本發(fā)明涉及直線加速器束流測量與診斷領域，特別涉及一種矩形雙模諧振腔式束團長度測量裝置及方法。
背景技術：
：目前，直線加速器束團長度的測量方法很多，其中，對于高品質(zhì)束流源來說，基于諧振腔的束團長度測量方法實現(xiàn)相對方便，適用范圍較廣，且能夠提供較大幅度和較高信噪比的信號，是較有潛力的束團長度測量手段。當束流經(jīng)過諧振腔時，將在諧振腔內(nèi)部激勵起本征模式。其中某一個模式的功率表達式可以表示為：其中，i為諧波電流流強，r為該模式的分路阻抗，i0為基波流強，ω是該模式的工作頻率，στ為束團長度。p和r均由實測得到。由于式中存在基波流強i0和束團長度στ兩個未知量，故而目前的諧振腔式束團長度測量系統(tǒng)至少要由兩個不同工作頻率ω的諧振腔組成，聯(lián)立兩腔輸出功率的方程才能求解出束團長度。但是，兩個諧振腔占用較大空間，使得測量系統(tǒng)的復雜程度很高，同時兩腔的電磁場之間互相耦合干擾，降低了系統(tǒng)信噪比。本發(fā)明在國家自然科學基金面上項目11575181、國家自然科學基金面上項目11375178、國家重點研發(fā)計劃項目“x射線自由電子激光原理和關鍵技術研究”2016yfa0401900和“xfel關鍵技術研究”課題2016yfa0401903、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金wk2310000046支持下開展了相應研究。技術實現(xiàn)要素：基于現(xiàn)有技術所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于單諧振腔的束團長度測量裝置及方法，其緊湊簡單且信噪比高，克服現(xiàn)有的束團長度測量裝置中兩個諧振腔占用較大空間，系統(tǒng)復雜程度高，以及兩腔信號互相耦合干擾導致信噪比下降的問題。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：本發(fā)明實施方式提供一種基于單諧振腔的束團長度測量裝置，包括：矩形雙模諧振腔，設在該束流管道上，該矩形雙模諧振腔的腔體內(nèi)與束流管道連通，能同時產(chǎn)生tmn10模式和tm1n0模式的諧振信號，其中n為奇數(shù)；兩個同軸探針，插設在所述矩形雙模諧振腔上，能將該矩形雙模諧振腔內(nèi)不同頻率的電磁場信號互不干擾地耦合輸出；調(diào)節(jié)式金屬微擾體，插設在所述矩形雙模諧振腔上，能微調(diào)該矩形雙模諧振腔的諧振頻率。本發(fā)明實施方式還提供一種基于單諧振腔的束團長度測量方法，采用本發(fā)明所述的基于單諧振腔的束團長度測量裝置，包括以下步驟：使帶電粒子經(jīng)過所述測量裝置的束流管道，在所述矩形雙模諧振腔內(nèi)激發(fā)出tm310模式和tm130模式兩種諧振模式，兩種諧模式包含束團長度和束流流強信息；調(diào)整調(diào)節(jié)式金屬微擾體的插入所述矩形雙模諧振腔內(nèi)的深度，使兩種諧振模式都處于最佳的諧振狀態(tài)，兩種諧振模式的電磁場信號均達到最強，對兩種諧振模式的兩個信號分別經(jīng)所述兩個同軸探針互不干擾地耦合輸出；測得所述兩個同軸探針輸出的兩個信號功率，將兩個信號功率分別帶入兩種諧振模式各自對應的功率表達式，聯(lián)立兩個功率方程求解即得到測量的束流流強和束團長度。由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的基于單諧振腔的束團長度測量裝置及方法，其有益效果為：通過在采用一個矩形雙模諧振腔，并在其上分別設置兩個同軸探針和調(diào)節(jié)式金屬微擾體，使得一個矩形雙模諧振腔能產(chǎn)生兩種諧振模式，并無干擾的分別輸出兩種諧振模式的信號，實現(xiàn)了直接測量同一諧振腔的多個特征模式即可得到束團長度和束流流強，減少了所需諧振腔的數(shù)量，實現(xiàn)了束流診斷設備的小型化，節(jié)省了系統(tǒng)成本。