技术领域本申请涉及加速器射频谐振腔的检测与控制领域，特别是涉及一种检测加速器射频谐振腔失谐频率的方法。
背景技术：
加速器是一种使带电粒子增加速度的装置，在国家重大科技基础设施项目中国散裂中子源中，加速器的分为直线加速器和环形加速器，直线加速器将质子束流加速到80Mev，环形加速器将质子束流加速到1.6Gev，然后通过束流引出系统将质子束流引出，引出的束流轰击重金属钨靶，获得中子，中子作为探针检测各种材料的微观结构。加速器的主体就是射频谐振腔，功率传输系统将RF功率送到射频谐振腔中后，在射频谐振腔中形成稳定的加速电场，带电粒子，如质子等，通过加速场后获得能量，得到加速。射频谐振腔在谐振状态下，同样的输入功率能够在其中建立起最大的加速场，一旦射频谐振腔失谐，谐振腔负载阻抗与功率传输系统的特征阻抗偏离太远，将会导致输入功率大部分被反射回去，无法在谐振腔中建立足够高的加速场，导致带电粒子没办法得到足够的能量，达不到设计要求。另外射频功率被大量反射回去以后，会造成对射频功率源系统的损害。现有的加速器射频谐振腔的谐振频率控制系统，是用于控制加速器射频谐振腔的谐振频率稳定，使其与射频功率源的输出频率一致，该谐振频率控制系统主要是通过入射波和加速器射频谐振腔腔场信号的相位差作为判断腔体是否失谐的依据，是一种间接判断谐振腔是否失谐的手段，无法直接得到加速器射频谐振腔的失谐频率，因此，无法准确的判断加速器射频谐振腔的失谐程度，也就无法准确的采用相应的谐振频率控制方案。
技术实现要素：
本申请的目的是提供一种全新的检测加速器射频谐振腔失谐频率的方法。本申请采用了以下技术方案：本申请公开了一种检测加速器射频谐振腔失谐频率的方法，包括利用定向耦合器采样得到加速器射频谐振腔的射频功率馈送系统中的入射波和反射波，然后通过IQ解调获得两路信号的幅度和相位参考值，通过公式一计算加速器射频谐振腔的阻抗，再通过公式二计算获得加速器射频谐振腔的失谐频率；公式一：公式二：ω-ω0=Δω=-ω2Q0YLiYLr=2π×ΔH]]>其中，ZL为加速器射频谐振腔阻抗，为负载阻抗的电压值，为负载阻抗的电流值，Z0为功率传输系统的特征阻抗，为Z1位置处入射波的电压值，为Z2位置处反射波的电压值，e是复数的指数形式表示方式中自然对数的底数，γ(Z1-L)代表了沿Z轴负方向传播的波从Z1点到负载端的相位差，-γ(Z2-L)代表沿Z轴正方面传播的波从Z2点到负载端的相位差，γ为复传播常数；ω为射频功率源输出信号角频率，ω0为加速器射频谐振腔的固有振荡角频率；△ω为加速腔的失谐频率，也就是射频功率源输出信号角频率与加速腔的固有振荡频率之间的频率差，Q0为加速腔的无载品质因子，YL表示负载导纳，负载导纳YL是加速器射频谐振腔阻抗ZL的倒数，YLi为负载导纳YL的虚部，YLr为负载导纳YL的实部，π为圆周率，ΔH为失谐频率；并且，YL、ZL、YLi和YLr满足公式三，公式三：1ZL=YL=YLr+jYLi]]>其中，j代表复数的虚数单位，是-1的平方根。需要说明的是，通过本申请的方法，可以准确的计算出失谐频率的值，与现有的通过腔场波形与入射波的相位差，或者通过反射功率大小，间接的判断失谐频率或系统是否处于失谐状态相比，本申请的方法更为简单直接，且更为准确。优选的，利用定向耦合器采样得到加速器射频谐振腔的射频功率馈送系统中的入射波和反射波，具体为，采用至少两个串联的定向耦合器，一个定向耦合器用于耦合入射信号，一个定向耦合器用于耦合反射信号，将耦合的入射信号和反射信号输送到模拟下变频中，分别得到入射信号和反射信号的中频信号，中频信号输送到AD采样芯片中进行四倍频数字正交采样，即I、Q采样，得到入射信号和反射信号的I、Q值。