一種測量粒子加速器束流流強的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及加速器物理束流診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種測量粒子加速器中束流流強 的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前粒子加速器中已經(jīng)廣泛采用了 ICT(積分電流變壓器)來測量束流流強（本申 請中所述的"束流流強"均指代束流流強的幅度）。然而，由于ICT的測量波形受地回路干擾 較大，如果采用ICT進(jìn)行單次測量，則隨機誤差較大，無法滿足測量精度的要求;但如果采用 ICT進(jìn)行多次測量，得到的平均值是準(zhǔn)確的，可用作流強標(biāo)定。
[0003] 腔式BPM(束流位置探測器)是一種已有的信號獲取方法，因其nm級的位置分辨率 被廣泛應(yīng)用在粒子加速器中進(jìn)行位置測量，例如應(yīng)用在自由電子激光裝置波蕩器部分進(jìn)行 束流位置測量。但腔式BPM在測量過程中得到的共模TM010信號幅度并不受束流位置影響， 而只與束流流強有關(guān)，且其性噪比可以達(dá)到100dB以上，因此可利用該共模TM010信號來測 量束流流強。
[0004] 已知的是，共模TM010信號為射頻信號，其表達(dá)式如下：
[0005]
[0006] 在式（1)中，k是探頭感應(yīng)信號比例因子，A是束流流強，f是信號相位，τ是信號衰 減時間，f是諧振信號頻率，一般為數(shù)GHz。
[0007] 為了對共模TM010信號進(jìn)行處理而求解出其信號幅度kA，現(xiàn)有技術(shù)中典型的處理 方法是先進(jìn)行下變頻以將該射頻信號變換到中頻，然后進(jìn)行數(shù)字化采樣與數(shù)字信號解調(diào)操 作即可得到信號幅度kA。然而，由于粒子加速器在運行時有輻射，其必須放置在防輻射的隧 道內(nèi)，當(dāng)采用腔式BPM進(jìn)行測量時，BPM必須安裝在加速器上所以同樣也位于隧道內(nèi)，由于隧 道內(nèi)輻射較強，因而用于與共模TM010信號進(jìn)行混頻以實現(xiàn)下變頻的本振源一般設(shè)置在隧 道外，距離腔式BPM較遠(yuǎn)。這樣會帶來以下缺陷:共模TM010信號需遠(yuǎn)距離傳輸才能與隧道外 的本振源混頻，然而，射頻信號在遠(yuǎn)距離傳輸時衰減較大，并且對隧道內(nèi)外溫差變化敏感， 因此會引入測量誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的利用共模TM010信號測量粒子加速器束流流強 的系統(tǒng)和方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中共模TM010信號須遠(yuǎn)距離傳輸至隧道外所帶來的衰減較 大以及對隧道內(nèi)外溫差變化敏感的問題，從而提高測量精度。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種測量粒子加速器束流流強的系統(tǒng)，包括設(shè)置在 粒子加速器上的一雙腔腔式BPM和一 ICT，所述雙腔腔式BPM具有兩個參考腔，每個參考腔具 有一對探頭，其中，該系統(tǒng)還包括一對差分器、一混頻器、一低通濾波器和一數(shù)據(jù)采集器，其 中，所述混頻器、低通濾波器和數(shù)據(jù)采集器依次串聯(lián)，所述一對差分器并聯(lián)在所述雙腔腔式 BPM與混頻器之間；而數(shù)據(jù)采集器另與ICT串連。
[0010] 本發(fā)明還提供一種測量粒子加速器束流流強的方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟S1，通過設(shè)置在粒子加速器上的ICT對粒子加速器的束流流強進(jìn)行多次測量， 并輸出多次測量的流強平均值；
[0012] 步驟S2,通過設(shè)置在粒子加速器上的雙腔腔式BPM的兩對探頭分別引出兩個參考 腔對應(yīng)的兩路諧振信號；
[0013] 步驟S3,通過一對差分器分別對每個參考腔的每對探頭輸出的兩路諧振信號進(jìn)行 差分，再通過混頻器對所述一對差分器輸出的差分信號進(jìn)行混頻，接著通過低通濾波器對 混頻后的信號進(jìn)行低通濾波而得到一中頻信號；
[0014] 步驟S4,通過數(shù)據(jù)采集器對所述步驟S3得到的中頻信號進(jìn)行數(shù)字化采樣，并提取 所述中頻信號的幅度；
[0015] 步驟S5,通過所述數(shù)據(jù)采集器對所述步驟S1中的ICT輸出的流強平均值進(jìn)行數(shù)字 化采樣，并根據(jù)采樣到的流強平均值及步驟S4中提取的中頻信號的幅度根據(jù)下式確定束流 流強與中頻信號幅度的對應(yīng)關(guān)系系數(shù)：
[0016] 中頻信號幅度=1^1?八2
[0017]其中，A為束流流強，luk2為系數(shù)；以及
[0018] 步驟S6,重復(fù)執(zhí)行步驟S2-S4以獲取不同時刻所述低通濾波器輸出的中頻信號的 幅度，再根據(jù)所述步驟S5中得到的所述中頻信號的幅度與束流流強的對應(yīng)關(guān)系系數(shù)，而獲 取不同時刻的束流流強。
