一种测量粒子加速器束团纵向相位的方法与流程

本发明涉及加速器物理束流诊断领域，尤其涉及一种测量粒子加速器束团纵向相位的方法。

背景技术：

在粒子加速器中，储存环内的束团会相对于理想粒子做周期性的纵向运动，特别是在注入过程中会有明显的纵向振荡。纵向振荡会带来束流注入效率降低、能散增大等问题，因此需要对逐束团的纵向相位进行精确测量，为研究振荡及其抑制方法，提高加速器运行性能提供应用工具。

由于束团长度一般为几个ps(皮秒)，因此束团纵向相位的测量精度需要达到几十fs(飞秒)。当前逐束团纵向相位的测量方法主要有利用条纹相机和示波器两种。条纹相机通过测量逐束团电子产生的同步光进行长度测量，但其分辨率较低，约200fs，且需要进行图像分析实时性不高，同时条纹相机的价格也比较昂贵；也可利用高速采集(采样率达几十GHz)示波器采样储存环上纽扣电极信号，由示波器CPU进行数据分析，但高速率示波器的采样位数较低(一般为八位)，且由于数据量较大，响应时间较长(10秒左右)，同时高性能示波器的价格非常昂贵。在FEL(自由电子激光装置)中采用的电光采样法测量束流到达时间，精度可达到几十fs。该方法利用与FEL定时同步的短脉冲激光信号与待测位置的腔式探头输出的电信号进行调制，输出调制光的信号强度与束流到达时的相位有关，通过检测调制后的激光信号强度可精确测量束流到达时间。该方法利用的腔式探头在电子储存环上无法使用，且需要激光器，设备成本较高。

为了解决上述问题，期望获得一种测量粒子加速器束团纵向相位的方法，该方法可精确测量粒子加速器中束团的纵向相位，测量分辨率可达几十fs，从而为研究束团振荡及其抑制方法、提高加速器运行性能提供有效的应用工具。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测量粒子加速器束团纵向相位的方法，该方法可精确测量粒子加速器中束团的纵向相位，测量分辨率可达几十fs，从而为研究束团振荡及其抑制方法、提高加速器运行性能提供有效的应用工具。

根据上述发明目的，本发明提出了一种测量粒子加速器束团纵向相位的方法，所述粒子加速器包括粒子储存环，所述方法包括以下步骤：

(1)从粒子储存环上引出同步光，生成相应的同步光信号；从粒子储存环上引出高频时钟信号；

(2)采用所述高频时钟信号对所述同步光信号进行调制，输出调制光信号；

(3)将所述调制光信号转换成相应的电信号；

(4)采用所述高频时钟信号作为采样时钟对所述电信号进行采样，基于采样后的电信号幅度获得所述束团纵向相位。

本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法，其直接利用粒子储存环上的同步光生成同步光信号，不需要提供额外的超短激光设备，同时直接使用粒子储存环上的高频时钟信号作为调整信号，也不需要额外的束流探测设备(如纽扣电极)，并且可达到几十fs的束团的纵向相位测量分辨率，因此相较于束流到达时间测量中采用的电光采样方法成本更低，同时也更加简洁、可靠。

本发明方案中，步骤(2)使得所述调制光信号的各幅度与所述高频时钟信号的各周期之间具有对应性，而步骤(3)和步骤(4)可以获得该对应性，从而获得所述束团纵向相位。

进一步地，本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，所述步骤(1)中，从粒子储存环上的二极磁铁处引出同步光。

进一步地，本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，所述步骤(1)中，将所述同步光转换为可见光得到所述同步光信号。

进一步地，本发明所述或上述任一测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，所述步骤(1)中，利用同步光诊断线引出同步光并生成相应的同步光信号。

上述方案中，通常储存环上具有所述光学诊断线，因此可直接利用储存环上的光学诊断线提供所述同步光信号。

进一步地，本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，所述高频时钟信号的频率为499.654MHz。

进一步地，本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，所述步骤(2)中，采用电光调制器进行所述调制。

进一步地，本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，所述步骤(3)中，采用光电转换器进行所述转换。

进一步地，本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，所述步骤(3)和步骤(4)中，所述电信号为电压信号。

进一步地，本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，所述步骤(4)中，采用模数转换器(ADC)进行所述采样。

进一步地，上述测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，所述模数转换器的带宽大于500MHz。

本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法具有以下优点和有益效果：

(1)直接利用粒子储存环上的同步光生成同步光信号，不需要提供额外的超短激光设备。

(2)直接使用粒子储存环上的高频时钟信号作为调整信号，不需要额外的束流探测设备(如纽扣电极)。

(3)可达到几十fs的束团的纵向相位测量分辨率。

(4)相较于束流到达时间测量中采用的电光采样方法成本更低，同时也更加简洁、可靠。

附图说明

图1为本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法的流程图。

图2为本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法的原理图。

图3为图2中的调制原理图。

图4为图2中的采样原理图。

图5为本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位方法在一种实施方式下的流程图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法做进一步的详细说明。

