同步回旋加速器调制频率测试方法

摘要

本发明公开一种同步回旋加速器调制频率测试方法，涉及同步回旋加速器技术领域，所述测试方法步骤包括：选取旋转电容的运动模式为位置模式，设置步进角度固定的周向运动，对同步回旋加速器腔体进行频率扫描得到腔体本征频率区间f

说明书

技术领域

本发明涉及同步回旋加速器技术领域，更具体地说，它涉及一种同步回旋加速器调制频率测试方法。

背景技术

回旋加速器是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，是高能物理中的重要仪器。

现有的回旋加速器，主要结构是在磁极间的真空室内设置两个半圆形的金属扁盒(D 形盒)隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场力，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。绕行半圈的时间为πm/qB，其中参数q为粒子电荷，m为粒子的质量，B是磁场的磁感应强度。如果D形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D形盒上电压方向转变，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特(MeV)。但是随着粒子速度的增大，根据相对论效应，粒子的质量也将会增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态。为解决上述问题，出现了同步回旋加速器。

同步回旋加速器(synchrocyclotron)是为了克服上述经典回旋加速器的极限能量的限制而发展起来的回旋式加速器，又称稳相加速器或调频回旋加速器。它与经典回旋加速器的主要区别在于采用了调频技术，使粒子被加速过程中，腔体(加速电场所在腔室)的频率随粒子的回旋频率同步下降，以保持谐振加速条件，进而突破了上述经典回旋加速器中相对论性质量增加对提高能量的限制。

在同步回旋加速器的应用当中，当某一粒子束流引出后，腔体频率快速回调到初始加速频率，继续下一束团的加速。离子被周期性加速所对应的时间即调制时间，其倒数即为调制频率。同步回旋加速器腔体频率的变化一般通过周期性的旋转电容实现。基于上述介绍可以看出，在同步回旋加速器的控制中，腔体频率对应的调频技术，其精确应用能够大大提升同步回旋加速器的性能，由此可见，同步回旋加速器调制频率的测试十分重要。当前，上述调制频率的测试通常都是通过谐振回路参数测试等方式间接测得的，且测试过程中腔体本征频率对测试结果存在着干扰，最终使得测试结果误差较大。

发明内容

针对实际运用中存在的缺陷，本发明目的在于提供一种同步回旋加速器调制频率测试方法，能够实现对调制频率的直接测试，以核实调制频率是否满足同步回旋加速器的设计要求，具体方案如下：

一种同步回旋加速器调制频率测试方法，基于在同步回旋加速器腔体中设置周期性旋转电容以及旋转电容驱动器，所述旋转电容包括旋转电容转子叶片及旋转电容定子叶片，包括如下步骤：

1)选取旋转电容的运动模式为位置模式，设置步进角度为0.5°-2°的周向运动，相邻两次运动间隔设定时间，同时利用网络分析仪对同步回旋加速器腔体进行S参数的频率扫描，得到腔体的整个本征频率区间，记为f₁～f₂；

2)选取腔体本征频率区间f₁～f₂中接近中间频率的一频率值f₀，停止旋转电容驱动器；

3)调节腔体耦合电容，使得在f₀处腔体的S参数中S₁₁小于-15dB；

4)设置信号源频率为f₀，功率为10dBm，连续模式，并将其输出信号连接至腔体的耦合端，同时将腔体电容取样信号连接至示波器，对旋转电容真空室抽真空，旋转电容真空室真空度不高于0.1mbar；

5)选取旋转电容的运动模式为速度模式，将旋转电容转速稳步提升至设计转速；

6)利用示波器标尺功能测试取样腔体电容取样信号的尖峰之间的时间间隔Δx及其倒数1/Δx， 1/Δx即为同步回旋加速器的调制频率。

进一步的，所述步骤1)中，旋转电容转子叶片相邻两次运动间隔设定时间为固定值 4-6s。

进一步的，所述步骤4)中，设置示波器输入信号端口内阻为50欧姆。

进一步的，所述步骤5)中，所述旋转电容的加速度为，40-70rpm/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过对腔体本征频率加以检测并且利用调节腔体耦合电容，减小腔体本征频率对测量结果的影响，保证直接测得的调制频率结果准确。