需要说明的是，本申请的重点之一在于获取入射波和反射波的信号，可以理解，采用定向耦合器分别耦合反射信号和入射信号只是其中一种实现方式，现有技术中其它可以实现类似功能的器件也可以用于本申请。但是，本申请的优选方式中，考虑到实现难易程度、成本以及检测准确性等因素，优选采用两个串联的定向耦合器分别实现反射信号和入射信号的耦合。还需要说明的是，本申请的另外一个重点在于，通过IQ解调获得两路信号的幅度和相位参考值，可以理解，在定向耦合器分别耦合反射信号和入射信号，可以采用常规的方式采样I、Q值；但是，本申请优选的方案中，采用了模拟下变频对定向耦合器的信号进行处理获得中频信号，然后采用AD采样芯片采样I、Q值。优选的，通过IQ解调获得两路信号的幅度和相位参考值，具体为，将采样的I、Q值输送到FPGA芯片中进行IQ解调，获得入射波和反射波的幅度和相位参考值。需要说明的是，IQ解调可以采用现有的解调方式进行，FPGA芯片只是本申请的一种优选实现方式。优选的，至少两个串联的定向耦合器中，定向耦合器的正反向的耦合系数保持一致，并且，定向耦合器到AD采样芯片的输送通道保持严格对称。需要说明的是，为了求得准确的负载阻抗，需要准确的测量射频功率馈送系统中入射波和反射波的幅度和相位信息，为此必须要尽量减少测量误差，因此，定向耦合器的正反向的耦合系数保持一致，并且，定向耦合器到AD采样芯片的输送通道保持严格对称。优选的，通过公式一计算加速器射频谐振腔的阻抗，再通过公式二计算获得加速器射频谐振腔的失谐频率，可以在工控机中进行计算，工控机通过计算后直接输出失谐频率。需要说明的是，为了进一步简便的获得失谐频率，可以理解，根据现有的计算机技术，任何公式都可以在工控机中实现，因此，本申请优选的实现方式中，将计算加速器射频谐振腔阻抗的公式一和计算加速器射频谐振腔失谐频率的公式二通过工控机实现自动计算，并输出所需的阻抗和失谐频率数值。本申请的另一面公开了一种检测加速器射频谐振腔失谐频率的装置，该装置包括IQ采样组件、IQ解调芯片和工控机，IQ采样组件和IQ解调芯片之间通过信号连接，IQ解调芯片和工控机之间通过信号连接；IQ采样组件包括信号连接的定向耦合器组、模拟下变频和AD采样芯片；定向耦合器组，由两个串联的定向耦合器构成，一个定向耦合器用于耦合入射信号，另一个定向耦合器用于耦合反射信号；模拟下变频用于对定向耦合器组耦合的入射信号和反射信号进行下变频处理，分别获得入射信号和反射信号的中频信号；AD采样芯片用于对中频信号进行四倍频数字正交采样，获得入射信号和反射信号的I、Q值；IQ解调芯片为FPGA芯片，用于对AD采样芯片获得的I、Q值进行IQ解调，获得入射波和反射波的幅度和相位参考值；工控机根据IQ解调芯片获得的幅度和相位参考值，通过公式一计算加速器射频谐振腔的阻抗，通过公式二计算加速器射频谐振腔的失谐频率；公式一：公式二：ω-ω0=Δω=-ω2Q0YLiYLr=2π×ΔH]]>其中，ZL为加速器射频谐振腔阻抗，为负载阻抗的电压值，为负载阻抗的电流值，Z0为功率传输系统的特征阻抗，为Z1位置处入射波的电压值，为Z2位置处反射波的电压值，e是复数的指数形式表示方式中自然对数的底数，γ(Z1-L)代表了沿Z轴负方向传播的波从Z1点到负载端的相位差，-γ(Z2-L)代表沿Z轴正方面传播的波从Z2点到负载端的相位差，γ为复传播常数；ω为射频功率源输出信号角频率，ω0为加速器射频谐振腔的固有振荡角频率；△ω为加速腔的失谐频率，也就是射频功率源输出信号角频率与加速腔的固有振荡频率之间的频率差，Q0为加速腔的无载品质因子，YL表示负载导纳，负载导纳YL是加速器射频谐振腔阻抗ZL的倒数，YLi为负载导纳YL的虚部，YLr为负载导纳YL的实部，π为圆周率，ΔH为失谐频率；并且，YL、ZL、YLi和YLr满足公式三，公式三：1ZL=YL=YLr+jYLi]]>其中，j代表复数的虚数单位，是-1的平方根。