准阻抗匹配传输式的外移动式束流探测器标定装置的研发与使用

白海涛，王 毅，何小中，廖树清，石金水

(中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900)

束流探测器是加速器的重要组成部件之一，其主要有荧光靶、法拉第筒、罗果夫斯基线圈、条带型束流探测器、纽扣型束流探测器、壁电流探测器、磁探针以及谐振腔探测器[1-6]。这些探测器多用来诊断束流流强和束心位置，使用前，均需要进行束流标定。1999年，为诊断强流直线感应加速器的束流位置，代志勇等[7]利用标定装置标定了电阻环束流探测器。2002年，谢宇彤等[8]用高压发生器和两根75 Ω电缆与模拟杆连接，其中一端悬空，模拟电子束流，对电阻环束流探测器进行标定。2009年，Everson等[9]设计、建立并标定了一种三轴高频磁感应探头，用于诊断爆炸等离子体中的快速瞬变效应。2012年，王建新[3]利用中国科学院高能物理研究所的BPM标定平台进行了束团长度的测量研究。2014年，何小中等[10]发现束流标定装置的阻抗对标定结果有一定的影响。2015年，王建新等[11]]研究了积分式束流变压器(ICT)测量束团电荷量的精确标定。2019年，为诊断LIPAc加速器中氘核的束心位置、相位以及束流能量， Podadera等[12]标定了用于该加速器的两种条带型束流探测器。目前，束流探测器标定装置多采用细钨丝传输信号[13]，或采用半刚性同轴天线[3]，因此标定装置在信号传输上并没有保持阻抗匹配。标定装置的阻抗对标定结果有一定影响[10]。未保持阻抗匹配，会产生反射信号，进而导致反射信号与激励信号叠加，因此激励BPM的信号并不是类似束流传输的信号。此外，部分束流标定装置外导体未封闭，会导致激励信号外泄，或探测到实验室其他电磁场信号噪声，从而增加标定误差。

本文提出外导体封闭式束流标定装置，相应主要部件连接关系为：激励信号输入端-第一固定直线段-第一波纹管段-第一阻抗匹配段-BPM-第二阻抗匹配段-第二波纹管段-第二固定直线段-激励信号输出端。本文首次采用固定标定装置的内导体杆并移动标定装置外部的束流探测器(外导体)来模拟束流偏置，因此称作外移动式束流探测器标定装置。该标定装置的内导体外径随外导体内径的变化而变化，二者保持恒定比例以保持阻抗匹配。阻抗匹配段可更改其两端的管口孔径以适应不同孔径的BPM，若要标定其他孔径的BPM，只需重新设计阻抗匹配段和内导体杆即可，因此增加了标定装置其他设备的利用率。另外，本文对比外移动式束流探测器标定装置与固定外导体而移动内导体来模拟束流偏置的标定装置。

1 外移动式束流探测器标定装置设计

利用实验室现有的Bdot-BPM，验证外移动式束流探测器标定装置可用于束流标定。实验室采用共振式Bdot-BPM探测器对Rhodotron电子束流进行横向位置测量，该Bdot-BPM探测器共振频率为Rhodotron射频加速频率的2倍，即215 MHz。采用CST MicroWave Studio建立固定不动的内导体杆1根、外导体固定直线段2根、波纹管2根、外导体阻抗匹配段2根、非截断式束流探测器，主要部件连接关系如图1所示。当模拟束流横向偏置时，固定内导体杆，移动标定装置外部的BPM及相关连接部件(外导体)，外导体的形变量传至波纹管，形变应力最终被波纹管吸收。以往束流标定装置如图2所示，采用固定外导体，移动内导体杆来模拟束流横向偏置。图1、2均模拟束流向下偏置6 mm，图1将外导体向上移动6 mm，相当于内导体杆向下移动6 mm，图2则外导体不动，内导体杆向下移动6 mm。

