一种测量粒子加速器束流流强的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及加速器物理束流诊断领域，尤其涉及一种测量粒子加速器中束流流强 的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 目前粒子加速器中已经广泛采用了 ICT(积分电流变压器)来测量束流流强（本申 请中所述的"束流流强"均指代束流流强的幅度）。然而，由于ICT的测量波形受地回路干扰 较大，如果采用ICT进行单次测量，则随机误差较大，无法满足测量精度的要求;但如果采用 ICT进行多次测量，得到的平均值是准确的，可用作流强标定。
[0003] 腔式BPM(束流位置探测器)是一种已有的信号获取方法，因其nm级的位置分辨率 被广泛应用在粒子加速器中进行位置测量，例如应用在自由电子激光装置波荡器部分进行 束流位置测量。但腔式BPM在测量过程中得到的共模TM010信号幅度并不受束流位置影响， 而只与束流流强有关，且其性噪比可以达到100dB以上，因此可利用该共模TM010信号来测 量束流流强。
[0004] 已知的是，共模TM010信号为射频信号，其表达式如下：
[0005]
[0006] 在式（1)中，k是探头感应信号比例因子，A是束流流强，f是信号相位，τ是信号衰 减时间，f是谐振信号频率，一般为数GHz。
[0007] 为了对共模TM010信号进行处理而求解出其信号幅度kA，现有技术中典型的处理 方法是先进行下变频以将该射频信号变换到中频，然后进行数字化采样与数字信号解调操 作即可得到信号幅度kA。然而，由于粒子加速器在运行时有辐射，其必须放置在防辐射的隧 道内，当采用腔式BPM进行测量时，BPM必须安装在加速器上所以同样也位于隧道内，由于隧 道内辐射较强，因而用于与共模TM010信号进行混频以实现下变频的本振源一般设置在隧 道外，距离腔式BPM较远。这样会带来以下缺陷:共模TM010信号需远距离传输才能与隧道外 的本振源混频，然而，射频信号在远距离传输时衰减较大，并且对隧道内外温差变化敏感， 因此会引入测量误差。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种改进的利用共模TM010信号测量粒子加速器束流流强 的系统和方法，以解决现有技术中共模TM010信号须远距离传输至隧道外所带来的衰减较 大以及对隧道内外温差变化敏感的问题，从而提高测量精度。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供一种测量粒子加速器束流流强的系统，包括设置在 粒子加速器上的一双腔腔式BPM和一 ICT，所述双腔腔式BPM具有两个参考腔，每个参考腔具 有一对探头，其中，该系统还包括一对差分器、一混频器、一低通滤波器和一数据采集器，其 中，所述混频器、低通滤波器和数据采集器依次串联，所述一对差分器并联在所述双腔腔式 BPM与混频器之间；而数据采集器另与ICT串连。
[0010] 本发明还提供一种测量粒子加速器束流流强的方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤S1，通过设置在粒子加速器上的ICT对粒子加速器的束流流强进行多次测量， 并输出多次测量的流强平均值；
[0012] 步骤S2,通过设置在粒子加速器上的双腔腔式BPM的两对探头分别引出两个参考 腔对应的两路谐振信号；
[0013] 步骤S3,通过一对差分器分别对每个参考腔的每对探头输出的两路谐振信号进行 差分，再通过混频器对所述一对差分器输出的差分信号进行混频，接着通过低通滤波器对 混频后的信号进行低通滤波而得到一中频信号；
[0014] 步骤S4,通过数据采集器对所述步骤S3得到的中频信号进行数字化采样，并提取 所述中频信号的幅度；
[0015] 步骤S5,通过所述数据采集器对所述步骤S1中的ICT输出的流强平均值进行数字 化采样，并根据采样到的流强平均值及步骤S4中提取的中频信号的幅度根据下式确定束流 流强与中频信号幅度的对应关系系数：
[0016] 中频信号幅度=1^1?八2
[0017]其中，A为束流流强，luk2为系数；以及
