準(zhǔn)阻抗匹配傳輸式的外移動(dòng)式束流探測(cè)器標(biāo)定裝置的研發(fā)與使用

白海濤，王 毅，何小中，廖樹(shù)清，石金水

(中國(guó)工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

束流探測(cè)器是加速器的重要組成部件之一，其主要有熒光靶、法拉第筒、羅果夫斯基線圈、條帶型束流探測(cè)器、紐扣型束流探測(cè)器、壁電流探測(cè)器、磁探針以及諧振腔探測(cè)器[1-6]。這些探測(cè)器多用來(lái)診斷束流流強(qiáng)和束心位置，使用前，均需要進(jìn)行束流標(biāo)定。1999年，為診斷強(qiáng)流直線感應(yīng)加速器的束流位置，代志勇等[7]利用標(biāo)定裝置標(biāo)定了電阻環(huán)束流探測(cè)器。2002年，謝宇彤等[8]用高壓發(fā)生器和兩根75 Ω電纜與模擬桿連接，其中一端懸空，模擬電子束流，對(duì)電阻環(huán)束流探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)定。2009年，Everson等[9]設(shè)計(jì)、建立并標(biāo)定了一種三軸高頻磁感應(yīng)探頭，用于診斷爆炸等離子體中的快速瞬變效應(yīng)。2012年，王建新[3]利用中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的BPM標(biāo)定平臺(tái)進(jìn)行了束團(tuán)長(zhǎng)度的測(cè)量研究。2014年，何小中等[10]發(fā)現(xiàn)束流標(biāo)定裝置的阻抗對(duì)標(biāo)定結(jié)果有一定的影響。2015年，王建新等[11]]研究了積分式束流變壓器(ICT)測(cè)量束團(tuán)電荷量的精確標(biāo)定。2019年，為診斷LIPAc加速器中氘核的束心位置、相位以及束流能量， Podadera等[12]標(biāo)定了用于該加速器的兩種條帶型束流探測(cè)器。目前，束流探測(cè)器標(biāo)定裝置多采用細(xì)鎢絲傳輸信號(hào)[13]，或采用半剛性同軸天線[3]，因此標(biāo)定裝置在信號(hào)傳輸上并沒(méi)有保持阻抗匹配。標(biāo)定裝置的阻抗對(duì)標(biāo)定結(jié)果有一定影響[10]。未保持阻抗匹配，會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致反射信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)疊加，因此激勵(lì)BPM的信號(hào)并不是類(lèi)似束流傳輸?shù)男盘?hào)。此外，部分束流標(biāo)定裝置外導(dǎo)體未封閉，會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)信號(hào)外泄，或探測(cè)到實(shí)驗(yàn)室其他電磁場(chǎng)信號(hào)噪聲，從而增加標(biāo)定誤差。

本文提出外導(dǎo)體封閉式束流標(biāo)定裝置，相應(yīng)主要部件連接關(guān)系為：激勵(lì)信號(hào)輸入端-第一固定直線段-第一波紋管段-第一阻抗匹配段-BPM-第二阻抗匹配段-第二波紋管段-第二固定直線段-激勵(lì)信號(hào)輸出端。本文首次采用固定標(biāo)定裝置的內(nèi)導(dǎo)體桿并移動(dòng)標(biāo)定裝置外部的束流探測(cè)器(外導(dǎo)體)來(lái)模擬束流偏置，因此稱(chēng)作外移動(dòng)式束流探測(cè)器標(biāo)定裝置。該標(biāo)定裝置的內(nèi)導(dǎo)體外徑隨外導(dǎo)體內(nèi)徑的變化而變化，二者保持恒定比例以保持阻抗匹配。阻抗匹配段可更改其兩端的管口孔徑以適應(yīng)不同孔徑的BPM，若要標(biāo)定其他孔徑的BPM，只需重新設(shè)計(jì)阻抗匹配段和內(nèi)導(dǎo)體桿即可，因此增加了標(biāo)定裝置其他設(shè)備的利用率。另外，本文對(duì)比外移動(dòng)式束流探測(cè)器標(biāo)定裝置與固定外導(dǎo)體而移動(dòng)內(nèi)導(dǎo)體來(lái)模擬束流偏置的標(biāo)定裝置。

