一种非拦截式直流束流位置及束斑形状测量方法及系统

1.本发明涉及加速器束流诊断技术领域，具体涉及一种非拦截式直流束流位置及束斑形状测量方法及系统。


背景技术：

2.束流位置和束斑形状是加速器调试、运行和验收等过程中的重要参数。为保证加速器系统在运行期间粒子高效可靠输运，给后续工作提供高质量、高亮度和稳定的束流，需要在系统调试和运行过程中对束流的一系列参数进行不断优化。准确有效地实现对束流位置和束斑形状等参数的采集诊断，不仅可以大大节约束流调试时间，获得更优的束流品质，还可有效降低加速器运行的故障率，提高加速器的使用寿命。
3.目前常采用的束流位置诊断方法主要利用探测器对束流的电磁场进行耦合测量。根据电磁感应原理，当束流向前传输过程中，其周围空间中会产生横电磁场波，在束流管道周围摆放相应的电极会感应出相应电流，形成电动势。当束流向某一方向偏移时，该方向的电极产生的感应电势会增大，同时反方向电极的感应电势就会减小，进而可通过比对相应电极采集到信号来测量出束流的偏移方向及偏移的程度。这种方法根据探测器的形状不同分又为三种类型：纽扣型、条带型和腔式束流位置探测器等。这种类型探测器通常结构复杂，易受干扰，且价格相对昂贵。
4.而目前对于束斑的测量通常采用的方式有光学测量和丝扫描测量。光学测量通常为拦截型测量，丝扫描测量也属于准非拦截式设备。这两种方式不适合应用于束流能量高、束流强度大的场合，容易损坏烧蚀。
5.中国专利说明书cn103809198公开了一种测量粒子加速器束流位置的方法。该方法通过综合多个电极探头的电极信号组成矩阵，以利用主成分分析法对这些电极信号同时进行处理，消除各电极信号中的噪声，提高束流位置的测量精度。这种方法只能对束流位置定位，不能给出束斑形状的相关信息。
6.中国专利说明书cn109490943公开了一种用于离子束束流流强和位置测量的交叉多丝探针，该探针具有结构简单、加工方便、可靠性强，成本低廉的特点，可以分别测量束流流强、束流位置、束流剖面信息。该方法属于准非拦截式测量，束流强度大时易造成探针烧蚀。现有技术存在结构复杂，易受干扰，使用成本高、易损坏烧蚀及测量对象单一的技术问题。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于如何解决结构复杂，易受干扰，使用成本高、易损坏烧蚀及测量对象单一的技术问题。
8.本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种非拦截式直流束流位置及束斑形状测量方法包括：
9.s1、在测量探头中的每一正对的两块偏转极板间施加预设幅值的电压，以使两块
所述偏转极板之间产生电场；
10.s2、以所述电场使得束流打到电流探针上，据以探测电流变化；
11.s3、对偏转极板电压进行归零，对所述偏转极板进行电压调整直至电流探针上检测到电流，记录此时的电压幅值，对每组所述偏转极板循环前述操作直至结束测量；
12.s4以预设逻辑处理所述电压幅值，据以获取偏移位移，以得到所述束流位置及所述束斑形状。
13.本发明施加脉冲电压的目的一方面减少测量对束流的影响，另一方面避免强流时束流对探针的烧蚀。利用脉冲电场技术和电流探针技术对束流位置进行准确检测，在测量过程中对束流的扰动小，而且本方法原理简单，易于实现，且制造成本低，本发明具有结构简单、可靠性强，成本低廉的特点，可以同时测量束流位置、束斑尺寸等信息。
14.在更具体的技术方案中，步骤s2包括：
15.s21、以预设位置关系设置所述偏转极板和所述电流探针；
16.s22、以所述电场作用于所述束流，使得所述束流的运动方向向一侧的所述偏转极板偏移；
17.s23、当施加的电压幅值达到一预设特定值时，所述束流会正好射于相应一侧的所述电流探针上，以利用所述电流探针探测所述电流变化。
18.本发明在每一正对的两块偏转极板之间施加一定幅值的电压是是两块偏转板之间产生电场，束流在电场作用下，其运动方向会向一侧偏转板偏移，当施加的电压幅值达到某一特定值时，束流会正好打到相应一侧的电流探针上，这时探针上可探测到电流变化。施加脉冲电压的目的一方面减少测量对束流的影响，另一方面避免强流时束流对探针的烧蚀。
