一种基于残余气体电离的纵向团束测量装置及方法

本发明涉及一种基于残余气体电离的纵向团束测量装置及方法，属于重离子加速器束流诊断。

背景技术：

1、随着高功率离子加速器的发展趋势，物理人员迫切需要实时监测束流的各项参数，如能量、流强、发射度、横向剖面、束团长度等。在超导直线加速器的中能传输线上(mebt)，其束团长度的准确测量，对上游聚束器的功能评价和监测，以及束流进入超导腔的纵向匹配和减少束损都至关重要。在环形同步加速器和储存环上，束团长度的实时监测对环内高频俘获、能量ramping和变谐波加速等意义重大。总而言之，纵向束团长度的精准测量，有助于优化lattice参数和减少束损、保障加速器的安全稳定运行、以及满足未来潜在的机器升级需求。

2、束团长度探针也可以分为阻挡测量式，比如基于同轴传输线结构和高频匹配设计的快速法拉第筒(ffc)、基于丝激二次电子和高频偏转器结构的束团形状探针(bsm)，两者都可以做到极高的带宽，尤其是bsm探测器可实现约十皮秒量级的超高分辨，但拦截式测量方式限制了其在高功率机器上的应用空间。非阻挡式测量设备有法国bergoz公司的商用磁环产品(fct)，该产品带宽比上述两套探针稍低约1.5ghz量级，存在进口禁运风险且价格相对昂贵；还有一种基于镜像电流机制的壁电流探测器(wcm)，兰州重离子加速器冷却储存环(hirfl-csr)上研发并应用1套wcm探针，其带宽稍低只可覆盖1.2khz—550mhz，主要是高磁导率的磁环材料、以及严苛的密封屏蔽设计等限制了性能上限。

3、上述两种非拦截式束团长度探针(fct与wcm)均可应用于高功率束流测量，但存在的共性特点就是：(1)都属于电磁场感应型(pick-up)探针，当质子及重离子束流的速度未接近光速时，其电磁场并非标准的横电波(te)模式，而会存在明显超前的纵向分量，这个场分量会领先于束团到达探头位置，从而导致测得的束团长度展宽。(2)探针从信号处理的简化电路分析，可等效于电阻r、电容c及电感l的串并联电路，存在一定的下截止工作频率，即不能测量较长的束团结构。特别地，当束流经多圈注入同步环加速器后，其束团结构会逐渐拉长形成所谓的“coasting beam”，此类pick-up型探针难以满足coasting beam或较长束团的测量需求。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明目的是提供一种基于残余气体电离的纵向团束测量装置及方法，其具备非拦截式测量特点，且属于粒子探测机制，没有下截止频率限制，拥有极宽dc-10ghz的带宽工作范围，可实现数十皮秒量级的束团长度测量，以满足高功率加速器的高动态范围束团长度的测量。

2、为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种基于残余气体电离的纵向团束测量装置，包括：高压静电场部、微通道板mcp、微带线pcb板、同轴渐变圆锥和示波器；所述高压静电场部，用于提供使信号粒子向探测端运动的均匀高压静电场；所述微通道板mcp，分别设置在所述微带线pcb板和同轴渐变圆锥的前端，用于对采集到的信号粒子进行雪崩放大；所述微带线pcb板，用于采集第一带宽的信号粒子；所述同轴渐变圆锥，用于采集第二带宽的信号粒子；所述第一带宽高于所述第二带宽；所述微带线pcb板和所述同轴渐变圆锥位于所述高压静电场部相对的两端；所述示波器分别连接所述微带线pcb板和同轴渐变圆锥，用于对所述微带线pcb板和同轴渐变圆锥采集的信号粒子进行处理和显示。

3、进一步，所述信号粒子为束流带电粒子与真空残余气体的电离产物，通过计算单个粒子入射残余气体的平均能量损失δe；将所述平均能量损失δe乘以观测区域的纵向长度l，再乘以束流的平均流强i0，再除以产生气体离子与电子对的平均能耗w，得到束流通过残余气体介质后产生的电离产物量。