需要说明的是，本申请的装置，其各组件组合在一起实现了对失谐频率的准确计算。可以理解，IQ采样组件、IQ解调芯片和工控机，甚至IQ采样组件的定向耦合器组、模拟下变频和AD采样芯片等，彼此之间都是通过信号连接，或者射频电缆连接，在最简易的情况下，各个组件可以是独立存在的；但是，为了方便使用，也可以将各个组件整合到一个容器或框架内组成一个整体机组装置，又或者将IQ采样组件整合为一个机组，IQ解调芯片和工控机作为另一个机组，以便远程操作；这些可以根据具体使用情况或需求而定，在此不做具体限定。本申请的有益效果在于：本申请的检测方法，能够准确的获得失谐频率从而判断系统的失谐状态，与现有的间接判断失谐状态的方式相比，更为直观有效。并且，采用IQ解调的方式，实现了对入射波、反射波的幅度和相位的准确测量，增加了测量精度；能够准确的获知失谐程度，以便于针对不同的失谐程度调整谐振频率控制方案。附图说明图1是本申请实施例中正弦波在I，Q复空间内的复矢量表示图；图2是本申请实施例中AD采样芯片四倍频采样中频信号的示意图；图3是本申请实施例中射频功率源功率馈送系统原理图；图4是本申请实施例中324MHz模拟射频谐振腔的结构示意图；图5是本申请实施例中324MHz模拟射频谐振腔另一视角的结构示意图；图6是本申请实施例中模拟谐振腔Q0值测试结果图；图7是本申请实施例中双端口定向耦合器的示意图，A端为射频信号输入口，B端为射频信号输出口，C端为反射波耦合口，D端为入射波耦合口；图8是本申请实施例中FPGA芯片的内部数字信号处理算法示意图。具体实施方式本申请的主要目的是计算加速器射频谐振腔的阻抗和失谐频率。本申请的方法具体利用了定向耦合器采样得到射频功率馈送系统中传输的入射波和反射波，然后通过数字IQ解调的方式得到两路信号的幅度和相位参考值，利用两路信号的幅度和相位参考值，计算加速器射频谐振腔的阻抗，然后通过阻抗值与加速器射频谐振腔失谐频率之间的关系，求得加速器射频谐振腔的失谐频率。本申请的方法可以准确的计算得到加速器射频谐振腔的失谐频率值，该失谐频率值可以做为射频谐振腔失谐频率控制系统的参考依据，实现对射频谐振腔谐振频率的闭环控制。并且，本申请的方法对于加速器射频低电平控制系统是处于闭环控制状态还是开环控制状态无关。需要说明的是，本申请的检测方法能够直接测量谐振腔的失谐频率，更为直观，便于操作人员判断谐振腔的失谐程度，进而采取不同的谐振频率控制方案。另外，通过直接测量腔体的失谐频率的值，可以用于加速器射频谐振腔在老练阶段的自动变频过程中。在加速器射频谐振腔老练阶段，当通过本申请的检测方法测得谐振腔的失谐频率值以后，就可以直接更改射频功率源的输出频率，使其与谐振腔当时的固有振荡频率一致，使射频功率可以更快的馈入到谐振腔中，减少腔体老练的时间。下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。实施例本例提出了一种新的检测加速器射频谐振腔的失谐频率的方法。