通過兩個探針不同安放位置使同一個諧振腔內(nèi)兩種諧振模式的信號互不干擾地耦合輸出，解決了傳統(tǒng)方法中兩個諧振腔之間信號互相干擾的問題，提高了系統(tǒng)信噪比。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。圖1是本發(fā)明實施例提供的針對紅外自由電子激光的束團長度測量系統(tǒng)框圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的依照矩形雙模諧振腔形狀建立的直角坐標系；圖3a是本發(fā)明實施例提供的基于單諧振腔束團長度測量裝置的三維結構示意圖、圖3b是本發(fā)明測量裝置的正視圖、圖3c是本發(fā)明測量的后視圖、圖3d是本發(fā)明測量的俯視圖、圖3e是圖3b中測量裝置的a-a斷面圖、圖3f是本發(fā)明測量裝置的左視圖、圖3g是圖3b中測量裝置的b-b斷面圖；圖4是本發(fā)明實施例提供的同軸探針在矩形雙模諧振腔上的安放位置示意圖；圖5是本發(fā)明實施例提供的用仿真軟件得到的矩形雙模諧振腔內(nèi)tm310的電場強度分布圖；圖6a是本發(fā)明實施例提供的矩形雙模諧振腔內(nèi)tm310的電場強度沿x方向分布曲線、圖6b是矩形雙模諧振腔內(nèi)tm310的電場強度沿y方向分布曲線圖7是本發(fā)明實施例提供的用仿真軟件得到的矩形雙模諧振腔內(nèi)tm130的電場強度分布圖；圖8a是本發(fā)明實施例提供的矩形雙模諧振腔內(nèi)tm130的電場強度沿x方向分布曲線、圖8b是矩形雙模諧振腔內(nèi)tm130的電場強度沿y方向分布曲線；圖9是本發(fā)明實施例提供的調(diào)節(jié)式金屬微擾體在矩形雙模諧振腔上的安放位置示意圖；圖10本發(fā)明實施例提供的利用仿真軟件得到的tm310和tm130兩種模式分別處于諧振狀態(tài)時對應的尺寸參數(shù)b和l的變化曲線；圖11是本發(fā)明實施例提供的測量一個宏脈沖(含6000個束團)時第一同軸探針輸出信號的頻譜；圖12是本發(fā)明實施例提供的測量一個宏脈沖(含6000個束團)時第二同軸探針輸出信號的頻譜。具體實施方式下面結合本發(fā)明的具體內(nèi)容，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。如圖1至圖3g所示，本發(fā)明實施例提供一種基于單諧振腔的束團長度測量裝置，是一種結構簡單、信噪比較高的單諧振腔束團長度測量裝置，能克服現(xiàn)有的束團長度測量裝置中兩個諧振腔占用較大空間，系統(tǒng)復雜程度高，以及兩腔信號互相耦合干擾導致信噪比下降的問題，包括：矩形雙模諧振腔，設在該束流管道上，該矩形雙模諧振腔的腔體內(nèi)與束流管道連通，能同時產(chǎn)生tmn10模式和tm1n0模式的諧振信號，其中n為奇數(shù)；能同時產(chǎn)生的主要諧振信號是tm310模式和tm130模式的諧振信號；兩個同軸探針，插設在所述矩形雙模諧振腔上，能將該矩形雙模諧振腔內(nèi)不同頻率的電磁場信號互不干擾地耦合輸出；調(diào)節(jié)式金屬微擾體，插設在所述矩形雙模諧振腔上，能微調(diào)該矩形雙模諧振腔的諧振頻率。上述測量裝置中，矩形雙模諧振腔的尺寸與諧振于2.856ghz的tm310模式的諧振頻率和諧振于7.616ghz的tm130模式的諧振頻率相匹配；所述調(diào)節(jié)式金屬微擾體在所述矩形雙模諧振腔的插入深度l與諧振于2.856ghz的tm310模式的諧振頻率和諧振于7.616ghz的tm130模式的諧振頻率相匹配。上述矩形雙模諧振腔的尺寸為：諧振腔的長度a為341.80mm；諧振腔的寬度b為58.68mm；諧振腔的厚度c為23.00mm；所述調(diào)節(jié)式金屬微擾體在所述矩形雙模諧振腔的插入深度l為6.53mm。