一种质子重离子束流纵向束团形状测量探测器的制作方法

本实用新型涉及加速器束流诊断、束流测量、纵向束团形状测量技术领域，尤其是涉及一种质子重离子束流纵向束团形状测量探测器。

背景技术：

束流诊断系统作为加速器的眼睛是其重要系统之一，通过束流诊断系统对束流参数的测量来监视束流的传输和测定加速器的性能及参数，是实现机器稳定运行和各部分之间匹配的必要手段。国内外加速器实验室都非常重视束流测试系统及其应用研究。其中，纵向束团形状是衡量束流品质的重要参数之一，通过纵向束团长度的测量，可以推算出束流的纵向发射度，验证束流的lattice，并为其他间接测量束团长度的方法(如BPM)提供验证手段(低能时BPM测不准束团长度)，而且还可以验证通过模拟计算所假设的束流纵向高斯分布等。因此，准确测量纵向束团形状可以为机器的调试和运行提供指导，为各部分之间的匹配提供可靠依据，为物理模拟计算提供验证依据。

对现有技术文献检索发现，美国橡树岭国家实验室(ORNL)散列中子源利用BPM的和信号来测量满足符合高斯分布的纵向束团长度，但具有在低能时BPM测不准纵向束团长度的缺点；德国重离子研究所(GSI)在2013年报道，利用残余气体与束流相互作用产生的二次电子被外加高压电场加速，然后通过静电能量分析仪和射频偏转系统来约束二次电子的横向和纵向方向而最终测得其束团形状，但其结构具有结构复杂，造价高等缺点；中国科学技术大学国家同步辐射实验室孙葆根等，在学术期刊《原子能科学技术》1996，30(4)，P368-371上发表的论文“用20GHz数字取样示波器测量束团长度”中，基于条带监视器的电学测量法成功测量到流强小2mA的合肥800MeV电子储存环的束团为300-800ps的FWHM，该方法主要针对电子束设计，且与BPM测量方法类似，具有在低能时测不准纵向束团长度的缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足提供一种质子重离子束流纵向束团形状测量探测器。从而有效解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：所述的一种质子重离子束流纵向束团形状测量探测器，其特点是包括探测器主体和设置在其上的微波带状线结构，所述的探测器主体包括法兰，钽铜复合板通过支撑架与法兰相连，法兰和钽铜复合板之间还设置有水冷管，所述的微波带状线结构设置在钽铜复合板内侧，微波带状线结构固定在微波带状线底板上，微波带状线结构上下分别设置有转接器，所述的微波带状线结构包括介质基板，介质基板上下分别设置有上层地和下层地，介质基板上设置有定位孔、第一金属化过孔和第二金属化过孔，带状线导带和微带线导带设置在所述介质基板上并且信号沿着所述带状线导带和微带线导带传输。

所述的法兰为双SMA转接陶瓷高真空法兰，所述的水冷管设置为两个，两个水冷管分别与钽铜复合板上下端对应相连，水从上水冷管流入，通过钽铜复合板热交换后从下水冷管流出；所述的转接器为带状线结构感应信号引出头SMA转接器，带状线结构感应信号引出头SMA转接器为带法兰座的不锈钢转接器，截止频率为18GHz，带状线结构感应信号引出头SMA转接器采用压接方式与微带线导带接触连接，实现感应微波信号由带状线结构向同轴半钢电缆转接；双SMA转接陶瓷高真空法兰实现束流与微波带状线结构感应的微波信号由真空管道内向真空管道外有效引出，同时也实现水冷管输入输出水路的交换，带状线结构感应信号引出头SMA转接器与后续射频电缆、宽带射频放大器及示波器相连。

所述的钽铜复合板设置在微波带状线结构正面，微波带状线底板设置在微波带状线结构背面，钽铜复合板通过定位孔与微波带状线结构固定相连，微波带状线结构上的微波带状线中心小孔与钽铜复合板的中心孔同心设置。

所述的微波带状线底板的材料为铜，介质基板采用高温AIN陶瓷，AIN陶瓷的介电常数介于8.5-8.9之间，介质基板的有效面积为30*30mm-50*50mm，高度为0.5-2.5mm；所述的微波带状线中心小孔设置在介质基板中心位置，微波带状线中心小孔直径为0.8-2.2mm，深度为介质基板高度的一半，实现束流能与带状线导带相互作用。

