积分式束流变压器的标定研究

王建新，刘 宇，张 浩，肖德鑫

（中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900）

流强是粒子加速器最基本的运行参数之一。在脉冲加速器中，束团电荷量和流强直接相关。束团电荷量的稳定对加速器有重要意义。一方面，在基于加速器的光源中，束流的稳定性直接影响光通量的稳定性。另一方面，在运行过程中束团电荷量的不稳定可能是由束流损失引起的，束流损失会引起加速器部件的损伤，包括辐射效应损伤和热效应损伤。特别是在超导加速器和环形加速器中，束流损失直接影响机器能否正常运行。因此对束团电荷量的精确在线测量在加速器的调试和运行过程中有重要作用。

积分式束流变压器（ICT）是进行束团电荷量测量最常用的设备，利用电磁感应原理进行测量，其核心部件由两个磁芯构成，放在带间隙的未封闭铜环内，且磁芯2上绕有线圈，多个贴片电容沿铜环等间距分布在间隙上［1-4］。从加速器中产生的粒子束流通过ICT 时产生感应电流，该感应电流的电荷量由磁芯1存储，存储的电荷通过磁芯2的线圈对外放电。由磁芯2引出的放电波形再通过匹配的输出回路（一般为示波器）输出一个脉冲宽度固定、积分电荷量与输入束流电荷量呈一定比例的电压脉冲信号。

1 标定方法

在离线情况下，利用数字信号发生器以及数字示波器对ICT的输入输出特性进行研究。使用数字信号发生器产生特定形状的脉冲信号，通过单根金属导线导引穿过ICT 来模拟束流脉冲信号［3-4］，标定实验布局示意图如图1所示。

图1 实验布局示意图Fig.1 Sketch of ICT calibration experiment

由脉冲信号发生器（HP 8082A）产生的方波脉冲信号穿过ICT，该输入信号及经过ICT响应后的输出信号均通过示波器（TEK DPO7254）显示。为避免短脉冲信号的反射对ICT 响应造成影响，剥离信号线穿过ICT的那段屏蔽层，只让芯部穿过ICT，而信号的回路则通过金属壳从ICT 外部通过，这样可消除输入信号产生的反射信号对ICT 响应的影响。

HP 8082A 能产生脉宽为1ns的单脉冲、双脉冲和连续脉冲，连续脉冲的重复频率能在1kHz～250 MHz范围内可调，能很好地模拟CW 模式的束流。

2 标定结果及分析

根据HP 8082A 的性能，输入脉冲分别设置为单脉冲、双脉冲和连续脉冲。观察输出脉冲情况，并使用示波器测量输入脉冲和输出脉冲的积分电荷量，计算ICT 的输入输出比。

2.1 单脉冲标定

单脉冲标定实验中，可明显观测到，输出脉冲幅度随输入脉冲幅度的变化而变化，输出脉冲的长度（约为12ns）和形状基本不变（图2a），这与ICT的设计性能相符合［2］。ICT的输入输出比为20.37／2.029＝10.04，与标称值10相差不大。

图2 单脉冲（a）和双脉冲（b）标定Fig.2 Calibrations in monopulse（a）and dipulse（b）

2.2 双脉冲标定

使用双脉冲进行标定时，逐渐减小双脉冲之间的时间延迟，可发现在时间延迟小于12.08ns后，输出脉冲的双脉冲开始连接到一起，逐渐不能分辨，如图2b所示。这样就没有办法准确地进行脉冲面积的测量，无法得到对应的电荷量。反映出该型号的ICT 测量连续脉冲的最高重复频率约为83 MHz。若需对更高重复频率的脉冲进行测量，则需选择束流变压器输出脉冲的宽度更窄的型号。

2.3 连续脉冲标定

连续脉冲标定实验中，可发现输出脉冲和输入脉冲是一一对应的，只是在脉冲重复频率较高时，输出脉冲的最低点不是零点，如图3所示。随着输入脉冲重复频率（MHz量级）的提高，输出脉冲的最低点会向下“移动”，这种现象即为基线漂移。

图3 连续脉冲标定Fig.3 Calibration in continuous pulse

3 基线漂移及修复分析

3.1 基线漂移物理原理

ICT是在BCT 的基础上设计的，属于交流耦合型电磁感应器件。其对信号的响应和频率相关，图4为ICT的频率响应曲线，其低频和高频截止频率分别为6.2kHz和65.6MHz［5］。

在标定实验中发现，对于单脉冲和脉冲重复频率较低的连续脉冲，其输入输出比和标称值符合得很好，在进行电荷量测量时不存在问题；但对于脉冲重复频率较高的连续脉冲，会引起基线漂移的问题，即输出脉冲的最低点不在零点。

图4 ICT 频率响应曲线Fig.4 Frequency response curve of ICT

基线漂移是由ICT 的低频截止频率引起的［6-7］。在频域，低频（直流）部分信号被“丢”掉了，如图4 所示，该ICT 的低频截止频率为6.2kHz；在时域，就会出现信号的基线往下“漂”的现象［7］。重复频率较低时，基线漂移幅度较小，随着重复频率的提高，基线漂移的幅度也提高，如图3所示。

3.2 基线修复

在使用ICT 进行束团电荷量测量时，要对输出脉冲的面积进行积分，标定实验中，该步骤是通过数字示波器的积分计算功能来完成的。在基线漂移的情况下，由于零点的移动，积分的起点和终点就要发生变化，直接对输出脉冲进行面积积分，就会引起误差。要保证测量的精度，就必须找到脉冲的零点，即进行基线修复。基线修复的方法分为电子学修复和算法修复［8-10］，本文使用算法修复中基线操纵的方法。其基本思路是计算输出脉冲序列底部变化平缓部位的幅值，如图5灰色部分所示；将该值作为积分的零点，然后对整个脉冲序列重新赋值，如图6所示；在此基础上，对输出脉冲进行积分，计算出脉冲包含的电荷量。

图5 脉冲底部幅值计算Fig.5 Calculation of pulse buttom

在未进行基线修复时，直接对输出脉冲积分，得到输入输出比为12.00。基线修复后，得到输入输出比为9.67。可见进行基线修复大幅提高了ICT 对高重复频率连续脉冲的电荷量测量精度。

图6 基线修复前后图形对照Fig.6 Comparison of signals without and with baseline restoration

4 总结

本文主要对Bergoz公司生产的ICT 进行了标定研究，在单脉冲、双脉冲及连续脉冲情况下测量了输入输出比。重点对高重复频率情况下出现的基线漂移情况进行了研究，并使用基线操纵的方法进行基线修复。通过基线修复，输入输出比由12.00变为9.67，电荷量测量相对误差小于5%，提高了ICT 对高重复频率连续脉冲的电荷量测量精度。

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