用于加速器的束流位置探测器的制作方法

本申请涉及高能物理领域，尤其涉及一种用于加速器的束流位置探测器。

背景技术：

在高能物理领域中，散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)在整个工作过程中，被加速的粒子运动规律十分复杂，任一过程的束流性能不符合条件都可能导致全过程的失败。因而，在加速器的调试、运行、机器研究中均需要通过束流位置探测器对束流位置进行测量，并根据探测结果来校正束流的偏移方向，确保束流稳定运行。

在高能束流穿过探测器时，根据电磁感应原理，内部的电极会感应出相应的电动势，当高能束流偏移向某一方向偏移时，该方向的电极产生的感应电动势会增大，同时反方向电极的感应电动势就会减小，这样，通过比对不同方向上电极采集到的电信号即可测出束流的偏移方向及偏移的程度，从而对束流的位置进行校正。

现有的束流位置探测器多为条带型或纽扣形，其单个电极用于采集电信号的有效面积所占比例较小，当穿过探测器的束流出现偏移时，电极上采集到的电信号相应也比较微弱，因此，根据电信号得出束流位置曲线的线性和精度相对较差。尤其是在束流的偏移距离很小时，受到探测器自身的精度限制和振动影响，很难准确的检测到束流是否偏移，以及偏移的方向和距离。而无法准确的检测束流的偏移参数，就不能有效的进行校正，这样就直接影响束流运行的稳定性，甚至损坏其他仪器设备。

技术实现要素：

本申请提供一种用于加速器的束流位置探测器，旨在解决现有探测器误差较大的问题。

本申请所公开的一种用于加速器的束流位置探测器，包括：

外壳，所述外壳为两端开口的筒形，所述外壳的两个开口处设有法兰；

电极，所述电极为两端开口的圆筒形金属电极，所述电极一个开口为圆形的正切端面，另一个开口为椭圆形斜切端面；

所述外壳内至少设有两组电极对，每组所述电极对包括两个同轴排布的所述电极，所述两个电极斜切端面的尖端分别位于公共轴线的两侧，且两个尖端在轴向的投影距离等于所述电极的外径；所述电极在所述外壳内均同轴排布，且电极的轴向与所述外壳的长度方向一致；相邻的所述两组电极对之间在空间上相对公共轴线存在一个特定的旋转角度；

引出端子，所述引出端子一端固定于所述外壳表面，另一端与所述电极的圆筒形表面电连接，其连接点位于所述尖端所在的一侧。

所述的用于加速器的束流位置探测器，其中，所述特定的旋转角度为90度。

所述的用于加速器的束流位置探测器，其中，所述电极对中的两个电极，其斜切端面相正对设置。

所述的用于加速器的束流位置探测器，其中，所述电极对中的两个电极之间设有过渡环，所述过渡环内表面与所述电极内表面相平齐，所述过渡环为导体。

所述的用于加速器的束流位置探测器，其中，所述两个电极对之间设有隔离环，所述隔离环内表面与所述电极内表面相平齐，所述隔离环为导体。

所述的用于加速器的束流位置探测器，其中，所述外壳为金属圆筒形，所述隔离环与所述外壳同轴且电连接。

所述的用于加速器的束流位置探测器，其中，所述外壳的两个开口处设有屏蔽环，所述屏蔽环内表面与所述电极内表面相平齐，所述屏蔽环为导体。

所述的用于加速器的束流位置探测器，其中，所述电极与所述外壳之间设有绝缘的瓷条，所述瓷条沿所述电极的外表面圆周方向排布多个。

所述的用于加速器的束流位置探测器，其中，所述外壳表面设有环绕其圆周的肋状加强筋，所述加强筋沿着所述外壳轴向排布多处。

所述的用于加速器的束流位置探测器，其中，所述电极包括导电芯针及与所述导电芯针同轴的屏蔽壳，所述引出端子的导电芯针与所述电极表面电连接，所述屏蔽壳与所述外壳密封连接。

本申请所给出的用于加速器的束流位置探测器，采用具有斜切端面的圆筒形电极，使得单个电极表面出现面积大小不同的两部分。当束流穿过探测器且偏向电极对中一个电极面积较大一侧时，感应电荷呈几何倍数在电极该侧表面聚集，并沿轴向排布，从而使该电极在该侧的感应电动势增强；同理，由于束流的远离，该电极对中另一个电极采集到的电压信号则会呈几何倍数减小。采用这样的结构，在电极对整体尺寸相同的情况下，能够保证电极有较大的效感应面积，使输出电压信号较强，而且与束流位置的线性度较好。当束流偏移时，能够放大同一组电极对中不同电极间的电信号差值，从而在保证测量灵敏度的同时，提升探测器的测量精度，能够迅速、准确地测得束流在该方向上的偏移量，适合测量长束团或偏移束。