所述的微波带状线结构的带状线导带宽带为钨镀镍金，宽度0.2-0.6mm,厚度为0.018-0.036mm，所述的微带线导带为钨镀镍金，宽度为0.8-2.4mm，厚度为0.018-0.036mm，所述的上层地和下层地为钨镀镍金，厚度分别为0.018-0.054mm。

所述的微波带状线结构的第二金属化过孔设置为与微带线导带平行并分布在微带线导带两侧，两排第二金属化过孔之间的间距为10-16mm，孔直径为0.2-0.6mm，每排金属化过孔中孔间距为1-3mm，第二金属化过孔与上层地及下层地相连接，抑制了高次模，上层地及下层地形成的微波平行板传输模式，有利于带状线TEM传输模式；所述的微带线导带设置在介质基板两端中间，带状线导带对应微波带状线中心小孔设置在介质基板中心位置，所述的第一金属化过孔设置在微带线导带周围，第一金属化过孔与上层地及下层地相连接，所述的定位孔通过螺钉固定在微波带状线底板上。

所述的探测器主体的钽铜复合板采用电子束焊接，钽铜复合板的中心孔设置有两个大小不同的直径孔，其中与带状线微波传输结构接触侧的中心孔直径为1.4mm，外侧直径为2.5mm，目的是防止过多束流与微波带状线结构产生大量热量而影响微波带状线结构的特性阻抗，提高探测器主体部分与束流作用的耐热性。

本实用新型的有益效果是：所述的一种质子重离子束流纵向束团形状测量探测器，其通过束流与拦截式纵向束团形状测量探测器的带状线结构相互作用感应出微波信号，信号通过射频电缆引出和射频电子学处理，最终得到束流的纵向形状分布信息，其不受低能的限制，更能准确测量质子重离子束流纵向束团形状，具有结构紧凑，易于加工，易于操作控制，后续数据获取系统简单等优点，从而有效降低了成本，采用了带状线结构，有效增加探测器带宽，以提高探针的时间分辨率，同时提高探测器的抗干扰能力；采用了钽铜复合板结构和水冷结构，有效提高探头的耐热性，从而可以测量更高功率的束流；介质基板采用高温AIN陶瓷，具有较好耐辐照性能和良好加工性；导热性良好，机械性能好，抗折强度高，AIN陶瓷介电损耗小，即微波信号传输时的插损小。

附图说明：

图1是本实用新型的主体部分结构示意图；

图2是本实用新型的图1中的微波带状线结构主视结构示意图；

图3是本实用新型的图2中的俯视结构示意图；

图4是本实用新型的在线束流测试系统框图；

图5是本实用新型的总体设计路线图；

图6是本实用新型的微波带状线结构的传输系数S21加工实测图；

图7是本实用新型的微波带状线结构的传输系数S11加工实测图；

图8是本实用新型在束流能量为2.1MeV，频率为162.5MHz时纵向束团长度的模拟结果图；

图9是本实用新型在连续波束流能量为2.1MeV，频率为162.5MHz时纵向束团长度在束实测结果图。

图中所示：1.探测器主体；1-1.中心孔；1-2.钽铜复合板；1-3.水冷管；1-4.转接器；1-5.法兰；1-6.支撑架；1-7.微波带状线底板；2.微波带状线结构；2-1.介质基板；2-2.带状线导带；2-3.微带线导带；2-4.第一金属化过孔；2-5.第二金属化过孔；2-6.上层地；2-7.下层地；2-8.定位孔；2-9.微波带状线中心小孔。

