白海濤，王 毅，何小中，廖樹清，石金水

(中國工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽 621900)

束流探測器是加速器的重要組成部件之一，其主要有熒光靶、法拉第筒、羅果夫斯基線圈、條帶型束流探測器、紐扣型束流探測器、壁電流探測器、磁探針以及諧振腔探測器[1-6]。這些探測器多用來診斷束流流強和束心位置，使用前，均需要進行束流標定。1999年，為診斷強流直線感應加速器的束流位置，代志勇等[7]利用標定裝置標定了電阻環(huán)束流探測器。2002年，謝宇彤等[8]用高壓發(fā)生器和兩根75 Ω電纜與模擬桿連接，其中一端懸空，模擬電子束流，對電阻環(huán)束流探測器進行標定。2009年，Everson等[9]設計、建立并標定了一種三軸高頻磁感應探頭，用于診斷爆炸等離子體中的快速瞬變效應。2012年，王建新[3]利用中國科學院高能物理研究所的BPM標定平臺進行了束團長度的測量研究。2014年，何小中等[10]發(fā)現束流標定裝置的阻抗對標定結果有一定的影響。2015年，王建新等[11]]研究了積分式束流變壓器(ICT)測量束團電荷量的精確標定。2019年，為診斷LIPAc加速器中氘核的束心位置、相位以及束流能量， Podadera等[12]標定了用于該加速器的兩種條帶型束流探測器。目前，束流探測器標定裝置多采用細鎢絲傳輸信號[13]，或采用半剛性同軸天線[3]，因此標定裝置在信號傳輸上并沒有保持阻抗匹配。標定裝置的阻抗對標定結果有一定影響[10]。未保持阻抗匹配，會產生反射信號，進而導致反射信號與激勵信號疊加，因此激勵BPM的信號并不是類似束流傳輸的信號。此外，部分束流標定裝置外導體未封閉，會導致激勵信號外泄，或探測到實驗室其他電磁場信號噪聲，從而增加標定誤差。

本文提出外導體封閉式束流標定裝置，相應主要部件連接關系為：激勵信號輸入端-第一固定直線段-第一波紋管段-第一阻抗匹配段-BPM-第二阻抗匹配段-第二波紋管段-第二固定直線段-激勵信號輸出端。本文首次采用固定標定裝置的內導體桿并移動標定裝置外部的束流探測器(外導體)來模擬束流偏置，因此稱作外移動式束流探測器標定裝置。該標定裝置的內導體外徑隨外導體內徑的變化而變化，二者保持恒定比例以保持阻抗匹配。阻抗匹配段可更改其兩端的管口孔徑以適應不同孔徑的BPM，若要標定其他孔徑的BPM，只需重新設計阻抗匹配段和內導體桿即可，因此增加了標定裝置其他設備的利用率。另外，本文對比外移動式束流探測器標定裝置與固定外導體而移動內導體來模擬束流偏置的標定裝置。

1 外移動式束流探測器標定裝置設計

利用實驗室現有的Bdot-BPM，驗證外移動式束流探測器標定裝置可用于束流標定。實驗室采用共振式Bdot-BPM探測器對Rhodotron電子束流進行橫向位置測量，該Bdot-BPM探測器共振頻率為Rhodotron射頻加速頻率的2倍，即215 MHz。采用CST MicroWave Studio建立固定不動的內導體桿1根、外導體固定直線段2根、波紋管2根、外導體阻抗匹配段2根、非截斷式束流探測器，主要部件連接關系如圖1所示。當模擬束流橫向偏置時，固定內導體桿，移動標定裝置外部的BPM及相關連接部件(外導體)，外導體的形變量傳至波紋管，形變應力最終被波紋管吸收。以往束流標定裝置如圖2所示，采用固定外導體，移動內導體桿來模擬束流橫向偏置。圖1、2均模擬束流向下偏置6 mm，圖1將外導體向上移動6 mm，相當于內導體桿向下移動6 mm，圖2則外導體不動，內導體桿向下移動6 mm。