19.在更具体的技术方案中，步骤s1包括：
20.s11、相对设置不少于2组的所述偏转极板，以使得每组所述偏转极板以预设对称中心为轴呈圆周排列；
21.s12、将所述电流探针置于与所述偏转极板处于预设距离的位置。
22.在更具体的技术方案中，步骤s3包括：
23.s31、归零处理所述偏转极板；
24.s32、对一组所述偏转极板进行电压调整，逐渐增大所述偏转极板上的所述电压幅值直至所述电流探针上检测到电流；
25.s33、停止调整所述电压幅值，记录当前的所述电压幅值并对其他组的所述偏转极板执行所述步骤s1至s33。
26.在更具体的技术方案中，步骤s31包括：
27.s31、对当前的所述偏转极板电压进行归零；
28.s32、检测相应探针状态并进行归零化调整。
29.在更具体的技术方案中，步骤s33包括：
30.s331、对当前的所述偏转极板电压清零；
31.s332、切换到另一组所述偏转极板重复上述操作，以采集各组所述偏转极板对应的所述电压幅值。
32.在更具体的技术方案中，步骤s4包括：
33.s41、以预置偏移位移处理逻辑处理各组所述偏转极板对应的所述电压幅值，据以得到粒子的所述偏移位移；
34.s42、以预置偏离逻辑处理所述偏移位移；
35.s43、根据所述偏移位移处理得到所述束流位置及所述束斑形状。
36.在更具体的技术方案中，步骤s41包括：
37.根据所述电压幅值v1、v2…vi
，利用下述逻辑计算所述偏移位移si：
[0038][0039]
，其中，d为所述偏转极板与所述探针之间的距离，l为所述偏转极板的长度，d为两个所述偏转极板之间的距离，e为入射束流能量。
[0040]
在更具体的技术方案中，步骤s43包括：
[0041]
s431、根据下述逻辑处理所述偏移位移：
[0042][0043]
，据以得到结合偏转极板的排列角度信息及束流在相应方向上的偏离轴心距离；
[0044]
s432、获取所述偏转极板的排列角度信息；
[0045]
s433、根据所述排列角度信息和所述偏离轴心距离，处理得到所述束斑形状及所述束流位置。
[0046]
本发明结合偏转板的排列角度信息，可得到束斑的形状尺寸，并确定出束流的中心位置。利用现有脉冲电场技术和电流探针技术可对束斑的形状进行定量估算，在测量过程中对束流的扰动小，无需进行水冷散热处理。
[0047]
在更具体的技术方案中，一种非拦截式直流束流位置及束斑形状测量系统包括：电场产生单元，包括不少于2对的偏转极板及探针，用以在测量探头中的每一正对的两块偏转极板间施加预设幅值的电压，以使两块所述偏转极板之间产生电场；
[0048]
探测单元，用于以所述电场使得束流打到电流探针上，据以探测电流变化；
[0049]
电压幅值检测单元，用以对偏转极板电压进行归零，对所述偏转极板进行电压调整直至探针上检测到电流，记录此时的电压幅值，对每组所述偏转极板循环前述操作直至结束测量；
[0050]
束流位置束斑形状处理单元，用于以预设逻辑处理所述电压幅值，据以获取偏移位移，以得到所述束流位置及所述束斑形状。
[0051]
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明施加脉冲电压的目的一方面减少测量对束流的影响，另一方面避免强流时束流对探针的烧蚀。利用脉冲电场技术和电流探针技术对束流位置进行准确检测，在测量过程中对束流的扰动小，而且本方法原理简单，易于实现，且制造成本低，本发明具有结构简单、可靠性强，成本低廉的特点，可以同时测量束流位置、束斑尺寸等信息。本发明在每一正对的两块偏转极板之间施加一定幅值的电压是是两块偏转板之间产生电场，束流在电场作用下，其运动方向会向一侧偏转板偏移，当施加的电压幅值达到某一特定值时，束流会正好打到相应一侧的电流探针上，这时探针上可探测到电流变化。本发明结合偏转板的排列角度信息，可得到束斑的形状尺寸，并确定出束流的中心位置。利用现有脉冲电场技术和电流探针技术可对束斑的形状进行定量估算，在测量过
