统性地提出对准误差对系统的影响及相应的校正方法，其准直调节过程盲目、粗糙且耗时。因此，亟需研究太赫兹回旋管-磁体装配的高精度准直系统及方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种回旋管准直系统，旨在解决现有准直方法校正过程盲目粗糙、低效、时间成本高等的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种回旋管准直系统，所述准直系统包括：拍摄单元、控制单元和调节机构；
所述拍摄单元，用于在每次调节前以正对角度拍摄电子轰击回旋管输出窗口产生的电子光斑，准直时所述回旋管的谐振腔位于工作磁场内；
所述控制单元，用于计算电子光斑与输出窗口中心的偏移度，产生对应的本次调节的第一控制信号，发送给调节机构，经过多次调节以使偏移度小于第一预设阈值；在偏移度小于第一预设阈值的情况下，计算电子光斑缺口的大小和方位，产生对应的本次调节的第二控制信号，发送给调节机构，经过多次调节以使电子光斑趋于完整；在电子光斑趋于完整的情况下，获取回旋管输出窗口的输出功率，产生对应的本次调节的第三控制信号，发送给调节结构，经过多次调节以使输出功率达到局部峰值；
所述调节机构，用于在接收到第一控制信号后，调节回旋管的至少一个端面发生倾斜，在接收到第二控制信号或者第三控制信号后，调节回旋管的两个端面以相同的位移同时发生平移。
优选地，所述拍摄单元为电荷耦合相机，与回旋管放电时序配合(延时)触发，用于在指定脉冲放电时间内拍摄电子光斑。
优选地，所述控制单元采用图像识别算法进行电子光斑图案的数据提取和处理，并进一步将图像阈值化，对大于阈值的像素群坐标进行统计平均处理，作为电子光斑与输出窗口中心的偏移度。
优选地，所述电子光斑趋于完整的判据为：计算电子光斑中每两个相邻点的距离，若所有距离中的最大值小于第二预设阈值，则电子光斑趋于完整。
优选地，所述控制单元以光斑缺口处的夹角中线作为平移调节方向，以光斑缺口占圆百分比为依据，确定平移调节步长：缺口占圆周百分比越大，平移调节步长越大。
优选地，所述平移调节步长step_size为：
step_size＝k*(r1-rg)
其中，k为调节系数，0<k<1，r1为回旋管管体最窄处的半径，rg为回旋管电子注引导半径。
优选地，所述调节机构包括：第一XY位移平台和第二XY位移平台；
在第一控制信号作用下，第一XY位移平台固定回旋管一端面，第二XY位移平台调节另一端面，以使电子光斑靠近输出窗口中心，实现相对倾斜角度的调节；
在第二控制信号或者第三控制信号作用下，第一XY位移平台和第二XY位移平台以相同的位移同步调节两个端面，实现相对平移距离的调节。
优选地，所述系统还包括：激光位移测量仪，用于实时测量回旋管在在X、Y两个方向上的位移，反馈给控制单元，以修正第一控制信号或第二控制信号，消除调节误差。
优选地，所述系统还包括：显示单元，用于实时显示位移测量结果，实现闭环反馈式位移调节。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明公开了一种回旋管准直系统，通过回旋管-磁体装配偏差对应的电子光斑特征，设计同轴度调节-测量结构，在光斑与输出窗口中心偏移度指导下完成相对偏移角度调节，在相对平移距离调节过程，在电子光斑形状和位置的指导下完成粗略准直，以回旋管窗口输出功率为依据进行精细准直，使得回旋管-磁体系统达到准直状态，提高回旋管的工作效率和稳定性。该方案无需直接测量磁场轴线或者回旋管轴线，适用于太赫兹频段及更低频段的准直调节。该系统能够以极低的时间成本完成回旋管与磁体之间的共轴配合，其校正过程精确直接，可靠性高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种回旋管准直系统剖视图。
图2是本发明实施例提供的单个XY位移平台俯视图。
图3是本发明实施例提供的准直调节流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为拍摄单元，2为回旋管输出窗口，3为XY位移平台，4为脉冲磁体，5为磁控注入式电子枪，6为光学感测头，7为控制单元，8为回旋管管体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
对回旋管而言，与磁场的同轴度采用回旋管机械轴与磁体轴线的相对位置描述。当两轴线重合时，同轴度最优，而两轴线不重合时，其相对位置可以分为两种空间关系的组合：平移和倾斜。实际中，平移和倾斜通常发生在不同的平面上。