1 外移動(dòng)式束流探測(cè)器標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的Bdot-BPM，驗(yàn)證外移動(dòng)式束流探測(cè)器標(biāo)定裝置可用于束流標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)室采用共振式Bdot-BPM探測(cè)器對(duì)Rhodotron電子束流進(jìn)行橫向位置測(cè)量，該Bdot-BPM探測(cè)器共振頻率為Rhodotron射頻加速頻率的2倍，即215 MHz。采用CST MicroWave Studio建立固定不動(dòng)的內(nèi)導(dǎo)體桿1根、外導(dǎo)體固定直線段2根、波紋管2根、外導(dǎo)體阻抗匹配段2根、非截?cái)嗍绞魈綔y(cè)器，主要部件連接關(guān)系如圖1所示。當(dāng)模擬束流橫向偏置時(shí)，固定內(nèi)導(dǎo)體桿，移動(dòng)標(biāo)定裝置外部的BPM及相關(guān)連接部件(外導(dǎo)體)，外導(dǎo)體的形變量傳至波紋管，形變應(yīng)力最終被波紋管吸收。以往束流標(biāo)定裝置如圖2所示，采用固定外導(dǎo)體，移動(dòng)內(nèi)導(dǎo)體桿來(lái)模擬束流橫向偏置。圖1、2均模擬束流向下偏置6 mm，圖1將外導(dǎo)體向上移動(dòng)6 mm，相當(dāng)于內(nèi)導(dǎo)體桿向下移動(dòng)6 mm，圖2則外導(dǎo)體不動(dòng)，內(nèi)導(dǎo)體桿向下移動(dòng)6 mm。

圖1 外移動(dòng)式束流探測(cè)器標(biāo)定裝置Fig.1 Outer conductor moving type calibration device

圖2 移動(dòng)內(nèi)導(dǎo)體型標(biāo)定裝置Fig.2 Inner conductor moving type calibration device

2 內(nèi)導(dǎo)體桿外徑對(duì)標(biāo)定裝置的S參數(shù)影響

對(duì)圖1所示的外移動(dòng)式束流探測(cè)器標(biāo)定裝置進(jìn)行端口設(shè)置，設(shè)置內(nèi)導(dǎo)體桿的一端為端口1用來(lái)饋入微波，內(nèi)導(dǎo)體桿的另一端為端口6用來(lái)輸出微波，束流探測(cè)器的4個(gè)信號(hào)輸出口分別為端口2、3、4、5，設(shè)置端口后，對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算并得到各端口的S參數(shù)。本文重點(diǎn)研究束流探測(cè)器的信號(hào)輸出端口對(duì)激勵(lì)信號(hào)饋入端口的頻譜響應(yīng)曲線，即S21、S31、S41、S51參數(shù)，因探測(cè)器4個(gè)端口構(gòu)造一致，因此只需考慮S21參數(shù)。在束流偏置Dx=0 mm時(shí)，改變內(nèi)導(dǎo)體桿的外徑并得到相應(yīng)情況下的S21參數(shù)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，內(nèi)導(dǎo)體桿外徑分別為2、4、6 mm時(shí)，S21參數(shù)的頻率諧振峰都是215 MHz，因此內(nèi)導(dǎo)體桿的外徑大小對(duì)S21參數(shù)的頻率諧振點(diǎn)沒(méi)有影響，即束流橫向尺寸不會(huì)影響B(tài)PM信號(hào)響應(yīng)的頻率諧振點(diǎn)。在設(shè)計(jì)標(biāo)定裝置時(shí)，只需要整個(gè)標(biāo)定裝置的外導(dǎo)體內(nèi)徑與內(nèi)導(dǎo)體外徑保持恒定比例即可，本文保持該比例為2.303以使電磁波在該標(biāo)定裝置傳輸中保持50 Ω阻抗匹配。

