基于束腔相互作用原理的束流信息在线测量方法及系统

本发明是关于一种基于束腔相互作用原理的束流信息在线测量方法及系统，涉及粒子加速器领域。

背景技术：

1、在粒子加速器中，束流通过射频腔体时获取的能量增益表现为加速腔压vacc，即其中，vc为射频腔腔压，为束流与vc之间的相位。为了使得束流在经过射频腔时获得指定能量增益，必须知道准确的束流同步相位为了确定正确的束流同步相位，在正式运行束流之前，需要执行一种被称为“扫相”的同步相位校准程序。在真实的加速器环境中，运行条件(如温度和湿度)引起的相位漂移会导致射频腔相位发生变化。随着束流运行一段时间，经过校准的腔体逐渐失去正确的相位，最终导致相位不再准确。因此，为了补偿相位漂移，需要定期对射频腔进行扫相操作。

2、现代大型加速器装置通常包含几十甚至上千个射频腔，而扫相通常需要消耗大量的机器运行时间，从而严重降低了机器的可用性。此外，扫相程序以及常态束流运行均需要专门的束流诊断仪器实时在线测量束流信息，例如束流位置探测器(bpm)和束流流强探测器(bcm)等。然而，这些精密仪器价格昂贵，难以装配到全部射频腔体上。束流穿过腔体与腔内电磁场相互作用，从腔体吸收或释放能量，导致腔场的瞬时变化，也即束流负载效应。

3、近年来，以德国电子同步辐射研究中心(desy)为代表的国外先进实验室提出了利用瞬态束流负载效应标定束流同步相位的新方法。该方法能够在无需扫相的情况下实现束流同步相位的测量与校准，从而节省了机器时间。desy的新方法通常要求射频腔运行在开环模式下，但是在重离子加速器中，射频腔开环运行可能会显著增加束流损失。而且，该方法仅能测量宏束团(macro-bunch)的整体平均相位，无法捕捉束流信息的微观变化。鉴于微观变化对深入研究束腔相互作用机制具有重要意义，该方法在实际应用中面临一些限制。

4、综上所述，发展基于束腔相互作用的束流信息在线标定方法，既可以提高机器的可用性，同时还可以节省机器建设和运行成本。现有方法虽然可以在线测量平均束流相位，但其在运行方式方面存在局限性，同时也难以获取高时间分辨率的精细束流信息，这制约了该方法在粒子加速器领域的全面推广及应用的可能性。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于束腔相互作用原理的束流信息在线测量方法及系统，能够在射频腔闭环运行模式下，实现束流流强和同步相位信息的在线提取。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种基于束腔相互作用原理的束流信息在线测量方法，包括：

4、基于在线测量射频腔的腔体取样信号pt和腔体入射信号pf获得射频腔的原始腔压vc*和原始前向电压vf*；

5、将所述原始腔压vc*和所述原始前向电压vf*进行校准及归一化处理后得到腔压vc及前向电压vf；

6、根据无束流和有束流两种条件下的腔压vc及前向电压vf，计算束流引起的腔压变化vcb及前向信号vfb；

7、基于所述腔压变化vcb及前向信号vfb建立腔体微分方程；

8、求解所述腔体微分方程，获得束流等效电压vb、束流流强ib以及束流同步相位

9、可选的，基于在线测量射频腔的腔体取样信号pt、腔体入射信号pf获得射频腔的原始腔压vc*和原始前向电压vf*，包括：通过下变频将腔体取样信号pt和腔体入射信号pf下变频为中频信号，并通过i/q解调分别得到原始数字基带信号，即：射频腔的腔压vc*和前向电压vf*。

10、可选的，将所述原始腔压vc*和所述原始前向电压vf*进行校准及归一化处理后得到腔压vc及前向电压vf，包括：

11、利用vf,cali＝xvf*得到校准之后的前向电压vf,cali，其中，x为校正系数；

12、利用vc＝vc/vc,ss*得到归一化腔压vc，其中，vc,ss*为归一化系数；

13、对校准之后的前向电压采用公式vf＝vf,cali/vc,ss*得到归一化前向电压vf。

14、可选的，根据无束流和有束流两种条件下的腔压vc和前向电压vf，计算束流引起的腔压变化vcb及前向电压变化vfb，包括：

15、束流引起的腔压变化为vcb＝vc1-vc0，其中，vc1为有束流的腔压，vc0为无束流的腔压；

16、前向电压变化为vfb＝vf1-vf0，其中，vf1为有束流前向电压，vf0为无束流的前向电压。

17、可选的，，基于所述腔压变化vcb及前向信号vfb建立腔体微分方程为：

18、

19、其中，vc0′(t)为无束流的腔压vc0的微分，vc1′(t)为有束流的腔压vc1的微分，β为输入耦合器的耦合系数，ω0.5为腔体半带宽，δω为腔体失谐，vb为束流等效电压。

