CN205156841U - 一种基于谐振腔的束团长度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于谐振腔的束团长度测量装置，该装置包括工作于TM₀₁₀的基波腔、工作于TM_0n0的高次谐波腔和滤波器，基波腔用于测量束流的流强，该流强和高次谐波腔的输出信号用于解出束团长度，滤波器用于优化信号。本实用新型克服传统谐波腔测量装置中腔体太过接近束流管道引起的加工难度增大，以及无法工作于更高频率以测量更短束团的局限性。本实用新型为谐振腔法测量束团长度的更广泛应用打下基础。

Description

一种基于谐振腔的束团长度测量装置

技术领域

本实用新型属于束流测量领域，特别涉及一种基于谐振腔的束团长度测量装置。

背景技术

为了获知直线加速器中的能散参数和观测聚束效果，束团伸长效应和设定合适的RF相位，需要精确测量其束团长度。谐振腔作为束流诊断的拾取装置，可以提供大幅度和高信噪比的信号，谐波法谐振腔束团长度测量方法也因此成为一种重要的实时且非拦截式的束团长度测量方法。传统的谐振腔束团长度测量方法中，谐振腔均工作于基模TM₀₁₀模式，随着欲测量束团长度的减小，谐振腔工作频率越来越高，谐波腔腔体半径越来越接近束流管道，带来腔体加工难度的增加，同时阻碍了其测量更短长度束团的可能性。

实用新型内容

本实用新型的目的：克服传统谐波腔测量装置中腔体太过接近束流管道引起的加工难度增大，以及无法工作于更高频率以测量更短束团的局限性。为谐振腔法测量束团长度的更广泛应用打下基础。

本实用新型的解决方案：一种基于谐振腔的束团长度测量装置，包括工作于TM₀₁₀的基波腔、工作于TM_0n0的高次谐波腔和滤波器，基波腔和高次谐波腔依次安装于束流管道，基波腔信号由同轴探针引出于同轴线，高次谐波腔信号由小孔引出于波导，滤波器由该波导中的一小段加载膜片组成。

其中，基波腔用于测量束流的流强，该流强和高次谐波腔的输出信号用于解出束团长度，滤波器用于优化信号。

其中，滤波器为引入膜片加载的波导带通滤波器。

本实用新型的原理在于：

设计使谐波腔工作于TM_0n0模式，大大增加了谐波腔半径值，但是带来了无用信号增加的问题，为此在提取波导中加载膜片起到滤波器的作用优化输出信号。

为实现以上技术方案，设计的束团长度监测器包含工作于TM₀₁₀的基波腔和工作于TM_0n0的高次谐波腔，以及用于优化信号的滤波器。对于未知流强和束团长度的束流，由于束团长度对基波腔输出信号影响较小，经过基波腔可以测量到其流强，以此流强和高次谐波腔输出信号代入束团长度计算公式可以解出束团长度，由此未知参数束流的流强和束团长度都可以确定。

本实用新型的优点在于：

这样的设计可以大大增加腔体半径。例如同样对于14.28GHz的谐振腔，工作于TM₀₁₀模式的话，其腔体半径约为6mm，已经小于一般的束流管道半径了。工作于TM₀₂₀模式，半径使19.06mm，可以安装及测量。

附图说明

图1是基波腔的示意图；

图2是基波腔输出信号随束流流强的变化(纵坐标为CST归一化电磁场信号强度)；

图3是五次谐波腔的示意图(滤波器由八块金属膜片加载的波导组成)；

图4是五次倍频腔俯视图示意图；

图5是五次倍频腔后视图示意图；

图6是五次倍频腔左视图示意图；

图7是五次谐波腔输出信号随束团长度的变化(纵坐标为CST归一化电磁场信号强度)。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本实用新型。

本实用新型公开了一种基于谐振腔的束团长度测量装置，包括工作于TM₀₁₀的基波腔、工作于TM_0n0的高次谐波腔和滤波器，基波腔和高次谐波腔依次安装于束流管道，基波腔信号由同轴探针引出于同轴线，高次谐波腔信号由小孔引出于波导，滤波器由该波导中的一小段加载膜片组成。

应用实例如下：

1、欲测量束流参数：束团重复频率2.856GHz，长度σ_τ变化范围5～10ps，流强I₀变化范围100～300mA；

2、设计的基波腔属于普通的pill-box圆柱腔，其工作频率2.856GHz，半径40mm，使用同轴探针插入耦合出电磁场信号，由于输出功率可以由输出信号求出束流流强；基波腔示意图如图1，输出信号变化如图2；计算到的束流流强与理论束流流强的比较如表1；

表1

束流流强/mA	测得流强/mA	误差
			100	100.3	0.30％
150	150.5	0.33％
			200	199.7	0.15％
250	250.1	0.04％
			300	299.8	0.07％

3、设计的五次谐波腔也属于普通的pill-box圆柱腔，其工作频率14.28GHz，工作于TM₀₂₀模式，半径19mm，使用小孔耦合将电磁场耦合至波导，输出信号功率与束流流强和束团长度相关，将五次谐波腔和基波腔输出功率代入下公式可以计算出束团长度：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}=15.76\sqrt{ln\left(I_0\sqrt{\frac{R_5}{P_5}}\right)}\left(ps\right)$

其中，σ_τ为束团长度，P₅为倍频腔输出信号幅度，I₀为束流流强，R₅为倍频腔分路阻抗值；

输出信号有高频成分，引起对束团长度的计算误差，引入膜片加载的波导带通滤波器滤去杂散信号，五次谐波腔和波导滤波器示意图如图3。图4是五次倍频腔俯视图示意图；图5是五次倍频腔后视图示意图；图6是五次倍频腔左视图示意图；表2是五次倍频腔设计参数。

表2五次倍频腔设计参数

项目	标注	尺寸(mm)
			倍频腔半径	Rc	19.06
波导宽度	Ww	15.799
			波导高度	Wh	7.899
波导长度	Wl	74.54
			束流管道半径	Rt	5
束流管道长度	lt	43
			膜片间距	l1	12.6
膜片间距	l2	13.34
			膜片间距	l3	12.6

膜片宽度	D1	4.9
			膜片宽度	D2	6.1
膜片宽度	D3	6.1
			膜片宽度	D4	4.9

输出信号变化如图7，计算到的束团长度与理论束团长度的比较如表3。

表3

束团长度/ps	测得束团长度/ps	误差
			5	4.87	2.60％
6	5.95	0.80％
			7	7.01	0.14％
8	8.04	0.50％
			9	9.06	0.67％
10	10.07	0.70％

Claims (3)

1.一种基于谐振腔的束团长度测量装置，其特征在于：包括工作于TM₀₁₀的基波腔、工作于TM_0n0的高次谐波腔和滤波器，基波腔和高次谐波腔依次安装于束流管道，基波腔信号由同轴探针引出于同轴线，高次谐波腔信号由小孔引出于波导，滤波器由该波导中的一小段加载膜片组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔的束团长度测量装置，其特征在于：基波腔用于测量束流的流强，该流强和高次谐波腔的输出信号用于解出束团长度，滤波器用于优化信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐振腔的束团长度测量装置，其特征在于：滤波器为引入膜片加载的波导带通滤波器。