两轴线的平移距离采用光斑的完整性进行表征，而轴倾斜角度采用光斑在窗口中的几何位置表征。若固定回旋管轴，对磁轴进行平移，随着平移距离的增加，光斑逐渐从完整变为残缺，平移距离越大，光斑缺口越大，即磁轴平移将影响光斑的完整性。当平移距离超过容差，因为部分电子被腔体拦截，输出窗口上的光斑将出现缺口。光斑缺口的方向几乎与平移方向相同，从而可以根据缺口方位判断磁轴所在方向。另一方面，窗口上的光斑位置对磁轴倾斜角非常敏感。倾斜角越大，光斑离窗口中心就越远，而光斑的位置反映了倾斜的方向。当倾斜角超过容差时，光斑的位移将大于输出窗口的半径，而在输出窗口上消失。
如图1所示，本发明提供了一种回旋管准直系统，待准直回旋管的谐振腔位于工作磁场内，所述准直系统包括：拍摄单元1、控制单元7和调节机构；所述拍摄单元正对待准直回旋管的输出窗口2，所述调节机构安装于磁体上下端面。
所述拍摄单元，用于在每次调节前以正对角度拍摄电子轰击回旋管输出窗口产生的电子光斑，准直时所述回旋管的谐振腔位于工作磁场内；
所述控制单元，用于计算电子光斑与输出窗口中心的偏移度，产生对应的本次调节的第一控制信号，发送给调节机构，经过多次调节以使偏移度小于第一预设阈值；在偏移度小于第一预设阈值的情况下，计算电子光斑缺口的大小和方位，产生对应的本次调节的第二控制信号，发送给调节机构，经过多次调节以使电子光斑趋于完整；在电子光斑趋于完整的情况下，获取回旋管输出窗口的输出功率，产生对应的本次调节的第三控制信号，发送给调节结构，经过多次调节以使输出功率达到局部峰值；
所述调节机构，用于在接收到第一控制信号后，调节回旋管的至少一个端面发生倾斜，在接收到第二控制信号或者第三控制信号后，调节回旋管的两个端面以相同的位移同时发生平移。
在一个实施例中，工作磁场由脉冲磁体4产生。调节结构为XY位移平台3。通过磁控注入式电子枪5产生的环形电子束与开放式谐振腔中的电磁波相互作用，对外输出电磁波。
优选地，所述拍摄单元为电荷耦合相机，与回旋管放电时序配合(延时)触发，用于在指定脉冲放电时间内拍摄电子光斑。
优选地，所述控制单元采用图像识别算法进行电子光斑图案的数据提取和处理，并进一步将图像阈值化，对大于阈值的像素群坐标进行统计平均处理，作为电子光斑与输出窗口中心的偏移度。
优选地，所述电子光斑趋于完整的判据为：计算电子光斑中每两个相邻点的距离，若所有距离中的最大值小于第二预设阈值，则电子光斑趋于完整。
优选地，所述控制单元以光斑缺口处的夹角中线作为平移调节方向，以光斑缺口占圆百分比为依据，确定平移调节步长：缺口占圆周百分比越大，平移调节步长越大。
优选地，所述平移调节步长step_size为：
step_size＝k*(r1-rg)
其中，k为调节系数，0<k<1，r1为回旋管管体8最窄处的半径，rg为回旋管电子注引导半径。
优选地，如图2所示，所述调节机构包括：卡住回旋管一端面法兰的第一XY位移平台和卡住回旋管另一端面法兰的第二XY位移平台；
在第一控制信号作用下，第一XY位移平台固定回旋管一端面，第二XY位移平台调节另一端面，以使电子光斑靠近输出窗口中心，实现相对倾斜角度的调节；
在第二控制信号或者第三控制信号作用下，第一XY位移平台和第二XY位移平台以相同的位移同步调节两个端面，实现相对平移距离的调节。
优选地，所述系统还包括：激光位移测量仪，用于实时测量回旋管在在X、Y两个方向上的位移，反馈给控制单元，以修正第一控制信号或第二控制信号，消除调节误差。
在一个实施例中，激光位移测量仪采用彩色激光同轴位移测量仪，其包含：DC24V电源、控制器、光学单元、感测头、通信缆线等。四个光学感测头6分为两组安装于磁体上下端面，每组两个光学感测头，用于测量回旋管在X、Y两个方向上的微小位移。考虑到太赫兹回旋管谐振腔的毫米级尺寸，准直调节过程必须是精密、可控的，上述激光位移测量仪可以很好地满足这一要求，其测量精度极高，最高可达μm级，可连续工作，能够实时提供回旋管位移信息，为准直调节提供充分的数据依据和精度保障。
优选地，所述系统还包括：显示单元，用于实时显示位移测量结果，实现闭环反馈式位移调节。
如图3所示，所述准直系统的调节过程如下：
准直流通测试开始之前，需要先通过三维磁场测量仪对磁场轴线的位置进行粗略的测量，以给回旋管的安装提供合适的参考位置。通过三维磁场测量仪测量得到磁场分布后，根据磁体的轴对称性可知，平面上纵向磁感应强度最强的地方即为磁场轴线所穿过的地方。确定磁轴的大概位置后，将回旋管安装于磁体孔中，进行低电压低磁场的电子流通实验，CCD高速相机拍摄电子光斑。