附图说明

图1为本申请实施例中，探测器的整体结构示意图；

图2为本申请实施例中，探测器的爆炸图；

图3为本申请实施例中，电极对的装配图；

图4为本申请实施例中，电极对的爆炸图；

图5为本申请实施例中，探测器的侧视图；

图6为图5中A-A向剖视图；

图7为图6的立体图；

图8为现有探测器拟合的U-V图表；

图9为本申请实施例中，探测器拟合的U-V图表。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

本实施例所给出的用于加速器的束流位置探测器，如图1所示，包括外壳1，外壳1内部设有的电极2，外壳1表面固定有引出端子3。当束流通过探测器时，通过引出端子3采集电极表面感应出的电信号，通过电信号大小从而判断束流位置的偏移方向和距离。其中，外壳1采用与电极2相契合的圆筒形，且外壳1 为金属材质。如图4所示，本实施例中的电极2为两端具有开口的圆筒形金属电极，电极2的一个开口为圆形的正切端面21，另一个开口为椭圆形的斜切端面22，斜斜切端面22在轴向上存在最长的高点和最短的低点，以下叙述中分别记作尖端220和尾端210。这样，电极2可以看做由沿轴向分开的两个半圆筒组成，且这两个半圆筒的斜切端面为分别以尖端220和尾端210为中点的两个圆弧。其中，尖端220所在的半个圆筒表面积明显大于尾端210所在的半个圆筒。

如图3及图4所示，外壳1内设有多组电极对，每组电极对都包括两个电极2，这两个电极2沿轴向同轴设置，两者的尖端220分别位于公共轴线的两侧，且两个电极2的尖端220在轴向上的投影距离刚好等于电极2的外径。即同一组电极对中的两个电极2，其中一个电极2绕公共轴线旋转180度后再沿轴向移动即为另一个电极的位置。

为了优化结构探测器结构(减小尺寸)，使得探测器整体尺寸更小，本实施例中一个电极对中的两个电极2的斜切端面22相正对且平行设置，整体拼接成两端为圆形的圆筒状结构，不仅缩短了电极对轴向的长度，可以保证测得的是同一位置束流，而且使得场效应均匀稳定，提升信号的线性特征，简化后续信号处理难度。多个电极对沿着外壳1的轴向同轴排列，形成多个同轴排布的圆筒状。探测器内相邻的两个电极对之间在空间上相对公共轴线(外壳1的中心轴线)存在一个特定的旋转角度，即，一个电极对沿轴向平移，再绕着轴线旋转以该特定的旋转角度旋转即为另一个电极对的位置。

如图6及图7所示，本实施例中的引出端子3为同轴式真空电极，引出端子3的导电芯针31与电极2的尖端220所在的一侧表面电连接，连接点到尖端 220的连线与电极2的轴线平行。导电芯针31外围同轴设置的屏蔽壳32与外壳 1密封连接，引出端子3的端部端伸出外壳1外与测试设备电连接。导电芯针 31与外侧同轴的屏蔽壳32电绝缘，并有阻抗要求，防止其它电气元件信号干扰。引出端子3的数量及位置与电极2一一对应。当束流经过探测器时，根据电磁感应原理，电极2表面会感应出电动势，采集各电极对的电极2感应到的电压信号，再将该电压信号引出后采用相关信号处理技术转换为对应的偏移参数(该电信号处理技术的原理为现有技术，再此不做赘述)。

由于同一个电极对内的两个电极2的尖端220分别位于轴线的两侧，当束流穿过电极2并出现偏移时，必然会向其中一个电极2的尖端220所在一侧靠近，同时远离尾端210所在的一侧。而电极2的尖端220所在一侧的感应面积所占比例远大于尾端210所在一侧。根据运动状态的电荷感应出近场(库伦场) 的规律，由于带电粒子向尖端220所在一侧偏移，使得感应电荷呈几何倍数在该侧表面聚集，并沿着轴向排布，从而使得该侧表面的感应电荷密度增大，其感应电动势增强。这样导电芯针31附近的电荷密度就会增大，使得引出端子3 采集到的电信号较强。反之，由于束流的远离，同一个电极对中另一个电极面积较大的一侧表面感应到的电荷会呈几何倍数减小。由于电极2上实际起到测量作用的一侧是尖端220所在的一侧，而该侧随着带电束流的穿过其聚集电荷的直线区域长度上大于尾端210所在一侧。这样，斜切端面22的存在能够增加电极用于检测感应电荷的有效区域所占比例，即一组电极对中的两个电极2的斜切端面22相互平行的设置，尖端220所在的轴向长度之和大于电极对的整体长度。对于相同长度的电极而言，斜切电极用来检测电荷强度的有效区域比例大于正切电极(两端截面都为圆形截面)，其检测到的电信号强度变化也会对应增大。

