一種基於單諧振腔的束團長度測量裝置及方法與流程

2023-12-11 09:02:27 1

本發明涉及直線加速器束流測量與診斷領域，特別涉及一種矩形雙模諧振腔式束團長度測量裝置及方法。
背景技術：
：目前，直線加速器束團長度的測量方法很多，其中，對於高品質束流源來說，基於諧振腔的束團長度測量方法實現相對方便，適用範圍較廣，且能夠提供較大幅度和較高信噪比的信號，是較有潛力的束團長度測量手段。當束流經過諧振腔時，將在諧振腔內部激勵起本徵模式。其中某一個模式的功率表達式可以表示為：其中，i為諧波電流流強，r為該模式的分路阻抗，i0為基波流強，ω是該模式的工作頻率，στ為束團長度。p和r均由實測得到。由於式中存在基波流強i0和束團長度στ兩個未知量，故而目前的諧振腔式束團長度測量系統至少要由兩個不同工作頻率ω的諧振腔組成，聯立兩腔輸出功率的方程才能求解出束團長度。但是，兩個諧振腔佔用較大空間，使得測量系統的複雜程度很高，同時兩腔的電磁場之間互相耦合幹擾，降低了系統信噪比。本發明在國家自然科學基金面上項目11575181、國家自然科學基金面上項目11375178、國家重點研發計劃項目「x射線自由電子雷射原理和關鍵技術研究」2016yfa0401900和「xfel關鍵技術研究」課題2016yfa0401903、中央高校基本科研業務費專項資金wk2310000046支持下開展了相應研究。技術實現要素：基於現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供一種基於單諧振腔的束團長度測量裝置及方法，其緊湊簡單且信噪比高，克服現有的束團長度測量裝置中兩個諧振腔佔用較大空間，系統複雜程度高，以及兩腔信號互相耦合幹擾導致信噪比下降的問題。本發明的目的是通過以下技術方案實現的：本發明實施方式提供一種基於單諧振腔的束團長度測量裝置，包括：矩形雙模諧振腔，設在該束流管道上，該矩形雙模諧振腔的腔體內與束流管道連通，能同時產生tmn10模式和tm1n0模式的諧振信號，其中n為奇數；兩個同軸探針，插設在所述矩形雙模諧振腔上，能將該矩形雙模諧振腔內不同頻率的電磁場信號互不幹擾地耦合輸出；調節式金屬微擾體，插設在所述矩形雙模諧振腔上，能微調該矩形雙模諧振腔的諧振頻率。本發明實施方式還提供一種基於單諧振腔的束團長度測量方法，採用本發明所述的基於單諧振腔的束團長度測量裝置，包括以下步驟：使帶電粒子經過所述測量裝置的束流管道，在所述矩形雙模諧振腔內激發出tm310模式和tm130模式兩種諧振模式，兩種諧模式包含束團長度和束流流強信息；調整調節式金屬微擾體的插入所述矩形雙模諧振腔內的深度，使兩種諧振模式都處於最佳的諧振狀態，兩種諧振模式的電磁場信號均達到最強，對兩種諧振模式的兩個信號分別經所述兩個同軸探針互不幹擾地耦合輸出；測得所述兩個同軸探針輸出的兩個信號功率，將兩個信號功率分別帶入兩種諧振模式各自對應的功率表達式，聯立兩個功率方程求解即得到測量的束流流強和束團長度。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的基於單諧振腔的束團長度測量裝置及方法，其有益效果為：通過在採用一個矩形雙模諧振腔，並在其上分別設置兩個同軸探針和調節式金屬微擾體，使得一個矩形雙模諧振腔能產生兩種諧振模式，並無幹擾的分別輸出兩種諧振模式的信號，實現了直接測量同一諧振腔的多個特徵模式即可得到束團長度和束流流強，減少了所需諧振腔的數量，實現了束流診斷設備的小型化，節省了系統成本。