一种超导腔垂直测试模式串扰抑制系统

1.本实用新型涉及一种超导腔垂直测试模式串扰抑制系统，属于粒子加速器、超导低温技术领域。


背景技术：

2.超导腔垂直测试是超导腔研制过程中的关键环节，通过垂直测试来检验超导腔的性能是否达到设计指标，发现超导腔的问题，并为下一步超导腔的优化改进提供指导。超导腔垂直测试是在低温(一般2k或4k)液氦环境下对超导腔的rf性能和机械性能进行测试，测量及在工作温度下的加速梯度和q值情况。
3.为了更深入的探索研究物质的深层次结构，揭示自然界的奥秘和规律，并推动基础研究在技术领域的应用，超导加速器成为科学家们关注的焦点。超导加速器能够在很短的距离内将粒子加速到较高的能量，可以让这些高能粒子对撞进行高能物理研究，也可以利用粒子发出的射线进行生命物质、材料结构的分析研究。因此国内外多个大型的超导加速器项目也应运而生，如美国正在建造的直线加速器相干光源项目(lcls
‑
ii)、上海硬x射线自由电子激光装置(shine)、多个国家计划联合建造的未来国际直线对撞机项目(ilc)，以及由中科院高能所提出的未来环形对撞机等工程项目(cepc)，这些项目都需要大量的高性能1.3ghz9
‑
cell超导腔。
4.1.3ghz 9
‑
cell超导腔的制造工艺复杂，配套低温设备等价格昂贵，运行成本高，因此需要进一步提高超导腔性能，减少超导腔的数量，降低超导加速器建造和运行的成本。超导腔性能的一个重要性能参数是超导腔的表面电阻，降低超导腔的表面电阻可以提升超导腔的q0值，减小低温损耗，超导腔也可以工作在更高的加速梯度下，从而达到降低成本的目的。但是当超导腔的q值提升后，在超导腔测试过程中易发生其它模式的串扰，特别是7pi/9模式，会对超导腔的测试产生严重影响，超导腔的梯度无法长时间稳定在设定梯度，无法准确的测量超导腔的失超梯度，因此需要对超导腔的串扰模式进行抑制，以保证超导腔性能的精确测量。
5.目前国内外对于测量非高q超导腔通用的测量方法是通过加滤波器，对超导腔的信号进行滤波，或是相位调整来抑制其它模式的干扰，这种方法对于高q超导腔的7pi/9模式无法抑制；对于高q超导腔采用快速加功率，快速切功率的方法进行超导腔的测试，在其它模式起来不高的情况下快速切掉功率，并未对模式串扰进行抑制，此种情况下超导腔不能稳定在高的梯度，无法精确测量超导腔的最高性能。如图1所示为常用的超导腔垂直测试低电平系统原理图。
6.通用超导腔垂直测试系统主要由测试的超导腔、滤波器、方向耦合器、限幅放大器、衰减器、放大器、鉴相器、移相器、频谱仪、示波器等设备组成。超导腔、滤波器、方向耦合器、限幅放大器、移相器，以及放大器构成自激的闭环环路，向超导腔内馈入微波功率，对超导腔进行测试。
7.此方案存在以下缺点和不足：
8.通过滤波器滤波和调整移相器无法对高q多cell超导腔的垂直测试过程中的串扰模式进行有效抑制，特别是由场致发射引起的7pi/9模式，这严重的影响了超导腔的垂直性能测试，超导腔无法稳定的进行连续波的测试，无法精确的测量超导腔的最高失超梯度，对超导腔的进一步性能优化改进和提升也造成了一定影响。