接下来，根据光斑的位置推断当前磁场轴线与回旋管轴线的相对位置。根据光斑偏离输出窗口中心的方向，判断磁轴相对回旋管轴倾斜的方向，在激光同轴位移测量仪的实时监测下，固定一端面的XY位移平台，调节另一端面的XY位移平台，实现回旋管的角度倾斜调节，使电子光斑的位置移动至输出窗口的中心，两轴线的倾斜夹角被完全矫正。
然后，根据光斑的完整性推断当前磁场轴线与回旋管轴线的相对位置。在两轴线平行的情况下，通过光斑的缺口大小和方向判断磁轴和回旋管轴线之间相差的距离，通过激光位移测量仪的实时位移反馈，以相同的位移同步调节上下端面的XY位移平台，使回旋管向光斑缺口的方向进行平行移动，不断缩小两轴线之间的平行距离。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种回旋管准直系统，其特征在于，所述准直系统包括：拍摄单元、控制单元和调节机构；
所述拍摄单元，用于在每次调节前以正对角度拍摄电子轰击回旋管输出窗口产生的电子光斑，准直时所述回旋管的谐振腔位于工作磁场内；
所述控制单元，用于计算电子光斑与输出窗口中心的偏移度，产生对应的本次调节的第一控制信号，发送给调节机构，经过多次调节以使偏移度小于第一预设阈值；在偏移度小于第一预设阈值的情况下，计算电子光斑缺口的大小和方位，产生对应的本次调节的第二控制信号，发送给调节机构，经过多次调节以使电子光斑趋于完整；在电子光斑趋于完整的情况下，获取回旋管输出窗口的输出功率，产生对应的本次调节的第三控制信号，发送给调节结构，经过多次调节以使输出功率达到局部峰值；
所述调节机构，用于在接收到第一控制信号后，调节回旋管的至少一个端面发生倾斜，在接收到第二控制信号或者第三控制信号后，调节回旋管的两个端面以相同的位移同时发生平移。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述拍摄单元为电荷耦合相机，与回旋管放电时序配合触发，用于在指定脉冲放电时间内拍摄电子光斑。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元采用图像识别算法进行电子光斑图案的数据提取和处理，并进一步将图像阈值化，对大于阈值的像素群坐标进行统计平均处理，作为电子光斑与输出窗口中心的偏移度。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子光斑趋于完整的判据为：计算电子光斑中每两个相邻点的距离，若所有距离中的最大值小于第二预设阈值，则电子光斑趋于完整。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元以光斑缺口处的夹角中线作为平移调节方向，以光斑缺口占圆百分比为依据，确定平移调节步长：缺口占圆周百分比越大，平移调节步长越大。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述平移调节步长step_size为：
step_size＝k*(r1-rg)
其中，k为调节系数，0<k<1，r1为回旋管管体最窄处的半径，rg为回旋管电子注引导半径。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节机构包括：第一XY位移平台和第二XY位移平台；
在第一控制信号作用下，第一XY位移平台固定回旋管一端面，第二XY位移平台调节另一端面，以使电子光斑靠近输出窗口中心，实现相对倾斜角度的调节；
在第二控制信号或者第三控制信号作用下，第一XY位移平台和第二XY位移平台以相同的位移同步调节两个端面，实现相对平移距离的调节。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：激光位移测量仪，用于实时测量回旋管在在X、Y两个方向上的位移，反馈给控制单元，以修正第一控制信号或第二控制信号，消除调节误差。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：显示单元，用于实时显示位移测量结果，实现闭环反馈式位移调节。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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