图1显示了本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法的流程，图2显示了本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法的原理，图3和图4分别示意了图2中的调制原理和采样原理。

如图1所示，结合参考图2-图4，本发明所述的测量粒子加速器束团纵向相位的方法中，粒子加速器包括粒子储存环，该方法包括步骤：

(1)从粒子储存环1上引出同步光，生成相应的同步光信号A；从粒子储存环1上引出高频时钟信号B；

(2)采用高频时钟信号B对同步光信号A进行调制，输出调制光信号C；

(3)将调制光信号C转换成相应的电信号D(见图4)；

(4)采用高频时钟信号B作为采样时钟对电信号D进行采样，基于采样后的电信号D幅度获得上述束团纵向相位。

上述方案中，步骤(2)使得调制光信号C的各幅度(如图2中示例的C1、C2和C3)与高频时钟信号B的各周期(如图2-图4中示例的B1、B2和B3)之间具有对应性。而步骤(3)和步骤(4)可以获得该对应性，从而获得上述束团纵向相位。具体来说，如图3所示，步骤(2)采用具有若干周期(如图2-图4中示例的B1、B2和B3)的高频时钟信号B对同步光信号A进行调制，输出调制光信号C(见图2)，因此，调制光信号C的各幅度(如图2中示例的C1、C2和C3)与高频时钟信号B的各周期(如图2-图4中示例的B1、B2和B3)之间具有对应性。之后步骤(3)将调制光信号C转换成相应的电信号D。如图4所示，步骤(4)采用高频时钟信号B作为采样时钟对电信号D进行采样，因此，采样后的电信号D的各幅度(如图4中示例的D1、D2和D3)与高频时钟信号B的各周期(如图2-图4中示例的B1、B2和B3)之间具有对应性。由于高频时钟信号B的各周期(如图2-图4中示例的B1、B2和B3)对应的相位是已知的，同时可以基于采样后的电信号D的各幅度(如图4中示例的D1、D2和D3)计算同步光信号A的相位与高频时钟信号B的各周期之间的相位差，从而可以获得同步光信号A的相位，即上述束团纵向相位。

在某些实施方式中，在步骤(1)中，从粒子储存环上的二极磁铁处引出同步光。

在某些实施方式中，在步骤(1)中，将同步光转换为可见光得到同步光信号A。

在某些实施方式中，在步骤(1)中，利用同步光诊断线5引出同步光并生成相应的同步光信号A。

在某些实施方式中，高频时钟信号B的频率为499.654MHz。

在某些实施方式中，在步骤(2)中，采用电光调制器2进行调制。

在某些实施方式中，在步骤(3)中，采用光电转换器3进行转换。

在某些实施方式中，在步骤(3)和步骤(4)中，电信号D为电压信号。

在某些实施方式中，在步骤(4)中，采用模数转换器4进行采样。其中，模数转换器4的带宽大于500MHz。

下面给出本发明的一个具体实施例。图5示意了该实施例的流程。

如图5所示，结合参考图2-图4，该实施例的测量粒子加速器束流纵向相位的方法包括以下步骤：

步骤110：利用现有同步光诊断线5从粒子储存环1二极磁铁处引出同步光并转换成可见光得到同步光信号A；

步骤120：将粒子储存环1的高频时钟信号B(其频率约为499.654MHz)通过电缆引出，分成两路，一路用于与步骤110产生的同步光信号A进行调制，另一路作为采样时钟；

步骤130：将步骤110与步骤120中获得的同步光信号A、高频时钟信号B在电光调制器2中进行调制，输出调制光信号C；

步骤140：将步骤130输出的调制光信号C利用光电转换器3转换成电信号D，该电信号D为电压信号；

步骤150：利用步骤120中的高频时钟信号B作为模数转换器4的采样时钟对步骤140输出的电信号D进行数字化同步采样，模数转换器4的采样率达到500MHz以上，带宽大于500MHz，采样位数为14位，根据采样后的电信号D幅度获得束团纵向相位。

电光采样法是一种已有的信号检测方法，用于束流到达时间测量，精度达到几十fs，但该方法采用腔式探头拾取束流信号无法用于环形加速器，且需要使用激光器进行调制，设备价格高。而本发明直接利用粒子储存环现有的光学诊断线信号作为同步光信号，不需要提供额外的超短激光设备，同时直接使用高频时钟信号作为参考电信号，也不需要额外的束流探测设备(如纽扣电极)，因此相较于束流到达时间测量中采用的电光采样方法，使用的设备成本更低，同时也更加简洁、可靠。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。