通過兩個探針不同安放位置使同一個諧振腔內兩種諧振模式的信號互不幹擾地耦合輸出，解決了傳統方法中兩個諧振腔之間信號互相干擾的問題，提高了系統信噪比。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。圖1是本發明實施例提供的針對紅外自由電子雷射的束團長度測量系統框圖；圖2是本發明實施例提供的依照矩形雙模諧振腔形狀建立的直角坐標系；圖3a是本發明實施例提供的基於單諧振腔束團長度測量裝置的三維結構示意圖、圖3b是本發明測量裝置的正視圖、圖3c是本發明測量的後視圖、圖3d是本發明測量的俯視圖、圖3e是圖3b中測量裝置的a-a斷面圖、圖3f是本發明測量裝置的左視圖、圖3g是圖3b中測量裝置的b-b斷面圖；圖4是本發明實施例提供的同軸探針在矩形雙模諧振腔上的安放位置示意圖；圖5是本發明實施例提供的用仿真軟體得到的矩形雙模諧振腔內tm310的電場強度分布圖；圖6a是本發明實施例提供的矩形雙模諧振腔內tm310的電場強度沿x方向分布曲線、圖6b是矩形雙模諧振腔內tm310的電場強度沿y方向分布曲線圖7是本發明實施例提供的用仿真軟體得到的矩形雙模諧振腔內tm130的電場強度分布圖；圖8a是本發明實施例提供的矩形雙模諧振腔內tm130的電場強度沿x方向分布曲線、圖8b是矩形雙模諧振腔內tm130的電場強度沿y方向分布曲線；圖9是本發明實施例提供的調節式金屬微擾體在矩形雙模諧振腔上的安放位置示意圖；圖10本發明實施例提供的利用仿真軟體得到的tm310和tm130兩種模式分別處於諧振狀態時對應的尺寸參數b和l的變化曲線；圖11是本發明實施例提供的測量一個宏脈衝(含6000個束團)時第一同軸探針輸出信號的頻譜；圖12是本發明實施例提供的測量一個宏脈衝(含6000個束團)時第二同軸探針輸出信號的頻譜。具體實施方式下面結合本發明的具體內容，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。如圖1至圖3g所示，本發明實施例提供一種基於單諧振腔的束團長度測量裝置，是一種結構簡單、信噪比較高的單諧振腔束團長度測量裝置，能克服現有的束團長度測量裝置中兩個諧振腔佔用較大空間，系統複雜程度高，以及兩腔信號互相耦合幹擾導致信噪比下降的問題，包括：矩形雙模諧振腔，設在該束流管道上，該矩形雙模諧振腔的腔體內與束流管道連通，能同時產生tmn10模式和tm1n0模式的諧振信號，其中n為奇數；能同時產生的主要諧振信號是tm310模式和tm130模式的諧振信號；兩個同軸探針，插設在所述矩形雙模諧振腔上，能將該矩形雙模諧振腔內不同頻率的電磁場信號互不幹擾地耦合輸出；調節式金屬微擾體，插設在所述矩形雙模諧振腔上，能微調該矩形雙模諧振腔的諧振頻率。上述測量裝置中，矩形雙模諧振腔的尺寸與諧振於2.856ghz的tm310模式的諧振頻率和諧振於7.616ghz的tm130模式的諧振頻率相匹配；所述調節式金屬微擾體在所述矩形雙模諧振腔的插入深度l與諧振於2.856ghz的tm310模式的諧振頻率和諧振於7.616ghz的tm130模式的諧振頻率相匹配。上述矩形雙模諧振腔的尺寸為：諧振腔的長度a為341.80mm；諧振腔的寬度b為58.68mm；諧振腔的厚度c為23.00mm；所述調節式金屬微擾體在所述矩形雙模諧振腔的插入深度l為6.53mm。