一种探测激光驱动质子束流横向位置的方法及装置与流程

本发明提出了一种用腔式bpm探测激光驱动质子束流横向位置的方法，属于核技术及应用领域。

背景技术：

激光等离子体加速器是是近年来迅速发展的新型加速器，可以达到tv/m的加速梯度，具有广泛的应用前景，如癌症治疗、离子成像等等，在具体实施过程中要求精准测量束流横向位置，由于激光驱动质子束流单发选能后电量较低，现有的测量质子束流横向位置的装置如斜切型bpm和纽扣式bpm，其分辨率无法满足要求。因此，对于激光驱动质子束流的参数条件，目前没有成熟的设备能探测其横向位置。

技术实现要素：

本发明提出了一种用腔式bpm测量激光驱动质子束流横向位置的方法，该方法可以实现对激光驱动质子束流进行精确的位置探测。

本发明可通过如下技术方案实现：

一种用腔式bpm探测激光驱动质子束流横向位置的方法，其步骤包括：

1)针对激光驱动质子束团的大横向分布问题，利用其层流性质将其分割为许多微束，此时加权叠加所有微束的位置偏移信号即可得到质子大横向分布的位置输出信号，表达式为：

vp-total＝a1qx0(1)

其中q为激光驱动质子束团的电量，x0为束团的横向偏移位置，其中ω为腔式bpm偶极模频率，z为探测阻抗，qext为腔式bpm外部品质因数，ε0为真空介电常数，a、b、l分别为腔式bpm的宽边、窄边、长度，t为渡越时间因子，σt为束团高斯分布的时间常数，τ＝ql/ω为衰减时间常数，ql为有载品质因数；

2)针对激光驱动质子束团发散角的问题，仍将其分割为许多微束，此时加权叠加每个微束的倾斜入射信号即可得到质子发散角的输出信号，表达式为：

va-total＝a2qθ0(2)

其中θ0为束团的倾斜角；

3)叠加所有的输出信号vtotal＝vp-total+jva-total，并通过iq解调，即可得到整体激光驱动质子束团的位置信号和发散角信号。

本发明同时提供一种探测激光驱动质子束流横向位置的装置，为腔式bpm，该腔式bpm包括矩形谐振腔和束流管道，采用波导提取其谐振腔内的偶极模，并用耦合天线将波导中信号提取到外电路。

本发明的技术效果如下：

本发明采用腔式bpm测量激光驱动质子束流，充分利用了激光驱动质子束流短脉冲、低发射度的特性，实现了在低电量、大横向分布等束流条件下对质子束流的位置测量，可以在pw级激光加速系统下达到好于1mm的位置分辨率能力。

附图说明

图1是激光驱动质子束流在束线不同位置的横向分布：其中a)为在束线二级铁前利用rcf测得约25％能散的束流横向分布；b)为在束线二级铁后利用闪烁体测得约4％能散的束流横向分布；c)为在束线终端利用mcp测得约1％能散的束流横向分布；

图2是激光驱动质子束流轨迹在x-z平面的投影。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

本发明腔式bpm用于测量激光驱动质子束流，包括矩形谐振腔和束流管道，采用波导提取谐振腔内的偶极模并用耦合天线将波导中信号提取到外电路。工作频率主要有束流频谱特征、激光打靶电磁干扰等等因素决定，应低于2ghz，同时为了谐振腔尺寸不至于过大，频率应高于1ghz。谐振腔的宽窄边由工作频率大致确定，一般长度在170mm到320mm之间。为了保证大横向分布束流顺利通过腔式bpm，其束流管道直径通常应大于60mm，同时为了保证谐振腔模式激励，直径不可超过100mm。耦合波导应满足传输偶极模并屏蔽基模，装配位置取决于外部品质因数。耦合天线应尽量将波导中信号全部提取至外电路，同时也决定其装配位置。

以激光驱动质子束流脉宽在百ps量级为例，电量在几十pc量级，考虑此时的束流参数，工作频率为1.32ghz和1.42ghz。本发明腔式bpm的腔体宽边为241.7mm，窄边为210.1mm，腔体长度为75.0mm，束流管道直径为80.0mm。