具体实施方式

以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述：

如图1至5所示，所述的一种质子重离子束流纵向束团形状测量探测器，其特点是包括探测器主体1和设置在其上的微波带状线结构2，所述的探测器主体1包括法兰1-5，钽铜复合板1-2通过支撑架1-6与法兰1-5相连，法兰1-5和钽铜复合板1-2之间还设置有水冷管1-3，所述的微波带状线结构2设置在钽铜复合板1-2内侧，微波带状线结构2固定在微波带状线底板1-7上，微波带状线结构2上下分别设置有转接器1-4，所述的微波带状线结构2包括介质基板2-1，介质基板2-1上下分别设置有上层地2-6和下层地2-7，介质基板2-1上设置有定位孔2-8、第一金属化过孔2-4和第二金属化过孔2-5，带状线导带2-2和微带线导带2-3设置在所述介质基板2-1上并且信号沿着所述带状线导带2-2和微带线导带2-3传输。

所述的法兰1-5为双SMA转接陶瓷高真空法兰，所述的水冷管1-3设置为两个，两个水冷管分别与钽铜复合板1-2上下端对应相连，水从上水冷管流入，通过钽铜复合板1-2热交换后从下水冷管流出；所述的转接器1-4为带状线结构感应信号引出头SMA转接器，带状线结构感应信号引出头SMA转接器为带法兰座的不锈钢转接器，截止频率为18GHz，带状线结构感应信号引出头SMA转接器采用压接方式与微带线导带2-3接触连接，实现感应微波信号由带状线结构向同轴半钢电缆转接；双SMA转接陶瓷高真空法兰实现束流与微波带状线结构感应的微波信号由真空管道内向真空管道外有效引出，同时也实现水冷管输入输出水路的交换，带状线结构感应信号引出头SMA转接器与后续射频电缆、宽带射频放大器及示波器相连。

所述的钽铜复合板1-2设置在微波带状线结构2正面，微波带状线底板1-7设置在微波带状线结构2背面，钽铜复合板1-2通过定位孔2-8与微波带状线结构2固定相连，微波带状线结构2上的微波带状线中心小孔2-9与钽铜复合板1-2的中心孔1-1同心设置。

所述的微波带状线底板1-7的材料为铜，介质基板2-1采用高温AIN陶瓷，AIN陶瓷的介电常数介于8.5-8.9之间，介质基板2-1的有效面积为30*30mm-50*50mm，高度为0.5-2.5mm；所述的微波带状线中心小孔2-9设置在介质基板2-1中心位置，微波带状线中心小孔2-9直径为0.8-2.2mm，深度为介质基板2-1高度的一半，实现束流能与带状线导带相互作用。

所述的微波带状线结构2的带状线导带2-2宽带为钨镀镍金，宽度0.2-0.6mm,厚度为0.018-0.036mm，所述的微带线导带2-3为钨镀镍金，宽度为0.8-2.4mm，厚度为0.018-0.036mm，所述的上层地2-6和下层地2-7为钨镀镍金，厚度分别为0.018-0.054mm。

所述的微波带状线结构2的第二金属化过孔2-5设置为与微带线导带2-3平行并分布在微带线导带2-3两侧，两排第二金属化过孔之间的间距为10-16mm，孔直径为0.2-0.6mm，每排金属化过孔中孔间距为1-3mm，第二金属化过孔2-5与上层地2-6及下层地2-7相连接，抑制了高次模，上层地及下层地形成的微波平行板传输模式，有利于带状线TEM传输模式；所述的微带线导带2-3设置在介质基板2-1两端中间，带状线导带2-2对应微波带状线中心小孔2-9设置在介质基板2-1中心位置，所述的第一金属化过孔2-4设置在微带线导带2-3周围，第一金属化过孔2-4与上层地2-6及下层地2-7相连接，所述的定位孔2-8通过螺钉固定在微波带状线底板1-7上。

所述的探测器主体1的钽铜复合板1-2采用电子束焊接，钽铜复合板1-2的中心孔1-1设置有两个大小不同的直径孔，其中与带状线微波传输结构接触侧的中心孔直径为1.4mm，外侧直径为2.5mm，目的是防止过多束流与微波带状线结构产生大量热量而影响微波带状线结构的特性阻抗，提高探测器主体部分与束流作用的耐热性。