上述測量裝置中，兩個同軸探針分布設置在所述矩形雙模諧振腔的正面上，分別與所述矩形雙模諧振腔內連通；以束流通過所述矩形雙模諧振腔的方向為+z方向，建立直角坐標系x，y，z，定義所述矩形雙模諧振腔的長邊長為a，寬邊長為b，厚度為c；所述兩個同軸探針中的第一同軸探針位於所述矩形雙模諧振腔的正面上的a點處，a點在所述矩形雙模諧振腔的正面上的坐標為：x＝a/2，y＝2b/3；所述兩個同軸探針中的第二同軸探針位於所述矩形雙模諧振腔的正面上的b點處，b點在所述矩形雙模諧振腔的正面上的坐標為：x＝2a/3，y＝b/2。上述測量裝置中，調節式金屬微擾體為兩個直徑為1mm的伸縮式圓柱形金屬螺釘，均設在所述矩形雙模諧振腔未設置同軸探針的背面，兩個金屬螺釘的一端分別插入到所述矩形雙模諧振腔內部，能改變兩個金屬螺釘插入該矩形雙模諧振腔內的深度來微調該矩形雙模諧振腔的諧振頻率；以束流通過所述矩形雙模諧振腔的方向為+z方向，建立直角坐標系x，y，z，定義所述矩形雙模諧振腔的長邊長為a，寬邊長為b，厚度為c；所述調節式金屬微擾體中的第一金屬螺釘設在所述矩形雙模諧振腔背面的c點處，c點在所述矩形雙模諧振腔背面上的坐標為：x＝a/2，y＝b/3；所述調節式金屬微擾體中的第二金屬螺釘設在所述矩形雙模諧振腔背面的d點處，d點在所述矩形雙模諧振腔背面上的坐標為：x＝a/2，y＝2b/3)；所述調節式金屬微擾體中的第一金屬螺釘位置與第二金屬螺釘的位置相對於所述矩形雙模諧振腔背面連接的束流管道對稱。上述測量裝置中，兩個同軸探針的輸出端分別設有連接同軸電纜的sma接口。本發明實施例還提供一種基於單諧振腔的束團長度測量方法，採用上述的基於單諧振腔的束團長度測量裝置，包括以下步驟：使帶電粒子經過所述測量裝置的束流管道，在所述矩形雙模諧振腔內激發出tm310模式和tm130模式兩種諧振模式，兩種諧模式包含束團長度和束流流強信息；調整調節式金屬微擾體的插入所述矩形雙模諧振腔內的深度，使兩種諧振模式都處於最佳的諧振狀態，兩種諧振模式的電磁場信號均達到最強，對兩種諧振模式的兩個信號分別經所述兩個同軸探針互不幹擾地耦合輸出；測得所述兩個同軸探針輸出的兩個信號功率，將兩個信號功率分別帶入兩種諧振模式各自對應的功率表達式(與
背景技術：
中給出的功率表達式相同)，聯立兩個功率方程求解即得到測量的束流流強和束團長度本發明的測量裝置，由於直接測量同一諧振腔的多個特徵模式即可得到束團長度和束流流強，減少了所需諧振腔的數量，實現了束流診斷設備的小型化，節省了系統成本。通過不同的探針安放位置使同一個諧振腔內兩種模式的信號互不幹擾地耦合出來，解決了傳統方法中兩個諧振腔之間信號互相干擾的問題，提高了系統信噪比。例如，對於重複頻率為0.476ghz長度為4.5ps的束團，用傳統方法測量束團長度，需要兩個不同工作頻率的諧振腔：一個是工作於2.856ghz，tm010模式的圓柱諧振腔，另一個是工作於7.616ghz，tm020模式下的圓柱諧振腔。測量結果顯示，兩腔間隔100mm時，工作頻率2.856ghz的諧振腔內會檢測到來自另一諧振腔的高頻率信號。而使用一個長341.80mm，寬58.68mm厚度23.00mm的矩形雙模諧振腔，在這個腔內可同時產生工作於2.856ghz的tm310模式和工作於7.616ghz的tm130模式。測量結果顯示，只要同軸探針的安放位置合理，兩種頻率的信號可以互不幹擾地耦合出來。可見本發明使用單個諧振腔實現了兩個諧振腔的測量功能，系統得到了簡化，同時提高了信噪比。下面對本發明實施例具體作進一步地詳細描述。本發明應用於中國科學技術大學紅外自由電子雷射裝置，測量其束團長度。束流基本參數如表1。