图1 外移动式束流探测器标定装置Fig.1 Outer conductor moving type calibration device

图2 移动内导体型标定装置Fig.2 Inner conductor moving type calibration device

2 内导体杆外径对标定装置的S参数影响

对图1所示的外移动式束流探测器标定装置进行端口设置，设置内导体杆的一端为端口1用来馈入微波，内导体杆的另一端为端口6用来输出微波，束流探测器的4个信号输出口分别为端口2、3、4、5，设置端口后，对模型进行模拟计算并得到各端口的S参数。本文重点研究束流探测器的信号输出端口对激励信号馈入端口的频谱响应曲线，即S21、S31、S41、S51参数，因探测器4个端口构造一致，因此只需考虑S21参数。在束流偏置Dx=0 mm时，改变内导体杆的外径并得到相应情况下的S21参数，结果如图3所示。由图3可见，内导体杆外径分别为2、4、6 mm时，S21参数的频率谐振峰都是215 MHz，因此内导体杆的外径大小对S21参数的频率谐振点没有影响，即束流横向尺寸不会影响BPM信号响应的频率谐振点。在设计标定装置时，只需要整个标定装置的外导体内径与内导体外径保持恒定比例即可，本文保持该比例为2.303以使电磁波在该标定装置传输中保持50 Ω阻抗匹配。

图3 不同大小金属内杆得到的S21参数Fig.3 S21 parameter obtained by different sizes of inner metal rod

3 CM、OM两种装置模拟实验与对比

3.1 CM、OM两种装置对BPM的S21参数影响

应用于Rhodotron的BPM共振频率为Rhodotron射频加速频率的2倍(215 MHz)，因此需对比两种标定装置的S21参数在215 MHz附近的结果。为方便描述，CM表示固定外导体并移动内导体杆模拟束流偏置，即中心移动，如图2所示；OM表示固定内导体杆并移动外导体模拟束流偏置，即外部移动，如图1所示。利用CST MicroWave Studio建立CM、OM两种标定装置模型，分别模拟束流偏置Dx=0、2、4、6 mm的情形，得到CM、OM两种束流标定装置的探测器频谱响应曲线S21结果如图4所示。

由图4可知：1) 无论束流偏置与否，CM、OM两种标定装置的S21曲线高度重合，频率谐振峰都在215 MHz附近，且束流偏置Dx=0、2、4、6 mm时，CM、OM两种标定装置的频率谐振峰形状一致，因此OM标定装置能与CM标定装置一样用于束流标定；2) 因束流无偏置时CM、OM两种标定装置的模型相同，所以束流偏置为0 mm时，频率370 MHz处CM、OM两种标定装置的S21曲线走势相同，束流偏置为2 mm、4 mm时，频率370 MHz处两种标定装置的S21曲线略有不同，原因可能是束流偏置时CM与OM模型不同，结果受到BPM高阶模影响；3) 束流偏置Dx=0、2、4 mm时，对比频率370 MHz处两种标定装置的S21曲线，可得出370 MHz处OM的S21曲线比CM的S21曲线更接近束流偏置为0 mm的情况，由于束流位于管道中心比束流偏置时阻抗匹配更优，因此可定性地说OM束流标定装置的阻抗匹配优于CM束流标定装置。在束流偏置Dx=0、2、4、6 mm时，得到CM、OM两种标定装置的S21频率谐振峰情况(表1)。

图4 CM、OM的S21参数模拟结果Fig.4 S21 simulation result of CM and OM

由表1可知，不同束流偏置时，CM、OM两种标定装置的S21频率谐振点、-3 dB带宽以及Q值都相近。进一步对比两组数据，得到CM、OM相关参数的相对误差(表2)。

表1 CM、OM的S21谐振结果Table 1 S21 resonance result of CM and OM

表2 OM相对CM的相对误差Table 2 Relative error of OM to CM

由表2可知，不同束流偏置时，CM、OM两种标定装置的频率谐振点相同，误差忽略不计，只在束流偏置2 mm时频率谐振点有0.01%的相对误差。随束流偏置的增大，OM相对CM的半功率带宽的相对误差变大，Q值相对误差也随之变大，但这并不表明OM标定装置比CM差，具体还要看哪种装置的阻抗匹配更优。通常情况下，束流偏置范围不会超过5 mm，因此OM束流标定装置能像CM束流标定装置一样可用于束流标定。