该方法是利用定向耦合器提取射频功率馈送系统中传输的入射波和反射波，然后计算得到两个波形的幅度和相位参考值，将入射波、反射波的幅度和相位参考值代入负载阻抗的计算公式，求得射频谐振腔的阻抗值，利用射频谐振腔的负载阻抗与腔体失谐频率之间的关系计算得到射频谐振腔的失谐频率值，下面将详细的描述本例的方法的技术方案。本例采用定向耦合器组、模拟下变频和AD采样芯片完成I、Q采样，然后在FPGA中进行IQ解调，获得入射波和反射波的幅度和相位参考值，再进行后续的阻抗和失谐频率计算。在进行I、Q采样时，由于AD采样芯片最大采样频率的限制，因此需要将定向耦合器耦合的入射波和反射波信号经过模拟下变频，得到两个信号的中频信号，模拟下变频的过程如下：耦合信号：其中，VRF代表入射波或者反射波通过定向耦合器耦合出来的信号，代表信号的幅度，t代表时间，ωRF代表入射波或者反射波信号振荡角频率，代表入射波或者反射波信号的初始相位。本振信号：其中，VLO代表本振信号，代表本振信号的幅度，t代表时间，ωLO代表本振信号振荡角频率，代表本振信号的初始相位。两者混频后：经过模拟下变频的低通滤波后，滤掉混频公式中的高频成份，剩下中频信号VIF：其中，VIF代表中频信号，代表中频信号的幅度，并且t代表时间，ωIF代表中频信号振荡角频率，并且ωIF＝ωLO-ωRF，代表中频信号的初始相位，并且由于本振信号VLO的幅度和相位是固定的，所以中频信号VIF就包含了定向耦合器耦合信号VRF的振幅和相位信息。本例用一个I,Q复空间内的一个复矢量来表示一个正弦波其中，A为正弦波的幅度，ω代表正弦波的振荡角频率，t代表时间，代表正弦波的初始相位。如图1所示，其中正弦波的振幅就是复矢量的模，正弦波的相位就是复矢量在I，Q复空间内的相位角，复矢量在I轴上的投影是正弦波在复空间内的I分量，Q轴上的投影是正弦波在复空间内的Q分量。将经过模拟下变频后得到的两路波形的中频信号VIF送入AD采样芯片进行四倍频数字正交采样，即I，Q采样，得到两个信号的数字I，Q值。假设其中一路的中频信号为：按图2所示，分别在正弦波的t0、t1、t2、t3时刻采样。在t0时刻，中频信号的采样值为：在t1时刻，采样值为在t2时刻，采样值为在t3时刻，采样值为则中频信号的幅度A=I2+Q2,]]>相位其中，A是信号的幅度，t代表时间，t0、t1、t2、t3分别代表四个不同采样时间点，因为采样时钟频率是被采信号频率的四倍，因此对于被采信号，每个采样间隔之间的相位差是90度。I代表在复矢量空间中，正弦波的矢量在横轴上的投影。Q代表在复矢量空间中，正弦波的矢量在纵轴上的投影。这样就可以计算得到两路中频信号的幅度和相位参考值。当通过FPGA芯片进行IQ解调得到入射波和反射波的幅度和相位的参考值以后，就可以通过射频谐振腔的阻抗计算公式，求得射频谐振腔的阻抗ZL。如图3所示，假设Vg为射频功率源的输出，Z0为波导的特征阻抗，射频谐振腔负载阻抗为ZL，根据微波工程原理可以得到Z＝L处的谐振腔的阻抗ZL，即射频谐振腔负载阻抗ZL：即公式一，其中，Z1和Z2为0到L之间任取的两点，为负载阻抗的电压值，为负载阻抗的电流值，Z0为功率传输系统的特征阻抗，为Z1点处入射波的矢量参考值，即Z1位置处入射波的电压值，其中包含入射波的幅度和相位的参考值，为Z2点处反射波的矢量参考值，即Z2位置处反射波的电压值，其中包含反射波的幅度和相位的参考值，γ为复传播常数，于是得到：YL=1/ZL=YLr+jYLi]]>其中，YL表示负载导纳，负载导纳YL是加速器射频谐振腔阻抗ZL的倒数，YLi为负载导纳YL的虚部，YLr为负载导纳YL的实部，j