技术实现要素：

9.针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种超导腔垂直测试模式串扰抑制系统，对1.3ghz 9
‑
cell高q超导腔测试过程中的串扰模式进行抑制，保证测试过程中pi模式的稳定，实现对1.3ghz 9
‑
cell高q超导腔性能的高精度稳定测量。
10.本实用新型的技术方案为：
11.一种超导腔垂直测试模式串扰抑制系统，包括自激环路，所述自激环路包括功率源1、超导腔5和提取天线19；其特征在于，还包括一直接反馈自激控制环路；所述直接反馈自激控制环路包括依次连接的低通滤波器、限幅放大器、衰减器和移相器；所述提取天线19从超导腔5提取的微波信号分为两路，一路微波信号输入所述直接反馈自激控制环路，另一路微波信号经所述自激环路传输；其中所述直接反馈自激控制环路的移相器输出信号与所述自激环路输入所述功率源1之前的信号进行合路后输入到所述功率源1，驱动所述功率源1进行功率输出；所述低通滤波器用于过滤掉pi模式。
12.进一步的，所述提取天线19从超导腔5提取的微波信号通过一功分器15分为两路微波信号。
13.进一步的，所述直接反馈自激控制环路的移相器输出信号与所述自激环路输入所述功率源1之前的信号分别输入到功率合成器17进行合路后输入到所述功率源1。
14.进一步的，所述低通滤波器为声表面滤波器。
15.进一步的，所述衰减器为压控衰减器。
16.进一步的，所述超导腔5为1.3ghz 9
‑
cell高q超导腔。
17.本实用新型与现有技术相比的优点在于：
18.本技术能够有效抑制1.3ghz 9
‑
cell超导腔测试过程中由于场致发射等因素导致的模式串扰，并可以通过调整直接反馈环路的相位对不同的串扰模式进行抑制，特别是7pi/9模式的串扰；传统的自激测试系统仅靠滤波方法和原自激环路的相位调整，无法有效抑制8pi/9模式以外的其它串扰模式。
附图说明
19.图1为传统的超导腔垂直测试原理图；
20.图2为超导腔垂直测试模式串扰抑制系统示意图。
21.其中，1
‑
功率源；2
‑
方向耦合器；3
‑
负载；4
‑
功率计；5
‑
超导腔；6
‑
带通滤波器；7
‑
限幅放大器；8
‑
衰减器；9
‑
电控移相器；10
‑
耦合器；11
‑
移相器；12
‑
频率计；13
‑
频谱仪；14
‑
示波器；15
‑
功分器；16
‑
环形器；17
‑
功率合成器；18
‑
入射天线；19
‑
提取天线；20
‑
低通滤波器。
具体实施方式
22.下面结合附图及实施例对本技术作进一步详细说明，但不仅限于此。
23.本实用新型在通用测量方法的基础上增加直接反馈自激控制环路对超导腔的其它串扰模式进行抑制。本技术的超导腔垂直测试模式串扰抑制系统的基本原理如图2所示。
24.本方案设计的超导腔垂直测试模式串扰抑制，是在通用测量方法的基础上增加直接反馈自激控制环路，来实现对超导腔的其它串扰模式进行抑制。如图2中黑色虚线框之内的部分为原自激环路，黑线框之外的部分和通用自激环路的功率源、方向耦合器、环形器，以及超导腔构成直接反馈自激环路。1.3ghz 9
‑
cell超导腔测试过程中的模式串扰一般是由于发射机带宽、系统滤波不够容易导致相邻8pi/9模式的串扰。但是对与其它模式与pi模之间的频率相差较大，在滤波器滤波的情况下，一般不会产生干扰。但是当超导腔测试过程中存在场致发射，场致发射的电子很容易激起其它模式，从而对超导腔的pi模产生串扰，特别是对于经常发生的7pi/9模式串扰，在此种情况下简单的滤波已经不能抑制住模式串扰的发生。本方案通过增加直接反馈自激控制环路，引入一个反向的束流感应腔压，通过反馈环路增大腔的带宽，等效为降低了超导腔的瞬态阻抗(z＝dv/di)和品质因数q，缩短建场时间，激励的串扰模式能够很快衰减掉，从而避免对超导腔pi模式的干扰。
25.如图2所示各个设备器件之间通过射频同轴线缆连接，提取天线19从超导腔5提取的微波信号通过功分器15分为两路，一路信号沿原自激环路传导，另一路信号进入直接反馈自激控制环路：首先信号通过射频同轴线缆进入低通滤波器20的输入端，从低通滤波器20的输出端输出的信号(已经将频率高的pi模滤掉)，通过射频线缆进入直接反馈自激环路中的限幅放大器7的输入端，经过限幅放大器7输出的放大信号，通过射频线缆进入直接反馈自激控制环路衰减器8的输入端，信号经过衰减器8的适度衰减后从输出端输出，并通过射频线缆进入直接反馈自激控制环路的移相器11，由移相器11输出的微波信号与传统自激环路信号通过功率合成器17合路为一路信号，合成的信号通过射频线缆进入功率源1的输入端驱动功率源1进行功率输出，输出的微波功率经由通用自激环路中的方向耦合器2、环形器16，最终通过入射天线18馈入超导腔5，行程完整的自激环路测试系统。超导腔测试过程中通用的自激环路和直接反馈自激环路同时工作，并通过调节直接反馈控制自激环路中的移相器对由场致发生激励起的串扰模式进行有效抑制。
26.低通滤波器可以采用声表面滤波器(过滤掉pi模式)，限幅放大器7为ad8309(使用此限幅放大器时，输入信号需要先下变频至500mhz)，衰减器8采用mini
‑
circuits公司的zx73
‑
2500
‑
s(压控衰减器)，功率计4采用安捷伦的e4417a，方向耦合器2采用narda公司的3022方向耦合器(频率1～4ghz，功率500w)，功分器15采用mini
‑
circuits公司的zfsc
‑2‑5‑
s+，功率合成器17采用mini
‑
circuits公司的zesc
‑2‑
11+。
27.综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。