而相对于该电极对中的另一个电极来讲，束流位置逐渐远离了该电极尖端 220所在一侧，而接近了尾端210所在一侧，这样该电极尖端220所在的一侧的感应电荷数量会呈几何倍数降低，使得该侧表面的感应电荷密度减小，这就导致了在该测表面采集到的电信号明显减弱。这样，通过采集一个电极对上的两个电极电信号，根据对比电信号的大小，即可判断束流向一个电极对中哪个电极的尖端220偏移，并根据采集到的电信号计算出偏移的距离。为了提高测量精度，可以沿着外壳1的中轴线设置更多个电极对(增加一个电极对相当于增加一组探测方向)，从而拟合多个角度的偏移方向和位置减小误差值。其中，相邻两个电极对的位置关系满足，其中一个以公共轴线为轴，并以一个特定的旋转角度转动，然后再沿轴向移动一端距离即为另一个电极对所在位置。这个特定的旋转角度为180/n度，n为电极对的数量，设置的电极对数量越多，则可探测的方向越多，测得的束流偏移参数越精确。

本实施例中，如图2、图5-图7所示，外壳1内设置两组电极对，分别为电极对X及电极对Y，电极对X与电极对Y之间的旋转角度为90度。在与束流运动方向垂直的平面内建立平面直角坐标系，电极对X用以测量束流在X轴方向上的偏移，电极对X内的两个电极分别探测X轴正向及负向的偏移；电极对 Y用以测量束流在Y轴方向上的偏移，电极对Y的两个电极分别探测Y轴正向及负向的偏移。

同一个电极对中的两个电极相对的斜切端面22之间会形成电极间的耦合电容，会产生干扰的电场，会增大电压信号的零点偏移值，影响探测器测量的精度。为解决这一问题，本实施例中，在两个正对的斜切端面21之间还设有导电的过渡环4，隔断了两个斜切端面22之间的感应电场，大大减小了相互之间的耦合电容，基本上消除了同一电极对内两个电极2之间的电场耦合干扰。为了避免过渡环4在束流经过时，自身产生感应电动势并与外壳1、电极2之间形成电容，对电极2信号采集形成耦合干扰，将过渡环4与外壳1电连接地，及时将过渡环4内感应的电压导出，从而减小过渡环4对电极2形成耦合干扰，过渡环4的内表面与电极2的内表面均匀平齐，同时过渡环4的斜切端面与电极2 的斜切端面距离均匀一致(两个端面平行)。

同样的，在电极对X与电极对Y相正对的两侧分别是两个电极圆形的正切端面21，为防止两个正切端面21之间的电场耦合干扰，在电极对X与电极对Y 之间还设置了导电的隔离环5。隔离环5极大地减小了两个正切端面21之间的耦合电容，从而消除了两个电极对之间的电场耦合干扰。与过渡环4同理，隔离环5与外壳1电连接地。为了保持电极对之间的连续性，隔离环5的内表面与电极2的内表面相平齐。同时隔离环5的两个端面与电极2的正切端面均为相平行的平面。

为避免外界环境中的磁场或电场对探测器内部产生干扰，在外壳的两个开口处还设置了导电的屏蔽环6，屏蔽环6可以采用焊接的方式直接固定在外壳1 的内表面，屏蔽环6的内表面与电极2的内表面平齐。同时屏蔽环6的端面与电极2的端面距离均匀一致(两个端面相互平行)。

外壳1的两端还设有用来与其他元器件对接的法兰7，通过法兰7与其他元器件实现真空对接。

如图2所示，由于电极2的厚度较薄，以减小相对电极的耦合电容和部分工作环境存在交变磁场的涡流效应，既需要保持电极2与外壳1之间绝缘，又需要给电极2提供足够的力学支撑，以使该电极2内腔保持圆筒形。本实施例为解决该问题，在电极2与外壳1之间设置了多个绝缘的瓷条8，瓷条8在电极 2的外表面一圈分布，并在结构上对称以减小因非对称结构导致的零点漂移问题。根据力学结构的需要，瓷条8采用非等间距的排布，在尖端220和尾端210 应力集中位置排布较为密集。电极2和过渡环4通过螺钉固定在瓷条8上，采用氩弧焊点焊固定防止螺钉松退。

