一种基于单谐振腔的束团长度测量装置及方法与流程

本发明涉及直线加速器束流测量与诊断领域，特别涉及一种矩形双模谐振腔式束团长度测量装置及方法。
背景技术：
：目前，直线加速器束团长度的测量方法很多，其中，对于高品质束流源来说，基于谐振腔的束团长度测量方法实现相对方便，适用范围较广，且能够提供较大幅度和较高信噪比的信号，是较有潜力的束团长度测量手段。当束流经过谐振腔时，将在谐振腔内部激励起本征模式。其中某一个模式的功率表达式可以表示为：其中，i为谐波电流流强，r为该模式的分路阻抗，i0为基波流强，ω是该模式的工作频率，στ为束团长度。p和r均由实测得到。由于式中存在基波流强i0和束团长度στ两个未知量，故而目前的谐振腔式束团长度测量系统至少要由两个不同工作频率ω的谐振腔组成，联立两腔输出功率的方程才能求解出束团长度。但是，两个谐振腔占用较大空间，使得测量系统的复杂程度很高，同时两腔的电磁场之间互相耦合干扰，降低了系统信噪比。本发明在国家自然科学基金面上项目11575181、国家自然科学基金面上项目11375178、国家重点研发计划项目“x射线自由电子激光原理和关键技术研究”2016yfa0401900和“xfel关键技术研究”课题2016yfa0401903、中央高校基本科研业务费专项资金wk2310000046支持下开展了相应研究。技术实现要素：基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于单谐振腔的束团长度测量装置及方法，其紧凑简单且信噪比高，克服现有的束团长度测量装置中两个谐振腔占用较大空间，系统复杂程度高，以及两腔信号互相耦合干扰导致信噪比下降的问题。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明实施方式提供一种基于单谐振腔的束团长度测量装置，包括：矩形双模谐振腔，设在该束流管道上，该矩形双模谐振腔的腔体内与束流管道连通，能同时产生tmn10模式和tm1n0模式的谐振信号，其中n为奇数；两个同轴探针，插设在所述矩形双模谐振腔上，能将该矩形双模谐振腔内不同频率的电磁场信号互不干扰地耦合输出；调节式金属微扰体，插设在所述矩形双模谐振腔上，能微调该矩形双模谐振腔的谐振频率。本发明实施方式还提供一种基于单谐振腔的束团长度测量方法，采用本发明所述的基于单谐振腔的束团长度测量装置，包括以下步骤：使带电粒子经过所述测量装置的束流管道，在所述矩形双模谐振腔内激发出tm310模式和tm130模式两种谐振模式，两种谐模式包含束团长度和束流流强信息；调整调节式金属微扰体的插入所述矩形双模谐振腔内的深度，使两种谐振模式都处于最佳的谐振状态，两种谐振模式的电磁场信号均达到最强，对两种谐振模式的两个信号分别经所述两个同轴探针互不干扰地耦合输出；测得所述两个同轴探针输出的两个信号功率，将两个信号功率分别带入两种谐振模式各自对应的功率表达式，联立两个功率方程求解即得到测量的束流流强和束团长度。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于单谐振腔的束团长度测量装置及方法，其有益效果为：通过在采用一个矩形双模谐振腔，并在其上分别设置两个同轴探针和调节式金属微扰体，使得一个矩形双模谐振腔能产生两种谐振模式，并无干扰的分别输出两种谐振模式的信号，实现了直接测量同一谐振腔的多个特征模式即可得到束团长度和束流流强，减少了所需谐振腔的数量，实现了束流诊断设备的小型化，节省了系统成本。通过两个探针不同安放位置使同一个谐振腔内两种谐振模式的信号互不干扰地耦合输出，解决了传统方法中两个谐振腔之间信号互相干扰的问题，提高了系统信噪比。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1是本发明实施例提供的针对红外自由电子激光的束团长度测量系统框图；图2是本发明实施例提供的依照矩形双模谐振腔形状建立的直角坐标系；图3a是本发明实施例提供的基于单谐振腔束团长度测量装置的三维结构示意图、图3b是本发明测量装置的正视图、图3c是本发明测量的后视图、图3d是本发明测量的俯视图、图3e是图3b中测量装置的a-a断面图、图3f是本发明测量装置的左视图、图3g是图3b中测量装置的b-b断面图；图4是本发明实施例提供的同轴探针在矩形双模谐振腔上的安放位置示意图；图5是本发明实施例