圖3 不同大小金屬內(nèi)桿得到的S21參數(shù)Fig.3 S21 parameter obtained by different sizes of inner metal rod

3 CM、OM兩種裝置模擬實(shí)驗(yàn)與對(duì)比

3.1 CM、OM兩種裝置對(duì)BPM的S21參數(shù)影響

應(yīng)用于Rhodotron的BPM共振頻率為Rhodotron射頻加速頻率的2倍(215 MHz)，因此需對(duì)比兩種標(biāo)定裝置的S21參數(shù)在215 MHz附近的結(jié)果。為方便描述，CM表示固定外導(dǎo)體并移動(dòng)內(nèi)導(dǎo)體桿模擬束流偏置，即中心移動(dòng)，如圖2所示；OM表示固定內(nèi)導(dǎo)體桿并移動(dòng)外導(dǎo)體模擬束流偏置，即外部移動(dòng)，如圖1所示。利用CST MicroWave Studio建立CM、OM兩種標(biāo)定裝置模型，分別模擬束流偏置Dx=0、2、4、6 mm的情形，得到CM、OM兩種束流標(biāo)定裝置的探測(cè)器頻譜響應(yīng)曲線S21結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：1) 無(wú)論束流偏置與否，CM、OM兩種標(biāo)定裝置的S21曲線高度重合，頻率諧振峰都在215 MHz附近，且束流偏置Dx=0、2、4、6 mm時(shí)，CM、OM兩種標(biāo)定裝置的頻率諧振峰形狀一致，因此OM標(biāo)定裝置能與CM標(biāo)定裝置一樣用于束流標(biāo)定；2) 因束流無(wú)偏置時(shí)CM、OM兩種標(biāo)定裝置的模型相同，所以束流偏置為0 mm時(shí)，頻率370 MHz處CM、OM兩種標(biāo)定裝置的S21曲線走勢(shì)相同，束流偏置為2 mm、4 mm時(shí)，頻率370 MHz處兩種標(biāo)定裝置的S21曲線略有不同，原因可能是束流偏置時(shí)CM與OM模型不同，結(jié)果受到BPM高階模影響；3) 束流偏置Dx=0、2、4 mm時(shí)，對(duì)比頻率370 MHz處兩種標(biāo)定裝置的S21曲線，可得出370 MHz處OM的S21曲線比CM的S21曲線更接近束流偏置為0 mm的情況，由于束流位于管道中心比束流偏置時(shí)阻抗匹配更優(yōu)，因此可定性地說(shuō)OM束流標(biāo)定裝置的阻抗匹配優(yōu)于CM束流標(biāo)定裝置。在束流偏置Dx=0、2、4、6 mm時(shí)，得到CM、OM兩種標(biāo)定裝置的S21頻率諧振峰情況(表1)。

圖4 CM、OM的S21參數(shù)模擬結(jié)果Fig.4 S21 simulation result of CM and OM

由表1可知，不同束流偏置時(shí)，CM、OM兩種標(biāo)定裝置的S21頻率諧振點(diǎn)、-3 dB帶寬以及Q值都相近。進(jìn)一步對(duì)比兩組數(shù)據(jù)，得到CM、OM相關(guān)參數(shù)的相對(duì)誤差(表2)。