[0018] 步骤S6,重复执行步骤S2-S4以获取不同时刻所述低通滤波器输出的中频信号的 幅度，再根据所述步骤S5中得到的所述中频信号的幅度与束流流强的对应关系系数，而获 取不同时刻的束流流强。
[0019] 其中，所述探头分别位于每个参考腔的两侧。
[0020] 特别的，所述两个参考腔均为高Q腔。
[0021] 优选地，所述两个参考腔设置为使对应的共模TM010信号的频率差为1-200兆赫 兹。
[0022]更优地，所述两个参考腔设置为使对应的共模ΤΜ010信号的频率差为20-40兆赫 兹。
[0023]较佳地，该系统还包括一连接在所述低通滤波器与数据采集器之间的放大器对低 通滤波得到的中频信号进行放大。。
[0024]本发明利用腔式探头对束流强度的高灵敏度，设计双腔结构探头进行束流流强测 量。本发明采用具有两个参考腔的双腔腔式BPM同时测得两路共模TM010信号，并对这两路 共模TM010信号进行混频和低通滤波后获取束流流强，由于混频器和低通滤波器受辐射影 响较小可以设置在隧道内，从而克服了现有技术中共模TM010信号必须远距离传输至隧道 外与下变频使用的本振源进行混频所导致的信号衰减及对室内外温差敏感的缺陷，同时两 探头输出信号相位差固定，也解决了本振源锁相问题。本发明利用腔式探头高灵敏度和ICT 多次测量的准确度进行流强绝对值标定，提高了测量精度，分辨率远好于千分之一。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明测量粒子加速器束流流强的系统的结构框图；
[0026] 图2为现有技术中典型的腔式BPM的结构示意图；
[0027]图3为本发明中的双腔腔式BPM的结构示意图；
[0028]图4为本发明测量粒子加速器束流流强的系统的一个优选实施例的结构框图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
[0030] 如图1所示，本发明，即测量粒子加速器束流流强的系统，包括设置在粒子加速器 通道10上的一双腔腔式BPM1和一 ICT2,还包括用于信号处理的一对差分器31和32、一混频 器4、一低通滤波器5和一数据采集器6。其中，混频器4、低通滤波器5和数据采集器6依次串 联，一对差分器31和32并联在双腔腔式BPM1与混频器4之间。
[0031] 在本发明中，双腔腔式BPM1是指在典型腔式BPM的基础上增加了一个参考腔的束 流位置探测器，图2和图3分别示出了典型腔式BPM和双腔腔式BPM的结构示意图，图中箭头 所示方向为束流传输方向。从图2中可以看出，典型腔式BPM具有一个参考腔13'及一对用于 引出该参考腔13'的两路谐振信号的探头11'和12'，该对探头11'和12'输出的两路信号进 行差分后，即可得到该参考腔13'对应的共模TM010信号。再请参阅图3,本发明的双腔腔式 BPM具有两个参考腔15和16及两对探头11和12、13和14,其中，一对探头11和12用于引出参 考腔15的两路谐振信号，另一对探头13和14用于引出参考腔16的两路谐振信号，每对探头 11和12、13和14分别输出的两路信号进行差分后，即可得到相应参考腔15和16对应的共模 TM010信号。由于当前电子学水平10位以上的模数转换器件可以达到1G赫兹以上，因此可以 对采样500兆赫兹频率以内的信号实现数字化采样。但是频率越高，受到的信号干扰越严 重。为了解决干扰的问题，双腔腔式BPM1设置为使两个参考腔15和16对应的共模ΤΜ010信号 的频率差为1-200兆赫兹，而最佳的抗干扰频率则是中频彳目号，因此本发明优选20~40兆赫 兹。两个参考腔15和16均为高Q腔。
[0032] 采用图1中的系统进行束流流强测量的方法如下：
[0033] 步骤S1，通过ICT2对粒子加速器通道10中的束流流强进行多次测量，并输出多次 测量的流强平均值。
[0034] 步骤S2,通过双腔腔式BPM1的两对探头11和12、13和14分别引出两个参考腔15和 16各自对应的两路谐振信号。
[0035] 步骤S3,首先，通过一对差分器31和32分别对每对探头11和12、13和14输出的两路 谐振信号进行差分，得到的