[发明专利]一种束流位置探测器标定系统

说明书

本发明公开了一种束流位置探测器标定系统，其特征在于，包括同轴线、锥形发射器、Gaobou线、锥形接收器、吸收负载、移动平台和信号记录子系统；其中，所述同轴线的一端与所述锥形发射器的顶端连接，用于将信号源产生的信号输入到所述锥形发射器；所述锥形发射器的末端与所述Gaobou线一端连接，用于将同轴线输入的TEM波逐渐过渡到TM模表面波并输入到Gaobou线中进行传输；所述Goubau线另一端与所述锥形接收器的末端连接，用于将输入的TM模表面波输入到所述锥形接收器；所述锥形接收器的顶端与所述吸收负载连接，用于将收到的信号输入到所述吸收负载；所述移动平台，用于携带待标定对象沿所述Gaobou线移动。

技术领域

本发明属于粒子加速器技术领域，涉及一种新型束流位置探测器标定系统。

背景技术

束流位置探测器Beam Position Monitor(BPM)是粒子加速器的“眼睛”，用于观察束流在管道中位置，实现对束流位置的精确控制，从而保证正常运行。束流经过BPM时将在焊接在管道上的输出电极上产生一定幅度的电压信号U，如图1所示，信号与束流与电极距离d成反比关系，比较相对电极的信号就可以得到束流位置，即存在:

其中x为束流的位置，系数k也被称为BPM的灵敏度，δ则是两个电极因为各种原因，比如电极的差异，管道的对称性等引起几何中心相对于电中心的偏移offset。一般BPM在加工出来后，在安装到加速器上之前，需要对BPM的灵敏度k以及offsetδ进行标定，一方面对机械加工的精度进行一个评估，另一方面通过确定了标定系数k，电子学才能计算得到正确的位置。

另外公式(1)适用的范围，即信号强度与位置成正比的关系，是束流在靠近管道中心时才成立，这一范围成为线性区，标定的作用也是要得到线性区之外束流位置与U₁、U₂之间的关系，确定高阶的标定系数。

BPM标定系统的目标是产生一个模拟束流的电磁波，该电磁波需要精确稳定，且可以根据实验要求在一定范围内改变位置。图2是标定系统的基本构成示意图，信号源产生的模拟束流的信号经过同轴线、发射器往外传播发射，信号记录系统测量U₁、U₂，移动平台系统通过同步电机带动BPM运动，实现束流位置的变化(有的系统是带动发射器和穿过BPM的线运动)，接收器吸收电磁波信号减小反射。

对于标定系统而言，一方面需要实现天线(称发射器与之接收器之间的穿过待标定元件的部分)与待测部件的相对位置变化，另一方面需要通过信号记录系统记录下待测部件对这种位置变化的响应。对定位精度的要求是随着待测部件BPM的测量要求而逐渐严格的。因为发射器与天线组成的系统可以比较好的模拟束流，该标定系统也可以用于对其它束测元件的标定，得到如流强探测器Current Transformer CT等元件的特征信息。

一般的BPM标定系统采用的单线式天线，即同轴线的内导体接上一段金属线作为天线，为了保证天线相对于BPM位置的精度，通常采用较粗的刚性金属线，典型的内导体外径在4～10mm之间，这样才能保证足够的机械强度。

将信号源产生的信号经过放大后通过同轴线以TEM波传输，然后经过天线以平面波的形式往外发射，模拟束流。

现有的标定系统的缺点主要有以下几个方面:

1.系统的精度较差。为了有足够的机械强度，通常内导体尺寸较大，对于管径较小的BPM或者其它需要测试的设备(Device Under Test,DUT)来说，其定位精度较差，即便是采用内导体较小的材料(金属丝)，其震动、与BPM的轴线的平行度都会对标定的精度有较大影响。先进加速器的第四代光源，管道内径已经降低到20mm水平，对标定精度的要求也达到μm量级。

2.信号的发射效率不高。同轴线缆的特征阻抗为50Ω，自由空间平面波的特征阻抗为377Ω，阻抗的不匹配加上跳跃式变化，导致功率大部分都发生了反射，多次反射会引起也会引入额外的读数误差。