3.2 CM、OM两种标定装置对阻抗匹配的影响

因为端口1和端口6结构相同且相对BPM对称，所以端口1、6的线性阻抗相同。本文得到两种标定装置端口6的线性阻抗，如图5所示。由图5可知：1) 随着束流偏置的变化CM标定装置阻抗匹配结果是离散的，215 MHz附近的每一个束流偏置对应着一个阻抗匹配值。束流偏置Dx=0 mm时215 MHz处阻抗匹配结果为49.77 Ω，束流偏置Dx=2、4、6 mm时阻抗匹配结果分别为49.07、46.76、42.59 Ω，且Dx=6 mm的阻抗匹配值与50 Ω相对误差约为14.42%。因此，束流偏置越大CM标定装置距50 Ω阻抗匹配的偏差就越大；2) 随着束流偏置的变化OM标定装置阻抗匹配结果是收敛的，束流偏置Dx=0、2、4、6 mm时215 MHz附近的阻抗匹配结果都约为50 Ω，且相对50 Ω的最大相对误差约为0.1%。因此，随着束流偏置的变化，OM标定装置的阻抗匹配结果比CM更收敛，匹配结果更接近50 Ω，因此OM标定装置的阻抗匹配结果优于CM标定装置。

图5 CM(a)与OM(b)端口6阻抗匹配情况Fig.5 Impedance matching of port 6 in CM device (a) and OM device (b)

4 OM标定装置建立与使用

4.1 OM标定装置建立

按照图1建立OM标定装置，包括内导体杆、外导体固定直线段、波纹管、外导体阻抗匹配段、非截断式束流探测器、导轨、步进电机等，整个标定装置的外导体与内导体杆保持50 Ω阻抗匹配。模拟束流偏置时固定内导体杆，移动外导体使BPM与内导体杆产生相对位移，再将BPM的4路信号输入到信号处理器件就能对BPM进行标定。用网络分析仪测量OM实际标定装置的探测器频谱响应曲线S21，得到束流偏置时实际的频率谐振结果(表3)。

表3 OM实际标定装置谐振结果Table 3 Resonance result of OM actual calibration device

由表3可知：1) OM实际标定装置与模拟标定装置的谐振频率、-3 dB带宽、Q值都相近，但存在一定偏差，主要原因是频率谐振点与BPM结构有很大关系，可调节BPM的结构使频率谐振点到215 MHz附近，OM实际标定装置的频率谐振点约为213 MHz，但约8 MHz的带宽也使谐振峰覆盖了215 MHz，因此OM实际标定装置能用于Rhodotron电子加速器的束流标定；2) OM实际标定装置与模拟标定装置的谐振频率、Q值都随束流偏置Dx的增大而减小，且二者的-3 dB带宽都随Dx的增大而增大，因此OM实际标定装置与模拟装置吻合。

4.2 OM标定装置使用

利用OM实际标定装置，当束流质心位于某一横向偏置时得到BPM的4路输出电压，对BPM输出电压多次测量并取平均值用于标定计算，根据差比和标定公式得到的x、y方向线性标定数据如图6所示。

从图6得出相应的标定系数为：

a——Dy=0时，Dx方向标定结果；b——Dx=0时，Dy方向标定结果

(1)

式中：Kx、Ky为BPM位置灵敏度的倒数，反映了BPM对束流偏置变化的灵敏度[14]；xOFFSET、yOFFSET为束流本身无偏置时在x、y方向上测量到的束流偏置误差。x、y方向标定结果的线性度均为0.999 7，趋近于1，表示BPM电压的差比和信号随束流偏置线性的响应。因此OM束流标定装置能用于束流标定且束流标定线性度高。

5 结论

本文提出准阻抗匹配传输式的外移动式束流探测器标定装置，该标定装置的外导体内径与内导体外径保持2.303的比例，以使电磁波在该标定装置传输中保持50 Ω的阻抗匹配。本文通过设计外导体阻抗匹配段可使标定装置适应不同孔径的BPM，从而增加标定装置其他设备的利用率。结果表明：改变内导体外径并不改变束流探测器的频率谐振峰位置，因此可根据需求合理设计内导体杆的大小以保持阻抗匹配。本文研究了不同束流偏置情况下CM、OM两种束流标定装置的探测器频谱响应曲线，结果表明：无论束流偏置与否，CM与OM两种标定装置的S21曲线高度重合，频率谐振峰都是在215 MHz附近，且两种标定装置的频率谐振点、-3 dB带宽以及Q值一致。本文对比了束流偏置时370 MHz处S21曲线的响应，定性地证明了OM标定装置的阻抗匹配结果比CM标定装置的阻抗匹配结果更优，并通过端口6的阻抗匹配值进行了定量证明。本文最终研发出OM实际束流标定装置，通过网络分析仪的测量证明了OM实际束流标定装置与模拟标定装置相吻合，并以实际的标定实验证明准阻抗匹配传输式的外移动式束流探测器标定装置能用于束流标定。