提供的用仿真软件得到的矩形双模谐振腔内tm310的电场强度分布图；图6a是本发明实施例提供的矩形双模谐振腔内tm310的电场强度沿x方向分布曲线、图6b是矩形双模谐振腔内tm310的电场强度沿y方向分布曲线图7是本发明实施例提供的用仿真软件得到的矩形双模谐振腔内tm130的电场强度分布图；图8a是本发明实施例提供的矩形双模谐振腔内tm130的电场强度沿x方向分布曲线、图8b是矩形双模谐振腔内tm130的电场强度沿y方向分布曲线；图9是本发明实施例提供的调节式金属微扰体在矩形双模谐振腔上的安放位置示意图；图10本发明实施例提供的利用仿真软件得到的tm310和tm130两种模式分别处于谐振状态时对应的尺寸参数b和l的变化曲线；图11是本发明实施例提供的测量一个宏脉冲(含6000个束团)时第一同轴探针输出信号的频谱；图12是本发明实施例提供的测量一个宏脉冲(含6000个束团)时第二同轴探针输出信号的频谱。具体实施方式下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。如图1至图3g所示，本发明实施例提供一种基于单谐振腔的束团长度测量装置，是一种结构简单、信噪比较高的单谐振腔束团长度测量装置，能克服现有的束团长度测量装置中两个谐振腔占用较大空间，系统复杂程度高，以及两腔信号互相耦合干扰导致信噪比下降的问题，包括：矩形双模谐振腔，设在该束流管道上，该矩形双模谐振腔的腔体内与束流管道连通，能同时产生tmn10模式和tm1n0模式的谐振信号，其中n为奇数；能同时产生的主要谐振信号是tm310模式和tm130模式的谐振信号；两个同轴探针，插设在所述矩形双模谐振腔上，能将该矩形双模谐振腔内不同频率的电磁场信号互不干扰地耦合输出；调节式金属微扰体，插设在所述矩形双模谐振腔上，能微调该矩形双模谐振腔的谐振频率。上述测量装置中，矩形双模谐振腔的尺寸与谐振于2.856ghz的tm310模式的谐振频率和谐振于7.616ghz的tm130模式的谐振频率相匹配；所述调节式金属微扰体在所述矩形双模谐振腔的插入深度l与谐振于2.856ghz的tm310模式的谐振频率和谐振于7.616ghz的tm130模式的谐振频率相匹配。上述矩形双模谐振腔的尺寸为：谐振腔的长度a为341.80mm；谐振腔的宽度b为58.68mm；谐振腔的厚度c为23.00mm；所述调节式金属微扰体在所述矩形双模谐振腔的插入深度l为6.53mm。上述测量装置中，两个同轴探针分布设置在所述矩形双模谐振腔的正面上，分别与所述矩形双模谐振腔内连通；以束流通过所述矩形双模谐振腔的方向为+z方向，建立直角坐标系x，y，z，定义所述矩形双模谐振腔的长边长为a，宽边长为b，厚度为c；所述两个同轴探针中的第一同轴探针位于所述矩形双模谐振腔的正面上的a点处，a点在所述矩形双模谐振腔的正面上的坐标为：x＝a/2，y＝2b/3；所述两个同轴探针中的第二同轴探针位于所述矩形双模谐振腔的正面上的b点处，b点在所述矩形双模谐振腔的正面上的坐标为：x＝2a/3，y＝b/2。上述测量装置中，调节式金属微扰体为两个直径为1mm的伸缩式圆柱形金属螺钉，均设在所述矩形双模谐振腔未设置同轴探针的背面，两个金属螺钉的一端分别插入到所述矩形双模谐振腔内部，能改变两个金属螺钉插入该矩形双模谐振腔内的深度来微调该矩形双模谐振腔的谐振频率；以束流通过所述矩形双模谐振腔的方向为+z方向，建立直角坐标系x，y，z，定义所述矩形双模谐振腔的长边长为a，宽边长为b，厚度为c；所述调节式金属微扰体中的第一金属螺钉设在所述矩形双模谐振腔背面的c点处，c点在所述矩形双模谐振腔背面上的坐标为：x＝a/2，y＝b/3；所述调节式金属微扰体中的第二金属螺钉设在所述矩形双模谐振腔背面的d点处，d点在所述矩形双模谐振腔背面上的坐标为：x＝a/2，y＝2b/3)；所述调节式金属微扰体中的第一金属螺钉位置与第二金属螺钉的位置相对于所述矩形双模谐振腔背面连接的束流管道对称。上述测量装置中，两个同轴探针的输出端分别设有连接同轴电缆的sma接口。本发明实施例还提供一种基于单谐振腔的束团长度测量方法，采用上述的基于单谐振腔的束团长度测量装置，包括以下步骤：使带电粒子经过所述测量装置的束流管道，在所述矩形双模谐振腔内激发出tm310模式和tm130模式两种谐振模式，两种谐模式包含束团长度和束流流强信息；调整调节式金属微扰体的插入所述矩形双模谐振腔内的深度，使两种谐振模式都处于最佳的谐振状态，两种谐振模式的电磁场信号均达到最强，对两种谐振模式的两个信号分别经所述两个同轴探针互不干扰地耦合输出；测得所述两个同轴探针输出的两个信号功率，将两个信号功率分别带入两种谐振模式各自对应的功率表达式(与