附图说明

图1为本发明同步回旋加速器腔体结构示意图；

图2为同步回旋加速器调制频率测试布局图；

图3为同步回旋加速器调制频率测试曲线图。

图4为同步回旋加速器调制频率测试曲线图。

附图标记：1、耦合端；2、耦合电容；3、Dee板；4、主真空室；5、短路端；6、旋转电容真空室；7、旋转电容定子；8、旋转电容转子；9、转轴。

具体实施方式

下面结合实施例及图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

如图1所示，为同步回旋加速器腔体结构示意图，采用半波长的结构，头部为耦合端1、Dee板3和主真空室4，耦合端1与Dee板3之间形成耦合电容2，通过传输线连接尾部的旋转电容及其旋转电容真空室6。尾部旋转电容定子7叶片为两层，旋转电容转子8 叶片为一层，旋转电容转子8叶片经转轴9与旋转电容驱动器传动连接，旋转电容定子7叶片与旋转电容转子8叶片具有设定的轴向距离，通过旋转电容转子8叶片的旋转完成腔体等效电容的变化，进而实现腔体频率的调制。在一实用情况中，回旋加速器中Dee板3的首部高压端和尾部高压端通过传输线相连接。

如图2所示，为同步回旋加速器调制频率测试布局图，转轴9与旋转电容驱动器连接，上述旋转电容驱动器包括电机，电机与电机驱动器以及控制终端连接。旋转电容真空室6经波纹管与一真空泵连接，实现旋转电容真空室6的真空。信号源与示波器均通过传输线与腔体连接。

如图1所示，同步回旋加速器还包括短路端5(内杆)，该短路端5设置在电场较弱的位置，短路端5可等效为电感，短路端5增长对应电感量增大，则其与旋转电容所构成的谐振回路的谐振频率越小，反之，短路端5长度减小对应电感量减小，谐振频率增大。

基于上述同步回旋加速器的结构，本发明调制频率测试方法包括如下步骤：

1)选取旋转电容的运动模式为位置模式，设置步进角度为0.5°-2°的周向运动，优选为1°，相邻两次运动间隔设定时间，在本发明中，上述时间设定为固定值4-6s，优选为5s，同时利用网络分析仪对同步回旋加速器腔体进行S参数(S参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数)的频率扫描，得到腔体的整个本征频率区间，记为f1～f2；

2)选取腔体本征频率区间f1～f2中接近中间频率的一频率值f0，停止旋转电容驱动器；

3)调节腔体耦合电容2，使得在f0处腔体的S参数中S₁₁小于-15dB；

4)设置信号源频率为f0，功率为10dBm，连续模式，并将其输出信号连接至腔体的耦合端 1，同时将腔体电容取样信号(取样信号为电容板，图1中的耦合端1)连接至示波器，对旋转电容真空室6抽真空，旋转电容真空室6真空度不高于0.1mbar；

5)选取旋转电容的运动模式为速度模式，将旋转电容转速稳步提升至设计转速，其中旋转电容的加速度为40-70rpm/s；

6)利用示波器标尺功能测试取样腔体电容取样信号的尖峰之间的时间间隔Δx及其倒数1/Δx， 1/Δx即为同步回旋加速器的调制频率(参见图3)。

在步骤1)，相邻两次圆周运动设置固定的间隔时间，主要原因在于每次运动时，旋转电容驱动器，如步进电机的运动需要一定长度的响应时间(通常为1s左右)，而网络分析仪也有需要一定的时间做好分析的准备，这里选择4-6s，保证了旋转电容相邻两次运动之间不会相互影响，保证运动的精度，同时兼顾测试的效率。

在步骤5)中，在旋转电容运动中，旋转电容的加速度优选为50rpm/s，加速度过快，步进运动会有明显的过冲现象，步进1°的稳定时间较长；加速度过慢，不仅运动反应会很慢，影响效率。

进一步的，所述步骤4)中，设置示波器输入信号端口内阻为50欧姆。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。