[0019] 其中，所述探頭分別位于每個參考腔的兩側(cè)。
[0020] 特別的，所述兩個參考腔均為高Q腔。
[0021] 優(yōu)選地，所述兩個參考腔設(shè)置為使對應(yīng)的共模TM010信號的頻率差為1-200兆赫 茲。
[0022]更優(yōu)地，所述兩個參考腔設(shè)置為使對應(yīng)的共模ΤΜ010信號的頻率差為20-40兆赫 茲。
[0023]較佳地，該系統(tǒng)還包括一連接在所述低通濾波器與數(shù)據(jù)采集器之間的放大器對低 通濾波得到的中頻信號進(jìn)行放大。。
[0024]本發(fā)明利用腔式探頭對束流強度的高靈敏度，設(shè)計雙腔結(jié)構(gòu)探頭進(jìn)行束流流強測 量。本發(fā)明采用具有兩個參考腔的雙腔腔式BPM同時測得兩路共模TM010信號，并對這兩路 共模TM010信號進(jìn)行混頻和低通濾波后獲取束流流強，由于混頻器和低通濾波器受輻射影 響較小可以設(shè)置在隧道內(nèi)，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中共模TM010信號必須遠(yuǎn)距離傳輸至隧道 外與下變頻使用的本振源進(jìn)行混頻所導(dǎo)致的信號衰減及對室內(nèi)外溫差敏感的缺陷，同時兩 探頭輸出信號相位差固定，也解決了本振源鎖相問題。本發(fā)明利用腔式探頭高靈敏度和ICT 多次測量的準(zhǔn)確度進(jìn)行流強絕對值標(biāo)定，提高了測量精度，分辨率遠(yuǎn)好于千分之一。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明測量粒子加速器束流流強的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中典型的腔式BPM的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明中的雙腔腔式BPM的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明測量粒子加速器束流流強的系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實施例，并予以詳細(xì)描述。
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明，即測量粒子加速器束流流強的系統(tǒng)，包括設(shè)置在粒子加速器 通道10上的一雙腔腔式BPM1和一 ICT2,還包括用于信號處理的一對差分器31和32、一混頻 器4、一低通濾波器5和一數(shù)據(jù)采集器6。其中，混頻器4、低通濾波器5和數(shù)據(jù)采集器6依次串 聯(lián)，一對差分器31和32并聯(lián)在雙腔腔式BPM1與混頻器4之間。
[0031] 在本發(fā)明中，雙腔腔式BPM1是指在典型腔式BPM的基礎(chǔ)上增加了一個參考腔的束 流位置探測器，圖2和圖3分別示出了典型腔式BPM和雙腔腔式BPM的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中箭頭 所示方向為束流傳輸方向。從圖2中可以看出，典型腔式BPM具有一個參考腔13'及一對用于 引出該參考腔13'的兩路諧振信號的探頭11'和12'，該對探頭11'和12'輸出的兩路信號進(jìn) 行差分后，即可得到該參考腔13'對應(yīng)的共模TM010信號。再請參閱圖3,本發(fā)明的雙腔腔式 BPM具有兩個參考腔15和16及兩對探頭11和12、13和14,其中，一對探頭11和12用于引出參 考腔15的兩路諧振信號，另一對探頭13和14用于引出參考腔16的兩路諧振信號，每對探頭 11和12、13和14分別輸出的兩路信號進(jìn)行差分后，即可得到相應(yīng)參考腔15和16對應(yīng)的共模 TM010信號。由于當(dāng)前電子學(xué)水平10位以上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件可以達(dá)到1G赫茲以上，因此可以 對采樣500兆赫茲頻率以內(nèi)的信號實現(xiàn)數(shù)字化采樣。但是頻率越高，受到的信號干擾越嚴(yán) 重。為了解決干擾的問題，雙腔腔式BPM1設(shè)置為使兩個參考腔15和16對應(yīng)的共模ΤΜ010信號 的頻率差為1-200兆赫茲，而最佳的抗干擾頻率則是中頻彳目號，因此本發(fā)明優(yōu)選20~40兆赫 茲。兩個參考腔15和16均為高Q腔。
[0032] 采用圖1中的系統(tǒng)進(jìn)行束流流強測量的方法如下：
[0033] 步驟S1，通過ICT2對粒子加速器通道10中的束流流強進(jìn)行多次測量，并輸出多次 測量的流強平均值。
[0034] 步驟S2,通過雙腔腔式BPM1的兩對探頭11和12、13和14分別引出兩個參考腔15和 16各自對應(yīng)的兩路諧振信號。
[0035] 步驟S3,首先，通過一對差分器31和32分別對每對探頭11和12、13和14輸出的兩路 諧振信號進(jìn)行差分，得到的