背景技术：
中给出的功率表达式相同)，联立两个功率方程求解即得到测量的束流流强和束团长度本发明的测量装置，由于直接测量同一谐振腔的多个特征模式即可得到束团长度和束流流强，减少了所需谐振腔的数量，实现了束流诊断设备的小型化，节省了系统成本。通过不同的探针安放位置使同一个谐振腔内两种模式的信号互不干扰地耦合出来，解决了传统方法中两个谐振腔之间信号互相干扰的问题，提高了系统信噪比。例如，对于重复频率为0.476ghz长度为4.5ps的束团，用传统方法测量束团长度，需要两个不同工作频率的谐振腔：一个是工作于2.856ghz，tm010模式的圆柱谐振腔，另一个是工作于7.616ghz，tm020模式下的圆柱谐振腔。测量结果显示，两腔间隔100mm时，工作频率2.856ghz的谐振腔内会检测到来自另一谐振腔的高频率信号。而使用一个长341.80mm，宽58.68mm厚度23.00mm的矩形双模谐振腔，在这个腔内可同时产生工作于2.856ghz的tm310模式和工作于7.616ghz的tm130模式。测量结果显示，只要同轴探针的安放位置合理，两种频率的信号可以互不干扰地耦合出来。可见本发明使用单个谐振腔实现了两个谐振腔的测量功能，系统得到了简化，同时提高了信噪比。下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。本发明应用于中国科学技术大学红外自由电子激光装置，测量其束团长度。束流基本参数如表1。表1为中国科学技术大学红外自由电子激光束团参数如图1所示，整个针对红外自由电子激光的束团长度测量系统框图，包括一个可以同时产生tm310模式和tm130模式的矩形双模谐振腔、用于耦合谐振腔内信号的两个同轴探针、可以实现两路信号降频的超外差接收机和一个由高速adc、高密度fpga、高性能dsp共同搭建的基于双通道并行时间交替采样的高速数据采集处理系统。矩形双模谐振腔安装在束流管道上，矩形双模谐振腔的腔体与束流管道连通，谐振腔当中含有两段关于管道中心对称放置的调节式金属微扰体。两个同轴探针分别插入矩形双模谐振腔的特定位置，两个同轴探针的输出端分别通过sma接口和同轴电缆连接超外差接收机的rf输入端，超外差接收机的输出端接入高速数据采集处理系统。其中矩形双模谐振腔和两个同轴探针为本发明涉及的部分，用于拾取携带束团长度信息的rf信号，是系统的核心装置。超外差接收机和高速数据采集处理系统用于对两个同轴探针输出信号的采集和处理。矩形双模谐振腔安装在束流管道上，使束流通过谐振腔的中心，能在谐振腔内激起所需的电磁场。以下为了表述方便，以束流通过矩形双模谐振腔的方向为+z方向，建立直角坐标系(x，y，z)，如图2所示。定义矩形双模谐振腔的长边长为a，宽边长为b，厚度为c。图3a是整个基于单谐振腔束团长度测量装置的三维结构示意图，图3b是该测量装置的正视图，图3c是该测量装置的后视图，图3d是该测量装置的俯视图，图3e是图3b中的该测量装置的a-a断面图，图3f是该测量装置的左视图，图3g是图3b中的该测量装置的b-b断面图。矩形双模谐振腔1安装在束流管道2上，谐振腔正面插入两个同轴探针3和4，分别用于耦合并输出tm310和tm130信号，在谐振腔背面的特定位置插入两个调谐螺钉5和6作为调节式金属微扰体，用于对腔内电磁场进行微扰，改变它们的谐振频率。以下具体介绍各部分的方案及原理。根据束流参数及束团长度求解需要，首先确定谐振腔内两个不同模式的工作频率分别为2.856ghz和7.616ghz。为使tm310模式谐振于2.856ghz，tm130模式谐振于7.616ghz，利用矩形腔谐振频率的计算公式，可以得到谐振腔大致的尺寸参数。这时得到的尺寸仅是理论计算结果，最终参数需考虑腔体内的微扰情况，进一步仿真调整得到。图4是两个同轴探针插入位置的示意图。用于耦合电场信号的两个同轴探针插在谐振腔正面，第一同轴探针3插入于a点(坐标为：x＝a/2，y＝2b/3)，此处tm310电场较强，而tm130电场为0，可耦合出很大的tm310信号而不会受到tm130信号的干扰；第二同轴探针4插入于b点(坐标为：x＝2a/3，y＝b/2)，可耦合出很大的tm130信号而不会受到tm310信号的干扰。