王建新，劉 宇，張 浩，肖德鑫

（中國(guó)工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

流強(qiáng)是粒子加速器最基本的運(yùn)行參數(shù)之一。在脈沖加速器中，束團(tuán)電荷量和流強(qiáng)直接相關(guān)。束團(tuán)電荷量的穩(wěn)定對(duì)加速器有重要意義。一方面，在基于加速器的光源中，束流的穩(wěn)定性直接影響光通量的穩(wěn)定性。另一方面，在運(yùn)行過(guò)程中束團(tuán)電荷量的不穩(wěn)定可能是由束流損失引起的，束流損失會(huì)引起加速器部件的損傷，包括輻射效應(yīng)損傷和熱效應(yīng)損傷。特別是在超導(dǎo)加速器和環(huán)形加速器中，束流損失直接影響機(jī)器能否正常運(yùn)行。因此對(duì)束團(tuán)電荷量的精確在線測(cè)量在加速器的調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中有重要作用。

積分式束流變壓器（ICT）是進(jìn)行束團(tuán)電荷量測(cè)量最常用的設(shè)備，利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量，其核心部件由兩個(gè)磁芯構(gòu)成，放在帶間隙的未封閉銅環(huán)內(nèi)，且磁芯2上繞有線圈，多個(gè)貼片電容沿銅環(huán)等間距分布在間隙上［1-4］。從加速器中產(chǎn)生的粒子束流通過(guò)ICT 時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流的電荷量由磁芯1存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的電荷通過(guò)磁芯2的線圈對(duì)外放電。由磁芯2引出的放電波形再通過(guò)匹配的輸出回路（一般為示波器）輸出一個(gè)脈沖寬度固定、積分電荷量與輸入束流電荷量呈一定比例的電壓脈沖信號(hào)。

1 標(biāo)定方法

在離線情況下，利用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器以及數(shù)字示波器對(duì)ICT的輸入輸出特性進(jìn)行研究。使用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生特定形狀的脈沖信號(hào)，通過(guò)單根金屬導(dǎo)線導(dǎo)引穿過(guò)ICT 來(lái)模擬束流脈沖信號(hào)［3-4］，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)布局示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.1 Sketch of ICT calibration experiment

由脈沖信號(hào)發(fā)生器（HP 8082A）產(chǎn)生的方波脈沖信號(hào)穿過(guò)ICT，該輸入信號(hào)及經(jīng)過(guò)ICT響應(yīng)后的輸出信號(hào)均通過(guò)示波器（TEK DPO7254）顯示。為避免短脈沖信號(hào)的反射對(duì)ICT 響應(yīng)造成影響，剝離信號(hào)線穿過(guò)ICT的那段屏蔽層，只讓芯部穿過(guò)ICT，而信號(hào)的回路則通過(guò)金屬殼從ICT 外部通過(guò)，這樣可消除輸入信號(hào)產(chǎn)生的反射信號(hào)對(duì)ICT 響應(yīng)的影響。

HP 8082A 能產(chǎn)生脈寬為1ns的單脈沖、雙脈沖和連續(xù)脈沖，連續(xù)脈沖的重復(fù)頻率能在1kHz～250 MHz范圍內(nèi)可調(diào)，能很好地模擬CW 模式的束流。

2 標(biāo)定結(jié)果及分析

根據(jù)HP 8082A 的性能，輸入脈沖分別設(shè)置為單脈沖、雙脈沖和連續(xù)脈沖。觀察輸出脈沖情況，并使用示波器測(cè)量輸入脈沖和輸出脈沖的積分電荷量，計(jì)算ICT 的輸入輸出比。

2.1 單脈沖標(biāo)定

單脈沖標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，可明顯觀測(cè)到，輸出脈沖幅度隨輸入脈沖幅度的變化而變化，輸出脈沖的長(zhǎng)度（約為12ns）和形狀基本不變（圖2a），這與ICT的設(shè)計(jì)性能相符合［2］。ICT的輸入輸出比為20.37／2.029＝10.04，與標(biāo)稱值10相差不大。

圖2 單脈沖（a）和雙脈沖（b）標(biāo)定Fig.2 Calibrations in monopulse（a）and dipulse（b）

2.2 雙脈沖標(biāo)定

使用雙脈沖進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，逐漸減小雙脈沖之間的時(shí)間延遲，可發(fā)現(xiàn)在時(shí)間延遲小于12.08ns后，輸出脈沖的雙脈沖開(kāi)始連接到一起，逐漸不能分辨，如圖2b所示。這樣就沒(méi)有辦法準(zhǔn)確地進(jìn)行脈沖面積的測(cè)量，無(wú)法得到對(duì)應(yīng)的電荷量。反映出該型號(hào)的ICT 測(cè)量連續(xù)脈沖的最高重復(fù)頻率約為83 MHz。若需對(duì)更高重復(fù)頻率的脈沖進(jìn)行測(cè)量，則需選擇束流變壓器輸出脈沖的寬度更窄的型號(hào)。