程中对束流的扰动小，无需进行水冷散热处理。解决了现有技术中的结构复杂，易受干扰，使用成本高、易损坏烧蚀及测量对象单一的技术问题。
附图说明
[0052]
图1为束流位置及束斑形状测量方法流程示意图；
[0053]
图2为实施例1中步骤s3中的具体流程示意图；
[0054]
图3为测量探头侧向结构示意图；
[0055]
图4为测量探头束流垂直方向剖视图。
具体实施方式
[0056]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
实施例1
[0058]
本发明的束流位置及束斑形状测量方法，按如下步骤进行：
[0059]
如图3所示，每一正对的两块偏转极板之间可以施加幅值可变的脉冲电压，用于偏转束流；电流探针可探测打到探针上的偏转束流。整个探测系统由n对偏转极板和n对探针组成，偏转极板以对称中心为轴呈圆周排列，对应的探针放置在偏转极板后面一定距离处。
[0060]
定义偏转极板两端施加的脉冲电压幅值为vi，i代表每一个偏转极板的序号。
[0061]
偏转板脉冲电压值的获取
[0062]
如图1及图4所示，s1、在每一正对的两块偏转极板之间施加一定幅值的电压是是两块偏转板之间产生电场；
[0063]
s2、束流在电场作用下，其运动方向会向一侧偏转板偏移，当施加的电压幅值达到某一特定值时，束流会正好打到相应一侧的电流探针上，这时探针上可探测到电流变化。施加脉冲电压的目的一方面减少测量对束流的影响，另一方面避免强流时束流对探针的烧蚀；
[0064]
如图2所示，s3、在测量开始时，首先对偏转板电压进行归零，检测相应探针状态，并进行归零化调整；然后对其中一组偏转板进行电压调整，逐渐增大偏转板上的电压幅值，同时观测探针上的电流变化，当探针上检测到电流时，停止电压幅值调整，并记录此时的电压幅值。记录完成后，偏转板电压清零，切换到另一组偏转板重复上述操作，直至所有偏转板轮转完成，结束测量。步骤s3包括：
[0065]
s31、偏压归零；
[0066]
s32、脉冲偏压加至束流偏转板i；
[0067]
s33、检测探针i电流；
[0068]
s34、判断探针i电流是否大于0；
[0069]
s35、若是，则记录偏压值vi；
[0070]
s36、若否，则增大偏压值并返回步骤s33；
[0071]
s37、判断i是否大于总偏转板数；
[0072]
s38、若是，则结合偏压板位置和偏压值vi绘制束斑形状；
[0073]
s39、若否，则循环执行步骤s32至s37。
[0074]
步骤2、采集数据的处理
[0075]
针对上述测量，可以得到i组电压幅值v1、v2…vi
。利用粒子在电场中的偏转公式
[0076][0077]
我们可以计算出粒子的偏移位移si，其中，d为偏转板与探针之间的距离；l为偏转板长度；d为两个偏转板之间的距离，e为入射束流能量。进而，我们可以得到束流在相应方向上偏离轴心的距离结合偏转板的排列角度信息，可得到束斑的形状尺寸，并确定出束流的中心位置。
[0078]
综上，本发明施加脉冲电压的目的一方面减少测量对束流的影响，另一方面避免强流时束流对探针的烧蚀。利用脉冲电场技术和电流探针技术对束流位置进行准确检测，在测量过程中对束流的扰动小，而且本方法原理简单，易于实现，且制造成本低，本发明具有结构简单、可靠性强，成本低廉的特点，可以同时测量束流位置、束斑尺寸等信息。本发明在每一正对的两块偏转极板之间施加一定幅值的电压是是两块偏转板之间产生电场，束流在电场作用下，其运动方向会向一侧偏转板偏移，当施加的电压幅值达到某一特定值时，束流会正好打到相应一侧的电流探针上，这时探针上可探测到电流变化。本发明结合偏转板的排列角度信息，可得到束斑的形状尺寸，并确定出束流的中心位置。利用现有脉冲电场技术和电流探针技术可对束斑的形状进行定量估算，在测量过程中对束流的扰动小，无需进行水冷散热处理。解决了现有技术中的结构复杂，易受干扰，使用成本高、易损坏烧蚀及测量对象单一的技术问题。
[0079]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。