上述測量裝置中，兩個同軸探針分布設置在所述矩形雙模諧振腔的正面上，分別與所述矩形雙模諧振腔內(nèi)連通；以束流通過所述矩形雙模諧振腔的方向為+z方向，建立直角坐標系x，y，z，定義所述矩形雙模諧振腔的長邊長為a，寬邊長為b，厚度為c；所述兩個同軸探針中的第一同軸探針位于所述矩形雙模諧振腔的正面上的a點處，a點在所述矩形雙模諧振腔的正面上的坐標為：x＝a/2，y＝2b/3；所述兩個同軸探針中的第二同軸探針位于所述矩形雙模諧振腔的正面上的b點處，b點在所述矩形雙模諧振腔的正面上的坐標為：x＝2a/3，y＝b/2。上述測量裝置中，調(diào)節(jié)式金屬微擾體為兩個直徑為1mm的伸縮式圓柱形金屬螺釘，均設在所述矩形雙模諧振腔未設置同軸探針的背面，兩個金屬螺釘?shù)囊欢朔謩e插入到所述矩形雙模諧振腔內(nèi)部，能改變兩個金屬螺釘插入該矩形雙模諧振腔內(nèi)的深度來微調(diào)該矩形雙模諧振腔的諧振頻率；以束流通過所述矩形雙模諧振腔的方向為+z方向，建立直角坐標系x，y，z，定義所述矩形雙模諧振腔的長邊長為a，寬邊長為b，厚度為c；所述調(diào)節(jié)式金屬微擾體中的第一金屬螺釘設在所述矩形雙模諧振腔背面的c點處，c點在所述矩形雙模諧振腔背面上的坐標為：x＝a/2，y＝b/3；所述調(diào)節(jié)式金屬微擾體中的第二金屬螺釘設在所述矩形雙模諧振腔背面的d點處，d點在所述矩形雙模諧振腔背面上的坐標為：x＝a/2，y＝2b/3)；所述調(diào)節(jié)式金屬微擾體中的第一金屬螺釘位置與第二金屬螺釘?shù)奈恢孟鄬τ谒鼍匦坞p模諧振腔背面連接的束流管道對稱。上述測量裝置中，兩個同軸探針的輸出端分別設有連接同軸電纜的sma接口。本發(fā)明實施例還提供一種基于單諧振腔的束團長度測量方法，采用上述的基于單諧振腔的束團長度測量裝置，包括以下步驟：使帶電粒子經(jīng)過所述測量裝置的束流管道，在所述矩形雙模諧振腔內(nèi)激發(fā)出tm310模式和tm130模式兩種諧振模式，兩種諧模式包含束團長度和束流流強信息；調(diào)整調(diào)節(jié)式金屬微擾體的插入所述矩形雙模諧振腔內(nèi)的深度，使兩種諧振模式都處于最佳的諧振狀態(tài)，兩種諧振模式的電磁場信號均達到最強，對兩種諧振模式的兩個信號分別經(jīng)所述兩個同軸探針互不干擾地耦合輸出；測得所述兩個同軸探針輸出的兩個信號功率，將兩個信號功率分別帶入兩種諧振模式各自對應的功率表達式(與
背景技術：
中給出的功率表達式相同)，聯(lián)立兩個功率方程求解即得到測量的束流流強和束團長度本發(fā)明的測量裝置，由于直接測量同一諧振腔的多個特征模式即可得到束團長度和束流流強，減少了所需諧振腔的數(shù)量，實現(xiàn)了束流診斷設備的小型化，節(jié)省了系統(tǒng)成本。通過不同的探針安放位置使同一個諧振腔內(nèi)兩種模式的信號互不干擾地耦合出來，解決了傳統(tǒng)方法中兩個諧振腔之間信號互相干擾的問題，提高了系統(tǒng)信噪比。例如，對于重復頻率為0.476ghz長度為4.5ps的束團，用傳統(tǒng)方法測量束團長度，需要兩個不同工作頻率的諧振腔：一個是工作于2.856ghz，tm010模式的圓柱諧振腔，另一個是工作于7.616ghz，tm020模式下的圓柱諧振腔。測量結果顯示，兩腔間隔100mm時，工作頻率2.856ghz的諧振腔內(nèi)會檢測到來自另一諧振腔的高頻率信號。而使用一個長341.80mm，寬58.68mm厚度23.00mm的矩形雙模諧振腔，在這個腔內(nèi)可同時產(chǎn)生工作于2.856ghz的tm310模式和工作于7.616ghz的tm130模式。測量結果顯示，只要同軸探針的安放位置合理，兩種頻率的信號可以互不干擾地耦合出來?？梢姳景l(fā)明使用單個諧振腔實現(xiàn)了兩個諧振腔的測量功能，系統(tǒng)得到了簡化，同時提高了信噪比。下面對本發(fā)明實施例具體作進一步地詳細描述。本發(fā)明應用于中國科學技術大學紅外自由電子激光裝置，測量其束團長度。束流基本參數(shù)如表1。