一种粒子加速器在准连续运行状态下的高斯束团平均电流测量方法

摘要

本发明公开了种粒子加速器在准连续运行状态下的高斯束团平均电流测量方法，通过在束流变压器上连接滤波器，以解决粒子加速器在准连续运行状态下用束流变压器测量平均电流时误差较大的问题。本发明提供的平均电流测量方法，测量方法简单，容易实施；并且在硬件上使用常用的束流变压器，只添加一个低通滤波器，不需要使用其他的硬件，造价低廉。

说明书

技术领域

本发明涉及带电粒子加速器束流测量技术，具体涉及带电粒子加速器准连续运行状态下的平均电流测量方法。

背景技术

获得高平均功率电子束的一个直接途径是提高粒子加速器的脉冲重复频率，使加速器在准连续状态下运行。束流流强是粒子加速器运行的重要参数之一,在每个粒子加速器的日常运行中，往往第一个检测的参数就是束流流强。测量参数包括脉冲电荷量，峰值电流和平均电流。平均电流是通过测量脉冲电荷量，结合脉冲的重复频率计算得到。流强的测量方式可以分为阻拦式测量和非阻拦测量。

其中，阻拦式测量是使用法拉第筒进行测量，这种方法最为直接和方便。但使用法拉第筒一方面直接“挡住”了束流，没有办法进行在线监测，另一方面，准连续运行的粒子束平均功率较高，使得即使安装在束线末尾的法拉第筒，由于要添加冷却装置，系统庞大，结构复杂，造成对流强的测量误差较大。

非阻拦测量通常使用束流变压器，或者使用束流变压器的延伸型号快速束流变压器或者积分束流变压器，这些束流变压器都是基于经典的果罗夫斯基线圈。果罗夫斯基线圈是基于电磁感应原理耦合束流的电磁场信号，从原理上即不能耦合出直流信号。果罗夫斯基线圈结合外电路形成的束流变压器整体具有带通属性，在低频截止频率和高频截止频率之间有一个最优的工作频率范围。

加速器在准连续运行状态下，由于束流变压器的低频截止效应，造成信号直流成分和部分低频成分的丢失，这样通过束流变压器直接测量得到的脉冲电荷量和根据脉冲电荷量计算得到的平均电流就会有较大的误差。

另一种测量平均电流的方式是使用直流束流变压器(DCCurrentTransformer，DCCT)是利用非线性元件进行二次谐波检测的原理进行直流测量，DCCT结构复杂，造价高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粒子加速器在准连续运行状态下的平均电流测量方法，以解决粒子加速器在准连续运行状态下用束流变压器测量平均电流时误差较大的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种粒子加速器在准连续运行状态下的高斯束团平均电流测量方法，包括以下步骤：

步骤一：获取束流变压器在频率f₀的增益G(f₀)；其中，f₀为加速器束团的重复频率；

步骤二：计算高斯束团直流分量和一次谐波分量之间的比例关系X；

步骤三：在束流变压器上连接滤波器，在滤波器的输出端测量输出电压波形的峰峰值；

步骤四：根据测量的的峰峰值Vpp，结合增益g(f₀)，计算出加速器的平均电流。

在上述技术特征中，所述束流变压器的滤波器或为低通滤波器，或为带通滤波器。

在上述技术特征中，所述低通滤波器的截止频率大于f₀小于2f₀。

在上述技术特征中，所述带通滤波器的低频截止频率小于f₀，高频截止频率大于f₀小于2f₀。

在上述技术特征中，所述束流变压器或为常规束流变压器、或为快速束流变压器，或为积分束流变压器。

在上述技术特征中，所述束流变压器的束团的重复频率f0包含在线圈的有效频率范围内。在上述技术特征中，束流变压器输出端的特征阻抗为50欧姆。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提供的平均电流测量方法，测量方法简单，容易实施；并且在硬件上使用常用的束流变压器，只添加一个低通滤波器，不需要使用其他的硬件，造价低廉。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明所述平均电流测量方法的一种实施例的设备连接示意图；

其中：1为束流变压器；2为滤波器；3为示波器。

具体实施方式

下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。

步骤一，获取束流变压器在频率f₀的增益G(f₀)；其中，f₀为加速器束团的重复频率。

使用矢量网络分析仪可以测量束流变压器在一定频率范围内的增益，也可以直接使用束流变压器厂商提供的标定结果。比如：使用积分式束流变压器进行测量，直接使用出厂标定的ICT频率响应曲线，可以得到束流变压器在频率f₀的增益G(f₀)。