所述的一种质子重离子束流纵向束团形状测量探测器，其利用束流垂直通过钽铜复合板1-2的中心孔1-1与微波带状线结构2的带状线导带2-2相互作用，感应出微波信号由带状线微波传输结构的一端引出，另一端接50欧姆匹配负载，信号通过低损耗同轴射频电缆及宽带低噪声射频放大器，最终输入到宽带高采样率数字示波器显示出电压随时间变化的波形，从而直观准确的测出纵向束团的长度。图3为纵向束团形状测量探测器在线束流测试系统框图。其探测器主体1的中心孔1-1选择部分垂直入射束流通过与微波带状线结构相互作用感应微波信号。其探测器主体1的钽铜复合板1-2熔点高达2900度，提高探测器主体部分与束流作用的耐热性。其探测器主体1的水冷管主要目的是提高探测器主体部分与束流作用的耐热性，从而提高探测器与束流作用的最大承受热功率。其探测器主体1的微波带状线结构2的带状线导带与束流相互作用，感应出微波信号通过带状线微波传输结构SMA转接器1-4，最终由与之相连接的半刚性电缆引出。其探测器主体1的双SMA转接陶瓷高真空法兰1-5主要作用是保证探测器真空不漏性的同时使微波感应信号由真空法兰真空内侧转接到真空法兰与波纹管相连的一侧。其探测器主体1的支撑架1-6主要作用是支撑钽铜复合板及微波带状线结构。其探测器主体1的微波带状线底板1-7主要用于固定微波带状线结构和SMA转接器1-4以及作为微波带状线结构良好地。其微波带状线结构2的特性阻抗由带状线几何尺寸决定，其几何尺寸与特性阻抗关系满足：

式中：

式中，t为导带厚度；

选择合理的导带宽度w和厚度t，以及基板厚度b和基板介电常数ε_r，最终可以确定带状线的特性阻抗为50欧姆。

进一步优选，所述的微波带状线结构2的介质基板2-1采用高温AIN陶瓷，AIN陶瓷的介电常数介于8.5-8.9之间，介质基板的有效面积为40*40mm，高度为2mm。AIN热导率达260W/(m.k)，比氧化铝高5-8倍，耐热冲击好，能耐2200℃的极热，具有较好耐辐照性能和良好加工性；机械性能好，抗折强度高于Al₂O₃和BeO陶瓷；AIN陶瓷介电损耗小，即微波信号传输时的插损小。带状线导带2-2为钨镀镍金，宽带为0.4mm,厚度为0.018mm，具有良好的耐热性能和导电性能。微带线导带2-3为钨镀镍金，宽带为1.1mm,厚度为0.018mm。具有良好的耐热性能和导电性能。第一金属化过孔2-4，目的为了改善微波信号通过带状线转微带线时所造成的反射，第二金属化过孔2-5目的为了抑制高次模，即抑制上下层地形成的微波平行板传输模式，更有利于带状线TEM传输模式。定位孔2-8有利于带状线结构牢牢固定在微波带状线底板1-7上。微波带状线中心小孔2-9直径为1.6mm，深度为1mm，有利于束流直接与带状线导带2-2相互作用感应微波信号。

图6为本实用新型探测器微波带状线结构的传输系数S21加工实测图，图7为本实用新型探测器微波带状线结构的反射系数S11加工实测图，从图6和图7可以清楚的看出，质子重离子束纵向束团形状测量探测器的带宽可达6GHz。图8为束流能量为2.1MeV，频率为162.5MHz时纵向束团长度的模拟结果图,其纵向束团长度为120度即2ns。图9为纵向束团形状测量探测器在束实测结果图，实测结果为2ns,与纵向束团长度的模拟为2ns结果完全吻合。

本实用新型与美国橡树岭国家实验室(ORNL)散列中子源利用BPM的和信号来测量满足符合高斯分布的纵向束团长度方法和中国科学技术大学国家同步辐射实验室孙葆根等利用20GHz数字取样示波器测量束团长度方法相比，本实用新型不受低能的限制，更能准确测量质子重离子束流纵向束团形状。与德国重离子研究所(GSI)利用残余气体与束流相互作用产生的二次电子被外加高压电场加速，然后通过静电能量分析仪和射频偏转系统来约束二次电子的横向和纵向方向而最终测得其束团形状方法相比，本实用新型具有结构紧凑，易于加工，易于操作控制，后续数据获取系统简单等优点，从而有效降低了成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。