表1為中國科學技術大學紅外自由電子雷射束團參數如圖1所示，整個針對紅外自由電子雷射的束團長度測量系統框圖，包括一個可以同時產生tm310模式和tm130模式的矩形雙模諧振腔、用於耦合諧振腔內信號的兩個同軸探針、可以實現兩路信號降頻的超外差接收機和一個由高速adc、高密度fpga、高性能dsp共同搭建的基於雙通道並行時間交替採樣的高速數據採集處理系統。矩形雙模諧振腔安裝在束流管道上，矩形雙模諧振腔的腔體與束流管道連通，諧振腔當中含有兩段關於管道中心對稱放置的調節式金屬微擾體。兩個同軸探針分別插入矩形雙模諧振腔的特定位置，兩個同軸探針的輸出端分別通過sma接口和同軸電纜連接超外差接收機的rf輸入端，超外差接收機的輸出端接入高速數據採集處理系統。其中矩形雙模諧振腔和兩個同軸探針為本發明涉及的部分，用於拾取攜帶束團長度信息的rf信號，是系統的核心裝置。超外差接收機和高速數據採集處理系統用於對兩個同軸探針輸出信號的採集和處理。矩形雙模諧振腔安裝在束流管道上，使束流通過諧振腔的中心，能在諧振腔內激起所需的電磁場。以下為了表述方便，以束流通過矩形雙模諧振腔的方向為+z方向，建立直角坐標系(x，y，z)，如圖2所示。定義矩形雙模諧振腔的長邊長為a，寬邊長為b，厚度為c。圖3a是整個基於單諧振腔束團長度測量裝置的三維結構示意圖，圖3b是該測量裝置的正視圖，圖3c是該測量裝置的後視圖，圖3d是該測量裝置的俯視圖，圖3e是圖3b中的該測量裝置的a-a斷面圖，圖3f是該測量裝置的左視圖，圖3g是圖3b中的該測量裝置的b-b斷面圖。矩形雙模諧振腔1安裝在束流管道2上，諧振腔正面插入兩個同軸探針3和4，分別用於耦合併輸出tm310和tm130信號，在諧振腔背面的特定位置插入兩個調諧螺釘5和6作為調節式金屬微擾體，用於對腔內電磁場進行微擾，改變它們的諧振頻率。以下具體介紹各部分的方案及原理。根據束流參數及束團長度求解需要，首先確定諧振腔內兩個不同模式的工作頻率分別為2.856ghz和7.616ghz。為使tm310模式諧振於2.856ghz，tm130模式諧振於7.616ghz，利用矩形腔諧振頻率的計算公式，可以得到諧振腔大致的尺寸參數。這時得到的尺寸僅是理論計算結果，最終參數需考慮腔體內的微擾情況，進一步仿真調整得到。圖4是兩個同軸探針插入位置的示意圖。用於耦合電場信號的兩個同軸探針插在諧振腔正面，第一同軸探針3插入於a點(坐標為：x＝a/2，y＝2b/3)，此處tm310電場較強，而tm130電場為0，可耦合出很大的tm310信號而不會受到tm130信號的幹擾；第二同軸探針4插入於b點(坐標為：x＝2a/3，y＝b/2)，可耦合出很大的tm130信號而不會受到tm310信號的幹擾。兩個同軸探針這樣的放置方式是根據矩形雙模諧振腔內電場分布的具體情況設計的。矩形雙模諧振腔內，tm310電場方程為：tm130的電場方程為：其中e310和e130為電場幅度的常數。圖5是用仿真軟體得到的該矩形雙模諧振腔內tm310的電場強度分布圖。圖6a是該矩形雙模諧振腔內tm310模式的電場強度沿x方向分布曲線,圖6b是該矩形雙模諧振腔內tm310模式的電場強度沿y方向分布曲線。圖7是用仿真軟體得到的該矩形雙模諧振腔內tm130的電場強度分布圖。圖8a是該矩形雙模諧振腔內tm130的電場強度沿x方向分布曲線，圖8b是該矩形雙模諧振腔內tm130的電場強度沿y方向分布曲線。可見，電場在各個方向均呈現出駐波分布。tm310在其電場分布的波節x＝a/3和x＝2a/3處場強恆為0，而波腹x＝a/6、x＝a/2和x＝5a/6處場強最大。