在一些实施例中，测量系统，若传输电缆和滤波器的衰减较大，要同时考虑整个测量系统在频率f₀的增益G(f₀)。

步骤二，计算高斯束团直流分量和一次谐波分量之间的比例关系X；

高斯束团直流分量和一次谐波分量之间的比例关系X的计算方法为：时域为高斯分布的束团表示为

$L_{bunch}\left(t\right)=T_{t0}Exp\left(\frac{-t^2}{2{\sigma }^2}\right)$

其中，I_t0为高斯束团在频域分布的幅度参数,将上式变换到频域，得到

$T_{bunch}\left(\omega \right)=T_{\omega 0}Exp\left(\frac{-{\omega }^2{\sigma }^2}{2}\right)$

其中，I_ω0为高斯束团在频域分布的幅度参数。

高斯束团直流分量和一次谐波分量之间的比例关系X＝I_bunch(0)/I_bunch(f0).

准高斯分布的束团，可以用此测量方法进行近似测量。

在束团长度远小于束团的重复周期，在满足误差要求的情况下，认为一次谐波的幅度等于直流分量的幅度，即X＝1。

例如：在本实施例中，束团的重复频率为54MHz；

f＝0处，直流分量I_bunch(0)＝I_ω0(0)；

f＝54MHz处，I_bunch(0)＝I_ω0(0)*Exp(-2*pi^2*σ^2*54M^2)；

在σ小于0.42ns，即束团半宽高小于1ns，一次谐波的幅度和直流分量的幅度误差小于1％，可以认为一次谐波的幅度等于直流分量的幅度。

步骤3：在束流变压器上连接滤波器，在滤波器的输出端测量输出电压波形的峰峰值；

束团的信号在时域展开为傅立叶级数可以表示为：

$I_{bunch}\left(t\right)=Q_{bunch}{f}_{req}+2Q_{bunch}{f}_{req}\underset{n=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}cos\left(2{\mathrm{\pi nf}}_{req}t\right)$

式中：frep＝1/T表示束团的重复频率，第一项Qbunchfreq表示平均电流，第二项表示其余n次谐波分量。

束流变压器具有低频截止性质，在束流变压器的输出端，束流信号中的直流分量就“丢失”了。滤波器可以选用低通滤波器或者带通滤波器，低通滤波器的截止频率大于f0小于2f0；带通滤波器的低频截止频率小于f0,高频截止频率大于f0小于2f0；其作用在于只保留输出信号的一次谐波。这样，滤波器的输出信号就可以表示为：

I_out(t)＝2Q_bunchf_reqcos(2πf_reqt)

考虑图1所示测量系统在f0的增益，输出信号表示为：

I_out(t)＝2Q_bunchf_reqG(f_req)cos(2πf_reqt)

其中，G表示增益，包括束流变压器、滤波器、示波器及连接所用的同轴电缆和连接器。

束流变压器可以使用常规的束流变压器(BeamCurrentTransformer，BCT)，也可以使用快速束流变压器(BeamCurrentTransformer,FBCT)或者积分束流变压器(IntegratingCurrentTransformer,ICT)，其基本的测量原理都是基于罗果夫斯基线圈。只要束团的重复频率f0包含在线圈的有效频率范围内，并且线圈的其他参数满足普通的脉冲束团流强测量要求即可

峰峰值的测量可以使用示波器、万用表、电压表等测量设备，只要测量精度满足要求，对测量设备不做特别的限定。滤波器的输出是正弦波，峰峰值与峰值、RMS值有确定的变换关系，对电压的测量也不限定于测量峰峰值。

步骤4：根据步骤3测量的的峰峰值V_pp，结合步骤2中得到增益G(f0)和步骤3中高斯束团直流分量和一次谐波分量之间的比例关系X，计算出加速器的平均电流I_average。

$I_{average}=\frac{V_{pp}}{Z·4·G\left(f_0\right)}·X$

其中，Z为测量电压所用仪器的特征阻抗，一般为50欧姆。如步骤2中分析，在一些实施例中，X可以认为等于1。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。