表1 CM、OM的S21諧振結(jié)果Table 1 S21 resonance result of CM and OM

表2 OM相對(duì)CM的相對(duì)誤差Table 2 Relative error of OM to CM

由表2可知，不同束流偏置時(shí)，CM、OM兩種標(biāo)定裝置的頻率諧振點(diǎn)相同，誤差忽略不計(jì)，只在束流偏置2 mm時(shí)頻率諧振點(diǎn)有0.01%的相對(duì)誤差。隨束流偏置的增大，OM相對(duì)CM的半功率帶寬的相對(duì)誤差變大，Q值相對(duì)誤差也隨之變大，但這并不表明OM標(biāo)定裝置比CM差，具體還要看哪種裝置的阻抗匹配更優(yōu)。通常情況下，束流偏置范圍不會(huì)超過(guò)5 mm，因此OM束流標(biāo)定裝置能像CM束流標(biāo)定裝置一樣可用于束流標(biāo)定。

3.2 CM、OM兩種標(biāo)定裝置對(duì)阻抗匹配的影響

因?yàn)槎丝?和端口6結(jié)構(gòu)相同且相對(duì)BPM對(duì)稱(chēng)，所以端口1、6的線性阻抗相同。本文得到兩種標(biāo)定裝置端口6的線性阻抗，如圖5所示。由圖5可知：1) 隨著束流偏置的變化CM標(biāo)定裝置阻抗匹配結(jié)果是離散的，215 MHz附近的每一個(gè)束流偏置對(duì)應(yīng)著一個(gè)阻抗匹配值。束流偏置Dx=0 mm時(shí)215 MHz處阻抗匹配結(jié)果為49.77 Ω，束流偏置Dx=2、4、6 mm時(shí)阻抗匹配結(jié)果分別為49.07、46.76、42.59 Ω，且Dx=6 mm的阻抗匹配值與50 Ω相對(duì)誤差約為14.42%。因此，束流偏置越大CM標(biāo)定裝置距50 Ω阻抗匹配的偏差就越大；2) 隨著束流偏置的變化OM標(biāo)定裝置阻抗匹配結(jié)果是收斂的，束流偏置Dx=0、2、4、6 mm時(shí)215 MHz附近的阻抗匹配結(jié)果都約為50 Ω，且相對(duì)50 Ω的最大相對(duì)誤差約為0.1%。因此，隨著束流偏置的變化，OM標(biāo)定裝置的阻抗匹配結(jié)果比CM更收斂，匹配結(jié)果更接近50 Ω，因此OM標(biāo)定裝置的阻抗匹配結(jié)果優(yōu)于CM標(biāo)定裝置。

圖5 CM(a)與OM(b)端口6阻抗匹配情況Fig.5 Impedance matching of port 6 in CM device (a) and OM device (b)

4 OM標(biāo)定裝置建立與使用

4.1 OM標(biāo)定裝置建立

按照?qǐng)D1建立OM標(biāo)定裝置，包括內(nèi)導(dǎo)體桿、外導(dǎo)體固定直線段、波紋管、外導(dǎo)體阻抗匹配段、非截?cái)嗍绞魈綔y(cè)器、導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)等，整個(gè)標(biāo)定裝置的外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體桿保持50 Ω阻抗匹配。模擬束流偏置時(shí)固定內(nèi)導(dǎo)體桿，移動(dòng)外導(dǎo)體使BPM與內(nèi)導(dǎo)體桿產(chǎn)生相對(duì)位移，再將BPM的4路信號(hào)輸入到信號(hào)處理器件就能對(duì)BPM進(jìn)行標(biāo)定。用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量OM實(shí)際標(biāo)定裝置的探測(cè)器頻譜響應(yīng)曲線S21，得到束流偏置時(shí)實(shí)際的頻率諧振結(jié)果(表3)。

表3 OM實(shí)際標(biāo)定裝置諧振結(jié)果Table 3 Resonance result of OM actual calibration device