表1為中國科學技術大學紅外自由電子激光束團參數(shù)如圖1所示，整個針對紅外自由電子激光的束團長度測量系統(tǒng)框圖，包括一個可以同時產(chǎn)生tm310模式和tm130模式的矩形雙模諧振腔、用于耦合諧振腔內(nèi)信號的兩個同軸探針、可以實現(xiàn)兩路信號降頻的超外差接收機和一個由高速adc、高密度fpga、高性能dsp共同搭建的基于雙通道并行時間交替采樣的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。矩形雙模諧振腔安裝在束流管道上，矩形雙模諧振腔的腔體與束流管道連通，諧振腔當中含有兩段關于管道中心對稱放置的調(diào)節(jié)式金屬微擾體。兩個同軸探針分別插入矩形雙模諧振腔的特定位置，兩個同軸探針的輸出端分別通過sma接口和同軸電纜連接超外差接收機的rf輸入端，超外差接收機的輸出端接入高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。其中矩形雙模諧振腔和兩個同軸探針為本發(fā)明涉及的部分，用于拾取攜帶束團長度信息的rf信號，是系統(tǒng)的核心裝置。超外差接收機和高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)用于對兩個同軸探針輸出信號的采集和處理。矩形雙模諧振腔安裝在束流管道上，使束流通過諧振腔的中心，能在諧振腔內(nèi)激起所需的電磁場。以下為了表述方便，以束流通過矩形雙模諧振腔的方向為+z方向，建立直角坐標系(x，y，z)，如圖2所示。定義矩形雙模諧振腔的長邊長為a，寬邊長為b，厚度為c。圖3a是整個基于單諧振腔束團長度測量裝置的三維結構示意圖，圖3b是該測量裝置的正視圖，圖3c是該測量裝置的后視圖，圖3d是該測量裝置的俯視圖，圖3e是圖3b中的該測量裝置的a-a斷面圖，圖3f是該測量裝置的左視圖，圖3g是圖3b中的該測量裝置的b-b斷面圖。矩形雙模諧振腔1安裝在束流管道2上，諧振腔正面插入兩個同軸探針3和4，分別用于耦合并輸出tm310和tm130信號，在諧振腔背面的特定位置插入兩個調(diào)諧螺釘5和6作為調(diào)節(jié)式金屬微擾體，用于對腔內(nèi)電磁場進行微擾，改變它們的諧振頻率。以下具體介紹各部分的方案及原理。根據(jù)束流參數(shù)及束團長度求解需要，首先確定諧振腔內(nèi)兩個不同模式的工作頻率分別為2.856ghz和7.616ghz。為使tm310模式諧振于2.856ghz，tm130模式諧振于7.616ghz，利用矩形腔諧振頻率的計算公式，可以得到諧振腔大致的尺寸參數(shù)。這時得到的尺寸僅是理論計算結果，最終參數(shù)需考慮腔體內(nèi)的微擾情況，進一步仿真調(diào)整得到。圖4是兩個同軸探針插入位置的示意圖。用于耦合電場信號的兩個同軸探針插在諧振腔正面，第一同軸探針3插入于a點(坐標為：x＝a/2，y＝2b/3)，此處tm310電場較強，而tm130電場為0，可耦合出很大的tm310信號而不會受到tm130信號的干擾；第二同軸探針4插入于b點(坐標為：x＝2a/3，y＝b/2)，可耦合出很大的tm130信號而不會受到tm310信號的干擾。兩個同軸探針這樣的放置方式是根據(jù)矩形雙模諧振腔內(nèi)電場分布的具體情況設計的。矩形雙模諧振腔內(nèi)，tm310電場方程為：tm130的電場方程為：其中e310和e130為電場幅度的常數(shù)。圖5是用仿真軟件得到的該矩形雙模諧振腔內(nèi)tm310的電場強度分布圖。圖6a是該矩形雙模諧振腔內(nèi)tm310模式的電場強度沿x方向分布曲線,圖6b是該矩形雙模諧振腔內(nèi)tm310模式的電場強度沿y方向分布曲線。圖7是用仿真軟件得到的該矩形雙模諧振腔內(nèi)tm130的電場強度分布圖。圖8a是該矩形雙模諧振腔內(nèi)tm130的電場強度沿x方向分布曲線，圖8b是該矩形雙模諧振腔內(nèi)tm130的電場強度沿y方向分布曲線。可見，電場在各個方向均呈現(xiàn)出駐波分布。tm310在其電場分布的波節(jié)x＝a/3和x＝2a/3處場強恒為0，而波腹x＝a/6、x＝a/2和x＝5a/6處場強最大。