同理，tm130在其電場分布的波節y＝b/3和y＝2b/3處場強恆為0，而波腹y＝b/6、y＝b/2和y＝5b/6處場強最大。根據兩個同軸探針耦合信號的需要，將第一同軸探針插入於a點(坐標為：x＝a/2，y＝2b/3)，第二同軸探針插入於b點(坐標為：x＝2a/3，y＝b/2)，則可以實現兩個同軸探針互不幹擾且最大程度地耦合出各自所需頻率的信號。圖9是調節式金屬微擾體安裝位置示意圖。調節式金屬微擾體是直徑1mm的伸縮式圓柱形金屬螺釘，從沒有同軸探針的矩形雙模諧振腔的背面插入。兩個金屬螺釘分別插入在背面上的c點(坐標為：x＝a/2，y＝b/3)以及d點(坐標為：x＝a/2，y＝2b/3)處，二者關於束流管道對稱。兩個金屬螺釘的頭部位於諧振腔外，兩個金屬螺釘的杆部插入到諧振腔內，插入深度可通過旋轉調節。加入調節式金屬微擾體的目的是不同程度地改變兩種模式的諧振頻率，使二者同時達到最佳的諧振狀態，增強輸出信號強度，提高輸出信號的信噪比。由於諧振腔與束流管道相連，且插入兩個同軸探針，易導致兩種模式的諧振頻率發生變化甚至失諧，因此通過調整諧振腔的尺寸或施加微擾，使各模式恢復最佳諧振狀態。根據矩形腔諧振頻率的計算公式，固定諧振腔長度a，改變寬度b，對tm130的諧振頻率影響較大，而對tm310的諧振頻率影響較小。但是單獨調節諧振腔尺寸難以使兩種模式實現同時恢復最佳諧振狀態，通過加入調節式金屬微擾體進行調諧。根據微擾法原理，細小金屬在諧振腔內對諧振頻率產生的影響與微擾體所處位置的電磁場強度有關。tm130模式在諧振腔背面的c、d兩點處的電場強度均為0，磁場最大，而tm310模式在c、d兩點的電場磁場強度都很大。調節金屬螺釘的插入深度l可以明顯改變tm310的諧振頻率，但對tm130的頻率影響較小可見，tm310和tm130兩種模式對於參數b和l的敏感性不同，聯合b和l進行優化，就能夠實現兩種模式同時恢復諧振。利用仿真軟體得到的tm310和tm130兩種模式分別處於諧振狀態時對應的尺寸參數b和l，並做出兩條曲線，如圖10所示。從圖10中可以看出，tm310模式對參數l敏感，tm130模式對參數b敏感。兩條曲線交點所對應的l和b就是使兩種模式同時諧振的尺寸。此時，利用仿真軟體在l＝6.5mm，b＝58.68mm附近進行參數掃描確定最優值，得到最優值l＝6.530mm，b＝58.675mm。最終使用的諧振腔尺寸參數如表2。表2為用於紅外自由電子雷射束團長度測量的諧振腔尺寸參數項目圖上標註尺寸諧振腔長度a341.80mm諧振腔寬b58.68mm諧振腔厚c23.00mm調節式金屬微擾體直徑φ1.00mm調節式金屬微擾體插入深度l6.53mm圖10是用頻譜儀得到的第一同軸探針的輸出信號，圖11是用頻譜儀得到的第二同軸探針的輸出信號。可見二者均有較高的信噪比。當一個宏脈衝(6000個重複頻率為0.476ghz的束團)經過該裝置時，可以得到束團長度的測量結果。圖10是用頻譜儀得到的第一同軸探針3的輸出信號，圖11是用頻譜儀得到的第二同軸探針4的輸出信號。可見二者均有較高的信噪比。測得第一同軸探針3和第二同軸探針4的輸出功率，並帶入束團長度計算公式，求解即得到束團長度，整個數據處理和計算過程由後端電子學模塊實現。最終得到束團長度為4.535ps，相對誤差0.78％，符合測量要求。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。當前第1頁12