两个同轴探针这样的放置方式是根据矩形双模谐振腔内电场分布的具体情况设计的。矩形双模谐振腔内，tm310电场方程为：tm130的电场方程为：其中e310和e130为电场幅度的常数。图5是用仿真软件得到的该矩形双模谐振腔内tm310的电场强度分布图。图6a是该矩形双模谐振腔内tm310模式的电场强度沿x方向分布曲线,图6b是该矩形双模谐振腔内tm310模式的电场强度沿y方向分布曲线。图7是用仿真软件得到的该矩形双模谐振腔内tm130的电场强度分布图。图8a是该矩形双模谐振腔内tm130的电场强度沿x方向分布曲线，图8b是该矩形双模谐振腔内tm130的电场强度沿y方向分布曲线。可见，电场在各个方向均呈现出驻波分布。tm310在其电场分布的波节x＝a/3和x＝2a/3处场强恒为0，而波腹x＝a/6、x＝a/2和x＝5a/6处场强最大。同理，tm130在其电场分布的波节y＝b/3和y＝2b/3处场强恒为0，而波腹y＝b/6、y＝b/2和y＝5b/6处场强最大。根据两个同轴探针耦合信号的需要，将第一同轴探针插入于a点(坐标为：x＝a/2，y＝2b/3)，第二同轴探针插入于b点(坐标为：x＝2a/3，y＝b/2)，则可以实现两个同轴探针互不干扰且最大程度地耦合出各自所需频率的信号。图9是调节式金属微扰体安装位置示意图。调节式金属微扰体是直径1mm的伸缩式圆柱形金属螺钉，从没有同轴探针的矩形双模谐振腔的背面插入。两个金属螺钉分别插入在背面上的c点(坐标为：x＝a/2，y＝b/3)以及d点(坐标为：x＝a/2，y＝2b/3)处，二者关于束流管道对称。两个金属螺钉的头部位于谐振腔外，两个金属螺钉的杆部插入到谐振腔内，插入深度可通过旋转调节。加入调节式金属微扰体的目的是不同程度地改变两种模式的谐振频率，使二者同时达到最佳的谐振状态，增强输出信号强度，提高输出信号的信噪比。由于谐振腔与束流管道相连，且插入两个同轴探针，易导致两种模式的谐振频率发生变化甚至失谐，因此通过调整谐振腔的尺寸或施加微扰，使各模式恢复最佳谐振状态。根据矩形腔谐振频率的计算公式，固定谐振腔长度a，改变宽度b，对tm130的谐振频率影响较大，而对tm310的谐振频率影响较小。但是单独调节谐振腔尺寸难以使两种模式实现同时恢复最佳谐振状态，通过加入调节式金属微扰体进行调谐。根据微扰法原理，细小金属在谐振腔内对谐振频率产生的影响与微扰体所处位置的电磁场强度有关。tm130模式在谐振腔背面的c、d两点处的电场强度均为0，磁场最大，而tm310模式在c、d两点的电场磁场强度都很大。调节金属螺钉的插入深度l可以明显改变tm310的谐振频率，但对tm130的频率影响较小可见，tm310和tm130两种模式对于参数b和l的敏感性不同，联合b和l进行优化，就能够实现两种模式同时恢复谐振。利用仿真软件得到的tm310和tm130两种模式分别处于谐振状态时对应的尺寸参数b和l，并做出两条曲线，如图10所示。从图10中可以看出，tm310模式对参数l敏感，tm130模式对参数b敏感。两条曲线交点所对应的l和b就是使两种模式同时谐振的尺寸。此时，利用仿真软件在l＝6.5mm，b＝58.68mm附近进行参数扫描确定最优值，得到最优值l＝6.530mm，b＝58.675mm。最终使用的谐振腔尺寸参数如表2。表2为用于红外自由电子激光束团长度测量的谐振腔尺寸参数项目图上标注尺寸谐振腔长度a341.80mm谐振腔宽b58.68mm谐振腔厚c23.00mm调节式金属微扰体直径φ1.00mm调节式金属微扰体插入深度l6.53mm图10是用频谱仪得到的第一同轴探针的输出信号，图11是用频谱仪得到的第二同轴探针的输出信号。可见二者均有较高的信噪比。当一个宏脉冲(6000个重复频率为0.476ghz的束团)经过该装置时，可以得到束团长度的测量结果。图10是用频谱仪得到的第一同轴探针3的输出信号，图11是用频谱仪得到的第二同轴探针4的输出信号。可见二者均有较高的信噪比。测得第一同轴探针3和第二同轴探针4的输出功率，并带入束团长度计算公式，求解即得到束团长度，整个数据处理和计算过程由后端电子学模块实现。最终得到束团长度为4.535ps，相对误差0.78％，符合测量要求。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。当前第1页12