20、可选的，求解所述腔体微分方程，获得束流等效电压vb、束流流强ib以及束流同步相位包括：

21、利用曲线拟合计算束流引起的腔压变化vcb的微分vcb′(t)；

22、计算所述腔体微分方程中的腔体半带宽ω0.5和腔体失谐δω；

23、基于束流引起的腔压变化vcb的微分vcb′(t)、腔体半带宽ω0.5和腔体失谐δω通过所述腔体微分方程求解束流等效电压vb：

24、

25、基于所述束流等效电压vb计算束流流强ib以及束流同步相位

26、可选的，基于所述束流等效电压vb计算束流流强ib以及束流同步相位包括：

27、

28、其中，r/q为腔体的几何因子，g的取值为当前归一化腔压vc对应的真实腔压值，ql为腔体有载品质因素。

29、第二方面，本发明还提供一张基于束腔相互作用原理的束流信息在线测量系统，该系统包括数字化低电平系统、固态功率源、定向耦合器、输入耦合器、射频腔、信号提取耦合器、下变频模块和上位机；所述数字化低电平系统的输出端连接所述固态功率源的输入端，所述固态功率源的输出端连接所述定向耦合器的输入端，所述定向耦合器的输出端经所述输入耦合器馈入射频腔，所述定向耦合器用于提取射频腔的腔体入射信号pf，所述信号提取耦合器连接所述射频腔用于提取腔体取样信号pt，腔体入射信号pf和腔体取样信号pt经过下变频模块下变频后发送到所述数字化低电平系统；所述数字化低电平系统基于腔体入射信号pf和腔体取样信号pt解调出对应的数字化基带同相正交分量通过数据总线上传至所述上位机。

30、可选的，所述数字化低电平系统内设置有fpga，所述fpga内设置有所述数字信号处理模块，所述数字信号处理模块通过对射频腔的腔体取样信号pt及腔体入射信号pf进行处理获得对应的原始电压信号即原始腔压vc*和原始前向电压vf*。

31、可选的，所述上位机内设置有信号校准及归一化模块、腔压变化及前向电压变化提取模块、微分方程建立模块和微分方程求解模块，其中：信号校准及归一化模块，用于所述将所述原始腔压vc*和所述原始前向电压vf*进行校准及归一化处理后得到腔压vc前向电压vf；腔压变化及前向电压变化提取模块，用于根据无束流和有束流两种条件下的腔压vc前向电压vf，计算束流引起的腔压变化vcb及闭环作用下的前向信号vfb；微分方程建立模块，基于所述腔压变化vcb及前向信号vfb建立腔体微分方程；

32、微分方程求解模块，用于求解所述腔体微分方程，获得束流等效电压vb、束流流强ib以及束流同步相位

33、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：

34、1、本发明能够直接求解出束流相对于腔压的相位(即束流同步相位)，计算结果不再受到环境因素引起的相位漂移的影响。

35、2、本发明通过读取束流负载效应引起的瞬态射频信号来解调出束流信息，其中，射频信号采集、下变频及iq解调均可以由通用的数字化低电平系统完成，核心信号处理部分算法可以部署在通用的上位机上，无需增加额外硬件设备。

36、3、无论射频腔运行在开环模式还是闭环模式，本发明均可以在线获取束流信息，而闭环模式下实现束流信息的在线测量对重离子加速器的稳定运行具有重要意义。

37、4、本发明可以捕捉到束流流强和同步相位在整个宏束团经过射频腔时的微观变化，具备测量束流信息随时间的微观变化的能力，得到具有更高时间分辨率的精细束流信息，这是进一步深入研究束腔相互作用机制的重要前提条件。

38、综上，本发明可以广泛应用于粒子加速器中。