代表复数的虚数单位，是-1的平方根；将射频谐振腔腔体负载看成一个并联的RLC电路，可以得到：YL=1R[1+jQ0(ωω0-ω0ω)]]]>其中，R代表加速器射频谐振腔负载所等效的并联RLC电路中的电阻分量；Q0代表加速器射频谐振腔的无载Q值，即加速腔的无载品质因子；ω代表加速器射频谐振腔的功率源输出射频信号的角频率，即射频功率源输出信号角频率；ω0代表加速器射频谐振腔的固有振荡角频率；j代表复数的虚数单位，是-1的平方根；当Q0>>0,|ω-ω0|ω0<<1]]>时，ω-ω0=Δω=-ω2Q0YLiYLr.]]>Δω代表加速器射频谐振腔的固有振荡角频率与射频功率源输出信号角频率直接的频率差，即加速器射频谐振腔的失谐角频率。失谐角频率Δω与失谐频率ΔH之间的关系为2π×ΔH＝Δω。需要注意的是，由射频谐振腔负载阻抗ZL的计算公式，即公式一，可知，若想求得负载阻抗，需要准确的测量射频功率馈送系统中入射波和反射波的幅度和相位信息，为了尽量减少测量误差，定向耦合器的正反向的耦合系数必须保持一致，两路信号的采样通道，即由定向耦合器到AD采样芯片的输入端口，必须保持严格对称，另外需要校准从定向耦合器信号提取位置到射频谐振腔之间的相位差。为了测试本例的检测方法，本例采用一个模拟的射频谐振腔进行验证，其中射频谐振腔的中心谐振频率设计在324MHz，模拟射频谐振腔的结构如图4和图5所示，模拟谐振腔有四个主要的部分所组成，底托1、底板2、谐振腔主体3和谐振频率调节杆4；底托1为四个铝制圆杆，支撑着整个谐振腔；谐振腔主体3，即底托1上方的铜制圆柱体；在底托1和谐振腔主体3之间为底板2，谐振腔主体3笼罩固定在底板2上，在底板2上，有两个SMA接口，其中一个是射频功率输入馈送端口，另一个是射频腔场的pick-up采样端口；谐振频率调节杆4设置在谐振腔主体1的顶部上盖上，共有两个谐振频率调节杆，其中一个是用于谐振频率粗调，用于粗略调节谐振腔的谐振频率，另一个是用于谐振频率精细调节。谐振腔的底托1与谐振腔主体3通过螺杆连接在一起，两个谐振频率调节杆4伸入到谐振腔主体3内部，通过外部的两根螺纹杆调节谐振频率调节杆4伸入到谐振腔主体3中的长度，改变谐振腔的内部结构，从而改变谐振腔的谐振频率。通过图6中1,2,3,4四个点可以求得模拟谐振腔两个功率耦合口的耦合系数，并通过耦合系统及有载Q值可以推算出模拟谐振腔的无载Q值，即Q0代表加速器射频谐振腔的无载Q值，用于公式：中。其中，标记为4的点用于测量第一个耦合口的耦合系数2.32，标记为1的点用于测量第二个耦合口的耦合系数1.59。为了采用本例的设计方案计算得到射频谐振腔的失谐频率，首先需要测试得到腔体的Q0值。该射频谐振腔的Q0值通过矢量网络分析仪测试得到，具体的，先通过矢量网络分析仪测试腔体的有载QL值，测试结果如图6所示，QL＝2584.9，两个端口的耦合度β1和β2分别为3.32和1.59，通过公式Q0＝QL*(1/β1+1/β2)计算得到腔体Q0值为5326。图6中，横坐标是频谱仪的扫频范围，从323.901MHz扫频到324.101MHz；纵坐标是信号的功率大小。本例的模拟谐振腔上有一个输入端口和一个输出端口；图6中，S21曲线表示测量S21的值，S11曲线表示测量S11的值，S22曲线表示测量S22的值，在本例中，我们只需要关心图中的三个值：Q值，即有载Q值2587.1；S11曲线的1点，值为2.32；S22曲线的1点，值为1.59，利用这三个值计算出模拟谐振腔的无载Q值，即Q0值。