在本发明的工作频率条件下，本发明的耦合波导采用国家标准波导bj18型波导，其中用于传输1.32ghz的波导长度为280.0mm，位于竖直方向，距离腔体中心轴线91mm；用于传输1.42ghz的波导长度为250.0mm，位于水平方向，距离腔体中心轴线76mm。

本发明的耦合天线采用半波天线，其中用于提取1.32ghz的天线位于波导中心距离闭合面35.7mm处，插入深度为43.8mm；用于提取1.42ghz的天线位于波导中心距离闭合面32mm处，插入深度为42.2mm。

本发明腔式bpm对大横向分布的质子束流的信号响应。因为质子束团有较大的横向面积，所以输出信号必须要考虑束团横向分布的影响。为了得到在较大束斑情况下的信号，利用激光驱动质子束团层流的性质，将其分割为许多微束(小到可以不计横向分布)，叠加所有微束的信号即可得到整体束团的位置信号。此时每个微束由于位置偏移产生的输出信号可以表达为：

式中qbunch为该微束的电荷量，x为该微束的偏移轴线位置。对所有微束的信号在横向分布条件下加权叠加，即可以得到实际质子束团的输出信号。由于此时所有微束是同时入射进腔式bpm，故在同一侧的束团输出信号同向(相等)，而在相反两侧的束团输出信号反相(相差π)，则可以借用偏移位置x的符号来表征相位关系。因此考虑相位关系后统一对：

vp-bunch＝a1qbunchx(4)

进行叠加，就可以得到大束斑束团的输出信号，其中a1＝asin(ωt)，并不失一般性取正向入射时根据束流实验结果，如图1，激光驱动质子束团的横向分布为：总电量为q的束团的横向分布f(x,y)是以位置(x0,y0)为对称中心的中心对称分布，对称中心(x0,y0)定义为大束斑束流的横向偏移位置。此时，叠加所有微束的信号有:

vp-total＝∫∫da1q·f(x,y)·xds,(x,y)∈d(5)

做变换x＝x0+x’，y＝y0+y’，则有:

其中∫∫d′f(x0+x′,y0+y′)ds′为分布函数平移后的积分，值仍为1，∫∫d′f(x0+x′,y0+y′)·x′ds′为二元偶函数与奇函数的乘积在对称定义域上的积分，值为0。因此可以得出，大横向分布的激光驱动质子束流入射进腔式bpm的信号响应与相同电量的微束从点(x0,y0)入射进腔式bpm产生的信号响应相同。

本发明腔式bpm对小发散角分布的质子束流的信号响应。将其分割为许多微束，则叠加所有微束倾斜入射产生的信号即为发散角的信号。激光驱动质子束团在经过收集系统后，散角变小，所有微束均满足较小的倾斜角条件(tanθ≈θ)，则微束倾斜θ入射产生的信号可以表示为：

va-bunch＝a2qbunchθ(7)

式中其中已由θ的符号表征不同倾斜角入射后的信号之间相位关系(同相或反相)，并且比较a1和a2的振荡项可知位置信号与倾斜信号相位正交(相差π/2)。束流倾斜入射进腔式bpm的轨迹在x-z平面的投影如图2，其中s为聚焦时的某个固定距离。由于束流的横向分布f为中心对称分布，故有：

f(x0-x)＝f(x0+x)(8)

再根据激光驱动质子束流的小倾斜角条件(tanθ≈θ)，有：

f(sθ0-sθ)＝f(sθ0+sθ)(9)

即束团的倾斜角分布g(θ)＝f(sθ)为关于角θ0的对称分布。此时，叠加所有微束的倾斜信号有：

做类似之前的变换，最终可以得到va-total＝a2qθ0。因此可以得出，小发散分布的激光驱动质子束流入射进腔式bpm的信号响应与相同电量的微束从以倾角θ0入射进腔式bpm产生的信号响应相同。

综合位置信号和发散角信号，合输出信号为：

vtotal＝vp-total+jva-total(11)

两信号之间正交(存在π/2相差)，故通过相位探测可以分别获得对应信号。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。