由表3可知：1) OM實(shí)際標(biāo)定裝置與模擬標(biāo)定裝置的諧振頻率、-3 dB帶寬、Q值都相近，但存在一定偏差，主要原因是頻率諧振點(diǎn)與BPM結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，可調(diào)節(jié)BPM的結(jié)構(gòu)使頻率諧振點(diǎn)到215 MHz附近，OM實(shí)際標(biāo)定裝置的頻率諧振點(diǎn)約為213 MHz，但約8 MHz的帶寬也使諧振峰覆蓋了215 MHz，因此OM實(shí)際標(biāo)定裝置能用于Rhodotron電子加速器的束流標(biāo)定；2) OM實(shí)際標(biāo)定裝置與模擬標(biāo)定裝置的諧振頻率、Q值都隨束流偏置Dx的增大而減小，且二者的-3 dB帶寬都隨Dx的增大而增大，因此OM實(shí)際標(biāo)定裝置與模擬裝置吻合。

4.2 OM標(biāo)定裝置使用

利用OM實(shí)際標(biāo)定裝置，當(dāng)束流質(zhì)心位于某一橫向偏置時(shí)得到BPM的4路輸出電壓，對(duì)BPM輸出電壓多次測(cè)量并取平均值用于標(biāo)定計(jì)算，根據(jù)差比和標(biāo)定公式得到的x、y方向線性標(biāo)定數(shù)據(jù)如圖6所示。

從圖6得出相應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)為：

a——Dy=0時(shí)，Dx方向標(biāo)定結(jié)果；b——Dx=0時(shí)，Dy方向標(biāo)定結(jié)果

(1)

式中：Kx、Ky為BPM位置靈敏度的倒數(shù)，反映了BPM對(duì)束流偏置變化的靈敏度[14]；xOFFSET、yOFFSET為束流本身無(wú)偏置時(shí)在x、y方向上測(cè)量到的束流偏置誤差。x、y方向標(biāo)定結(jié)果的線性度均為0.999 7，趨近于1，表示BPM電壓的差比和信號(hào)隨束流偏置線性的響應(yīng)。因此OM束流標(biāo)定裝置能用于束流標(biāo)定且束流標(biāo)定線性度高。

5 結(jié)論

本文提出準(zhǔn)阻抗匹配傳輸式的外移動(dòng)式束流探測(cè)器標(biāo)定裝置，該標(biāo)定裝置的外導(dǎo)體內(nèi)徑與內(nèi)導(dǎo)體外徑保持2.303的比例，以使電磁波在該標(biāo)定裝置傳輸中保持50 Ω的阻抗匹配。本文通過(guò)設(shè)計(jì)外導(dǎo)體阻抗匹配段可使標(biāo)定裝置適應(yīng)不同孔徑的BPM，從而增加標(biāo)定裝置其他設(shè)備的利用率。結(jié)果表明：改變內(nèi)導(dǎo)體外徑并不改變束流探測(cè)器的頻率諧振峰位置，因此可根據(jù)需求合理設(shè)計(jì)內(nèi)導(dǎo)體桿的大小以保持阻抗匹配。本文研究了不同束流偏置情況下CM、OM兩種束流標(biāo)定裝置的探測(cè)器頻譜響應(yīng)曲線，結(jié)果表明：無(wú)論束流偏置與否，CM與OM兩種標(biāo)定裝置的S21曲線高度重合，頻率諧振峰都是在215 MHz附近，且兩種標(biāo)定裝置的頻率諧振點(diǎn)、-3 dB帶寬以及Q值一致。本文對(duì)比了束流偏置時(shí)370 MHz處S21曲線的響應(yīng)，定性地證明了OM標(biāo)定裝置的阻抗匹配結(jié)果比CM標(biāo)定裝置的阻抗匹配結(jié)果更優(yōu)，并通過(guò)端口6的阻抗匹配值進(jìn)行了定量證明。本文最終研發(fā)出OM實(shí)際束流標(biāo)定裝置，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量證明了OM實(shí)際束流標(biāo)定裝置與模擬標(biāo)定裝置相吻合，并以實(shí)際的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)證明準(zhǔn)阻抗匹配傳輸式的外移動(dòng)式束流探測(cè)器標(biāo)定裝置能用于束流標(biāo)定。