2.3 連續(xù)脈沖標(biāo)定

連續(xù)脈沖標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，可發(fā)現(xiàn)輸出脈沖和輸入脈沖是一一對(duì)應(yīng)的，只是在脈沖重復(fù)頻率較高時(shí)，輸出脈沖的最低點(diǎn)不是零點(diǎn)，如圖3所示。隨著輸入脈沖重復(fù)頻率（MHz量級(jí)）的提高，輸出脈沖的最低點(diǎn)會(huì)向下“移動(dòng)”，這種現(xiàn)象即為基線漂移。

圖3 連續(xù)脈沖標(biāo)定Fig.3 Calibration in continuous pulse

3 基線漂移及修復(fù)分析

3.1 基線漂移物理原理

ICT是在BCT 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，屬于交流耦合型電磁感應(yīng)器件。其對(duì)信號(hào)的響應(yīng)和頻率相關(guān)，圖4為ICT的頻率響應(yīng)曲線，其低頻和高頻截止頻率分別為6.2kHz和65.6MHz［5］。

在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單脈沖和脈沖重復(fù)頻率較低的連續(xù)脈沖，其輸入輸出比和標(biāo)稱值符合得很好，在進(jìn)行電荷量測(cè)量時(shí)不存在問(wèn)題；但對(duì)于脈沖重復(fù)頻率較高的連續(xù)脈沖，會(huì)引起基線漂移的問(wèn)題，即輸出脈沖的最低點(diǎn)不在零點(diǎn)。

圖4 ICT 頻率響應(yīng)曲線Fig.4 Frequency response curve of ICT

基線漂移是由ICT 的低頻截止頻率引起的［6-7］。在頻域，低頻（直流）部分信號(hào)被“丟”掉了，如圖4 所示，該ICT 的低頻截止頻率為6.2kHz；在時(shí)域，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的基線往下“漂”的現(xiàn)象［7］。重復(fù)頻率較低時(shí)，基線漂移幅度較小，隨著重復(fù)頻率的提高，基線漂移的幅度也提高，如圖3所示。

3.2 基線修復(fù)

在使用ICT 進(jìn)行束團(tuán)電荷量測(cè)量時(shí)，要對(duì)輸出脈沖的面積進(jìn)行積分，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，該步驟是通過(guò)數(shù)字示波器的積分計(jì)算功能來(lái)完成的。在基線漂移的情況下，由于零點(diǎn)的移動(dòng)，積分的起點(diǎn)和終點(diǎn)就要發(fā)生變化，直接對(duì)輸出脈沖進(jìn)行面積積分，就會(huì)引起誤差。要保證測(cè)量的精度，就必須找到脈沖的零點(diǎn)，即進(jìn)行基線修復(fù)?；€修復(fù)的方法分為電子學(xué)修復(fù)和算法修復(fù)［8-10］，本文使用算法修復(fù)中基線操縱的方法。其基本思路是計(jì)算輸出脈沖序列底部變化平緩部位的幅值，如圖5灰色部分所示；將該值作為積分的零點(diǎn)，然后對(duì)整個(gè)脈沖序列重新賦值，如圖6所示；在此基礎(chǔ)上，對(duì)輸出脈沖進(jìn)行積分，計(jì)算出脈沖包含的電荷量。

圖5 脈沖底部幅值計(jì)算Fig.5 Calculation of pulse buttom

在未進(jìn)行基線修復(fù)時(shí)，直接對(duì)輸出脈沖積分，得到輸入輸出比為12.00?；€修復(fù)后，得到輸入輸出比為9.67?？梢?jiàn)進(jìn)行基線修復(fù)大幅提高了ICT 對(duì)高重復(fù)頻率連續(xù)脈沖的電荷量測(cè)量精度。

圖6 基線修復(fù)前后圖形對(duì)照Fig.6 Comparison of signals without and with baseline restoration

4 總結(jié)

本文主要對(duì)Bergoz公司生產(chǎn)的ICT 進(jìn)行了標(biāo)定研究，在單脈沖、雙脈沖及連續(xù)脈沖情況下測(cè)量了輸入輸出比。重點(diǎn)對(duì)高重復(fù)頻率情況下出現(xiàn)的基線漂移情況進(jìn)行了研究，并使用基線操縱的方法進(jìn)行基線修復(fù)。通過(guò)基線修復(fù)，輸入輸出比由12.00變?yōu)?.67，電荷量測(cè)量相對(duì)誤差小于5%，提高了ICT 對(duì)高重復(fù)頻率連續(xù)脈沖的電荷量測(cè)量精度。

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