[发明专利]一种基于腔式BPM的加速器束团长度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及加速器的束团长度测量。

背景技术

随着现代加速器技术的发展，对加速器束团长度测量的要求也日益提高，从同步辐射光源的10ps左右的束团长度、ps左右的束团长度测量分辨率，到FEL的ps、甚至sub-ps的束团长度，100fs、甚至10fs左右的束团长度测量分辨率。同时，也要求兼顾测量对束流的干扰及测量速度的考虑，如非阻挡型探头、直线节的束长测量、逐束团实时束长测量等。而目前已发展的束团长度测量技术，很难同时兼顾以上所有技术需求。

目前国际上主要的束长测量手段包括条纹相机法、零相位法、迈克尔逊干涉仪法、电光晶体法、光学频域测量方法（CTR、CSR、CDR等），以及电子学频域测量方法。其中条纹相机法能测到1ps左右的束长及达到200fs的分辨率，且可以完成bunch-by-bunch的束长测量^[1]，但是，条纹相机存在设备昂贵、需要偏转磁铁、复杂光路等问题，而且测量ps以下束长的条纹相机依然是禁运产品。零相位法能测到100fs长的束团长度及10fs的分辨率^[2]，但需要偏转磁铁及额外的加速结构。迈克尔逊干涉仪法能测到100fs的束团长度，但一般只能测得较长时间内的束团平均长度。电光晶体法可以测量ps级的束团长度及50fs左右的分辨率，CTR、CDR、CSR等光学频域测量手段，一般可以测到最短至100fs左右束团、分辨率10fs左右。电光晶体法及光学频域测量方法可以做到非阻测量，但由于都是对光谱强度的测量，其响应时间均不如电子学频域测量，最快可以做到逐束团测量。

束团长度电子学频域测量方法最初利用数量位置探测器BPM或Stripline的和信号进行，但由于BPM及Stripline均为宽带阻抗元件，其电子学带宽内的R/Q值很低，故最终系统信噪比较差，只能用于20ps以上的束团长度测量。文献报导了基于波导引出结构的束长测量，得到了0.7ps的测量分辨率，但其波导引出的信号直接来自壁电流，其归一化分流阻抗R/Q同样不大，故其工作频率高达26.5、75GHz，且采用两级混频结构，技术上实现复杂且代价高昂。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服束团长度频域测量方法中由于测量系统信噪比较差对测量分辨率、测量范围的限制，而提供一种高分辨率、大动态范围的束团长度电子学频域测量手段。

在提高腔式BPM信噪比的研究中发现，腔式BPM的主要噪音来源于谐振腔的基模TM₀₁₀模，该干扰信号如不采取特殊抗干扰手段，将大于腔式BPM测量系统其它干扰噪音110ｄＢ左右；而束团长度电子学频域测量手段的主要限制即受制于测试系统信噪比。由于基模信号仅包含束团长度及电荷量信息，故利用腔式ＢＰＭ基模信号进行束团长度的电子学频域测量，将显著提高束团长度测量的分辨率及测量动态范围。

本发明的基于腔室BPM的束团电子学频域测量方法，包括以下步骤：

1）利用腔式BPM参考腔以及增加的一束长测量腔，通过天线耦合或波导耦合，提取两谐振腔体在一定工作频率下的基模TM₀₁₀信号；

2）经信号处理电子学进行下变频，窄带滤波，低通滤波、增益匹配后得到与束团在该工作频率处频域强度相关的窄带电子学信号；

3）将获得的窄带电子学信号进行AD转换得到V₁和V₂；

4）转换后包含束长信息的数字信号送入基于现场可编程门阵列FPGA或soft IOC的数据处理系统按以下公式计算束长：