4、进一步，所述单个粒子入射残余气体的平均能量损失δe的计算公式为：

5、

6、其中，e是信号电子的能量，x是信号电子运动方向的坐标，na是阿伏伽德罗常数，re是电子经典半径，me为电子静止质量；c是真空光速，zc为入射粒子电荷态，ρt是气体介质密度，zt为介质原子序数；at为介质原子质量；β是入射粒子速度与光速之比；γ为洛伦兹因子；i为气体平均电离与激发能；δ/2是一项密度修正系数，c/z是介质壳层修正系数。

7、进一步，所述同轴渐变圆锥中阻抗与同轴结构的内径、外径之比满足如下公式：

8、

9、其中，z是特性阻抗，μ0是内、外导体间绝缘介质的磁导率，ε0是绝缘介质的介电常数，因本发明中该结构将使用在极低气压的靶室内，绝缘介质材料以真空参数近似，rs是外导体(屏蔽层)半径，rc是内导体(信号层)半径。

10、进一步，所述高压静电场部包括高压供给模块、垂直高压极板、水平高压极板、支撑陶瓷和中空框架体，所述高压供给模块，用于为高压静电场提供高压信号，所述高压供给模块连接所述垂直高压极板和水平高压极板，所述垂直高压极板垂直于粒子运动方向，所述水平高压极板与粒子运动方向平行，所述垂直高压极板和水平高压极板通过所述支撑陶瓷固定在所述中空框架体上。

11、进一步，所述微通道板mcp的两端连接所述高压供给模块，所述微通道板mcp为双层结构，仅对顶层的微通道板mcp施加高压。

12、进一步，所述测量装置还包括第一信号电缆，所述第一信号电缆包括微带线pcb板的信号电缆和同轴渐变圆锥的信号电缆，所述微带线pcb板的信号电缆的一端与微带线pcb板的输出端连接；所述微带线pcb板的信号电缆的另一端固定在刀口法兰上，并与信号馈通连接；所述同轴渐变圆锥的信号电缆的一端与同轴渐变圆锥的内芯连接，所述同轴渐变圆锥的信号电缆的另一端固定在刀口法兰上，并与信号馈通连接。

13、进一步，所述信号馈通通过sma型转接头连接第二信号电缆，所述第二信号电缆连接功率放大器或衰减器，所述功率放大器或衰减器通过所述第二信号电缆连接所述示波器。

14、进一步，所述测量装置还包括高压导条，所述高压导条一端连接垂直高压极板、水平高压极板和微通道板，所述高压导条的另一端被固定在刀口法兰上，并与高压馈通连接，所述高压馈通连接高压供给模块。

15、本发明还公开了一种基于残余气体电离的纵向团束测量方法，其采用上述任一项所述的基于残余气体电离的纵向团束测量装置，包括以下步骤：设置垂直高压极板和水平高压极板的电压，所述高压供给模块馈入对应电压；若垂直高压极板和水平高压极板的电压的绝对值与其到微带线pcb板的距离成反比，则电离产物向同轴渐变圆锥端方向运动，最终被同轴渐变圆锥端收集；若垂直高压极板和水平高压极板的电压的绝对值与其到微带线pcb板的距离成正比，则电离产物向微通道板mcp方向运动，最终被微通道板mcp收集。

16、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

17、1、本发明具备非拦截式测量特点，且属于粒子探测机制，没有下截止频率限制，拥有极宽dc-10ghz的带宽工作范围，可实现数十皮秒量级的束团长度测量，以满足高功率加速器的高动态范围束团长度的测量。

18、2、本发明结构设计紧凑，且具备两种信号收集及探测结构，通过更改高压电场的方向，即可选择适用的任一结构进行信号收集。