RF激励信号的信号幅度7dBm，频率324MHz，该信号通过射频电缆，送入到两个串联起来的定向耦合器中，定向耦合器选用NARDA公司生产的CoaxialDirectionalCoupler，型号为Narda3000-10，耦合度为-10dBm，其中一个定向耦合器耦合出来入射信号，另一个定向耦合器耦合出来反射信号，定向耦合器的连接如图7所示，图7中A端为射频信号输入口，B端为射频信号输出口，C端为反射波耦合口，D端为入射波耦合口。然后将定向耦合器耦合的两路信号送入到模拟下变频中，得到用于采样中频信号。两路中频信号送入AD采样芯片中进行四倍频的数字正交采样，然后将采样数据送入到FPGA芯片中，在FPGA芯片中进行数字IQ解调，然后通过解调出来的IQ信号计算得到两个波形的幅度和相位，FPGA芯片内部的数字信号处理算法如图8所示。图8中，入射波即图中正向信号，和反射波即图中反向信号，送入到AD采样芯片中，采样频率为信号频率的4倍，然后将AD采样得到数字信号送入到FPGA中，在FPGA中对AD采样的数字量进行解码,解码后产生I,Q序列,然后再进行旋转矩阵和去直流的运算，得到所采样的入射波和反射波的I,Q值，然后根据幅度公式相位公式可以分别计算出入射波和反射波的幅度和相位信息，在根据射频腔阻抗计算公式和失谐频率计算公式，可以求得射频谐振腔的失谐频率。在FPGA芯片中，由数字IQ解调方法得到的入射波和反射波的幅度和相位信息，然后根据公式一计算出阻抗ZL，通过公式二计算出失谐频率。本例具体的，将IQ解调得到的入射波和反射波的幅度和相位信息通过以太网送入到工控机中，在工控机中运行公式一和公式二，完成失谐频率的计算，计算结果如表1所示。为了验证本例检测方法的准确性，本例还采用网络分析仪直接测试射频谐振腔的失谐频率，测试结果如表1所示。需要说明的是，网络分析仪只能测试冷腔的情况，也就是没有加射频功率的情况，通常用于对离线测试结果进行分析，而不能实时的进行在线测试。而本例的检测加速器射频谐振腔失谐频率的方法，可以在线测试加速腔的失谐频率，也就是在射频功率送到射频腔以后，直接通过入射波和反射波来测试加速腔的失谐频率，可以集成到射频功率源系统中，用于进行在线分析，或者用于加速器调谐系统中，对加速器射频谐振腔进行实时调谐。表1失谐频率测试结果本例方法检测的失谐频率(Hz)网络分析仪测试的失谐频率(Hz)-51180-50000-44356-43000-41106-41000-38979-39000-32205-34500-28579-30000-24711-25500-20375-22500-16226-18000-12230-13500-9408-10500-5481-4500-2211-1500-1112-125026563000581255008-->83088500103771100013101145001545816500179571950021072225002508826500280402850032019330003644938500403114100043262455004741347000516945100057445560005964357000两种方法的测试结果显示，在射频谐振腔不同的失谐状态下所测得的失谐频率值吻合，误差在3KHz以内，相对于324MHz的射频信号，测量精度达到0.009‰。可见，本例的检测加速器射频谐振腔的失谐频率的方法能够准确的检测射频谐振腔的失谐频率。以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。