同理，tm130在其電場分布的波節(jié)y＝b/3和y＝2b/3處場強恒為0，而波腹y＝b/6、y＝b/2和y＝5b/6處場強最大。根據(jù)兩個同軸探針耦合信號的需要，將第一同軸探針插入于a點(坐標為：x＝a/2，y＝2b/3)，第二同軸探針插入于b點(坐標為：x＝2a/3，y＝b/2)，則可以實現(xiàn)兩個同軸探針互不干擾且最大程度地耦合出各自所需頻率的信號。圖9是調(diào)節(jié)式金屬微擾體安裝位置示意圖。調(diào)節(jié)式金屬微擾體是直徑1mm的伸縮式圓柱形金屬螺釘，從沒有同軸探針的矩形雙模諧振腔的背面插入。兩個金屬螺釘分別插入在背面上的c點(坐標為：x＝a/2，y＝b/3)以及d點(坐標為：x＝a/2，y＝2b/3)處，二者關于束流管道對稱。兩個金屬螺釘?shù)念^部位于諧振腔外，兩個金屬螺釘?shù)臈U部插入到諧振腔內(nèi)，插入深度可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。加入調(diào)節(jié)式金屬微擾體的目的是不同程度地改變兩種模式的諧振頻率，使二者同時達到最佳的諧振狀態(tài)，增強輸出信號強度，提高輸出信號的信噪比。由于諧振腔與束流管道相連，且插入兩個同軸探針，易導致兩種模式的諧振頻率發(fā)生變化甚至失諧，因此通過調(diào)整諧振腔的尺寸或施加微擾，使各模式恢復最佳諧振狀態(tài)。根據(jù)矩形腔諧振頻率的計算公式，固定諧振腔長度a，改變寬度b，對tm130的諧振頻率影響較大，而對tm310的諧振頻率影響較小。但是單獨調(diào)節(jié)諧振腔尺寸難以使兩種模式實現(xiàn)同時恢復最佳諧振狀態(tài)，通過加入調(diào)節(jié)式金屬微擾體進行調(diào)諧。根據(jù)微擾法原理，細小金屬在諧振腔內(nèi)對諧振頻率產(chǎn)生的影響與微擾體所處位置的電磁場強度有關。tm130模式在諧振腔背面的c、d兩點處的電場強度均為0，磁場最大，而tm310模式在c、d兩點的電場磁場強度都很大。調(diào)節(jié)金屬螺釘?shù)牟迦肷疃萳可以明顯改變tm310的諧振頻率，但對tm130的頻率影響較小可見，tm310和tm130兩種模式對于參數(shù)b和l的敏感性不同，聯(lián)合b和l進行優(yōu)化，就能夠?qū)崿F(xiàn)兩種模式同時恢復諧振。利用仿真軟件得到的tm310和tm130兩種模式分別處于諧振狀態(tài)時對應的尺寸參數(shù)b和l，并做出兩條曲線，如圖10所示。從圖10中可以看出，tm310模式對參數(shù)l敏感，tm130模式對參數(shù)b敏感。兩條曲線交點所對應的l和b就是使兩種模式同時諧振的尺寸。此時，利用仿真軟件在l＝6.5mm，b＝58.68mm附近進行參數(shù)掃描確定最優(yōu)值，得到最優(yōu)值l＝6.530mm，b＝58.675mm。最終使用的諧振腔尺寸參數(shù)如表2。表2為用于紅外自由電子激光束團長度測量的諧振腔尺寸參數(shù)項目圖上標注尺寸諧振腔長度a341.80mm諧振腔寬b58.68mm諧振腔厚c23.00mm調(diào)節(jié)式金屬微擾體直徑φ1.00mm調(diào)節(jié)式金屬微擾體插入深度l6.53mm圖10是用頻譜儀得到的第一同軸探針的輸出信號，圖11是用頻譜儀得到的第二同軸探針的輸出信號?？梢姸呔休^高的信噪比。當一個宏脈沖(6000個重復頻率為0.476ghz的束團)經(jīng)過該裝置時，可以得到束團長度的測量結果。圖10是用頻譜儀得到的第一同軸探針3的輸出信號，圖11是用頻譜儀得到的第二同軸探針4的輸出信號?？梢姸呔休^高的信噪比。測得第一同軸探針3和第二同軸探針4的輸出功率，并帶入束團長度計算公式，求解即得到束團長度，整個數(shù)據(jù)處理和計算過程由后端電子學模塊實現(xiàn)。最終得到束團長度為4.535ps，相對誤差0.78％，符合測量要求。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。當前第1頁12