散裂中子源上的同步加速器安装空间有限，为了节省空间，本实施例所给出的探测器需要放置在校正四极交流铁中，校正四极交流铁内会产生交变磁场，因而，会引起探测器内部导体的涡流效应导致探测器因涡流发热而损坏。为避免涡流效应，探测器内的导电元器件要求选取强度高，涡流发热小(电阻率大) 的材料；同时要求磁导率接近1，对磁场的影响小，本实施例选择电极2为钛合金(Ti-6Al-4V)，外壳1选为金属钛。

如图7所示，为了降低外壳1和电极2的涡流发热，外壳1和电极2理论上厚度越小，涡流发热越少。但过薄会导致外壳1的强度太低，不足以支撑内部的元器件。为了加强外壳1的强度，并减小涡流效应的产生，在外壳1的外表面设置了肋状结构的加强筋9。加强筋9的设置，即能够保持外壳1的力学强度，又降低了外壳1的平均厚度，从而削弱涡流发热的影响。为减小涡流效应影响，电极2和过渡环4的厚度也应尽量薄，选为1mm。

探测器通过不同电极上检测到的电信号经过归一化后形成图表(或曲线)，而图表(或曲线)线性越好，说明探测器的线性越好，根据该图表数据进行线性拟合后计算出的束流位置结果误差就越小，越能真实的反应出束流的实际位置；反之，如果图表(或曲线)的线性差，根据该图表数据进行线性拟合后计算出的束流位置结果误差就大。

探测器检测到束流偏移的拟合曲线如图8及图9所示，其中图8为现有的探测器得到的U-V曲线图，图9为本实施例的探测器得到的U-V拟合曲线图。曲线图中横坐标U和纵坐标V均为一个归一化量。U＝lg(Vx+/Vx-)，Vx+和Vx- 分别代表同电极对X的两个电极上采集到的电压信号值；纵坐标V＝lg(Vy+/Vy-)，Vy+和Vy-分别代表电极对Y(与电极对X相位角呈90度)的两电极上采集到的电压信号值。可以理解为U和V分别表征不同电极对中两个电极感应电压的相对关系。归一化之后就会把电极本身的感应信号强弱因素消除掉，相当于消除电极本身的不稳定因素。其中，横坐标U与纵坐标V的值均为0的一点表示束流偏移为一固定值，即探测器的电中心(a0与b0)，通过拟合公式可轻松求得，线性拟合公式为x＝a0+a1*U+a2*V，y＝b0+b1*U+b2*V，其中x与y代表束流位置，a0、a1、a2、b0、b1、b2均为常数，该公式由标定时U、V、模拟束流位置值做线性拟合得到。探测器在线测量时，通过测量(电极对X和电极对Y)四个电极的电信号求得归一化量U、V，再通过上述公式即可求出束流实际位置。

从图8中我们可以直观的看出，现有的探测器得到的U-V拟合曲线图中，点阵的分布线性化较差，当实际束流偏离加速器管道中心较大时，由线性公式计算得到的束流位置值误差比较大，不能真实的反应束流的实际位置。

而图9为本实施例的探测器所拟合出的U-V拟合曲线图，其中点阵的分布线性化好，无论实际束流位置偏离管道中心大或小，采用线性公式均可轻松求得束流的实际位置，且误差很小，更接近真实值。

本申请所给出的用于加速器的束流位置探测器，采用具有斜切端面的圆筒形电极，使得单个电极表面出现面积大小不同的两部分。当束流穿过探测器且偏向电极对中一个电极的面积较大一侧时，感应电荷呈几何倍数在电极该侧表面聚集，并沿轴向排布，从而使该电极在该侧的感应电动势增强；同理，由于束流的远离，该电极对中另一个电极采集到的电压信号则会呈几何倍数减小。采用这样的结构，在电极对整体尺寸相同的情况下，能够保证电极有较大的效感应面积，使输出电压信号较强，而且与束流位置的线性度较好。当束流偏移时，能够放大同一组电极对中不同电极间的电信号差值，快速而准确地测得束流在该方向上的偏移量，在保证灵敏度的同时，提升探测器的测量精度，适合用来测量长束团或漂移束。

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，在不脱离本申请实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。