圖1 外移動式束流探測器標定裝置Fig.1 Outer conductor moving type calibration device

圖2 移動內導體型標定裝置Fig.2 Inner conductor moving type calibration device

2 內導體桿外徑對標定裝置的S參數影響

對圖1所示的外移動式束流探測器標定裝置進行端口設置，設置內導體桿的一端為端口1用來饋入微波，內導體桿的另一端為端口6用來輸出微波，束流探測器的4個信號輸出口分別為端口2、3、4、5，設置端口后，對模型進行模擬計算并得到各端口的S參數。本文重點研究束流探測器的信號輸出端口對激勵信號饋入端口的頻譜響應曲線，即S21、S31、S41、S51參數，因探測器4個端口構造一致，因此只需考慮S21參數。在束流偏置Dx=0 mm時，改變內導體桿的外徑并得到相應情況下的S21參數，結果如圖3所示。由圖3可見，內導體桿外徑分別為2、4、6 mm時，S21參數的頻率諧振峰都是215 MHz，因此內導體桿的外徑大小對S21參數的頻率諧振點沒有影響，即束流橫向尺寸不會影響B(tài)PM信號響應的頻率諧振點。在設計標定裝置時，只需要整個標定裝置的外導體內徑與內導體外徑保持恒定比例即可，本文保持該比例為2.303以使電磁波在該標定裝置傳輸中保持50 Ω阻抗匹配。

圖3 不同大小金屬內桿得到的S21參數Fig.3 S21 parameter obtained by different sizes of inner metal rod

3 CM、OM兩種裝置模擬實驗與對比

3.1 CM、OM兩種裝置對BPM的S21參數影響

應用于Rhodotron的BPM共振頻率為Rhodotron射頻加速頻率的2倍(215 MHz)，因此需對比兩種標定裝置的S21參數在215 MHz附近的結果。為方便描述，CM表示固定外導體并移動內導體桿模擬束流偏置，即中心移動，如圖2所示；OM表示固定內導體桿并移動外導體模擬束流偏置，即外部移動，如圖1所示。利用CST MicroWave Studio建立CM、OM兩種標定裝置模型，分別模擬束流偏置Dx=0、2、4、6 mm的情形，得到CM、OM兩種束流標定裝置的探測器頻譜響應曲線S21結果如圖4所示。

由圖4可知：1) 無論束流偏置與否，CM、OM兩種標定裝置的S21曲線高度重合，頻率諧振峰都在215 MHz附近，且束流偏置Dx=0、2、4、6 mm時，CM、OM兩種標定裝置的頻率諧振峰形狀一致，因此OM標定裝置能與CM標定裝置一樣用于束流標定；2) 因束流無偏置時CM、OM兩種標定裝置的模型相同，所以束流偏置為0 mm時，頻率370 MHz處CM、OM兩種標定裝置的S21曲線走勢相同，束流偏置為2 mm、4 mm時，頻率370 MHz處兩種標定裝置的S21曲線略有不同，原因可能是束流偏置時CM與OM模型不同，結果受到BPM高階模影響；3) 束流偏置Dx=0、2、4 mm時，對比頻率370 MHz處兩種標定裝置的S21曲線，可得出370 MHz處OM的S21曲線比CM的S21曲線更接近束流偏置為0 mm的情況，由于束流位于管道中心比束流偏置時阻抗匹配更優(yōu)，因此可定性地說OM束流標定裝置的阻抗匹配優(yōu)于CM束流標定裝置。在束流偏置Dx=0、2、4、6 mm時，得到CM、OM兩種標定裝置的S21頻率諧振峰情況(表1)。

圖4 CM、OM的S21參數模擬結果Fig.4 S21 simulation result of CM and OM

由表1可知，不同束流偏置時，CM、OM兩種標定裝置的S21頻率諧振點、-3 dB帶寬以及Q值都相近。進一步對比兩組數據，得到CM、OM相關參數的相對誤差(表2)。

表1 CM、OM的S21諧振結果Table 1 S21 resonance result of CM and OM

表2 OM相對CM的相對誤差Table 2 Relative error of OM to CM

由表2可知，不同束流偏置時，CM、OM兩種標定裝置的頻率諧振點相同，誤差忽略不計，只在束流偏置2 mm時頻率諧振點有0.01%的相對誤差。隨束流偏置的增大，OM相對CM的半功率帶寬的相對誤差變大，Q值相對誤差也隨之變大，但這并不表明OM標定裝置比CM差，具體還要看哪種裝置的阻抗匹配更優(yōu)。通常情況下，束流偏置范圍不會超過5 mm，因此OM束流標定裝置能像CM束流標定裝置一樣可用于束流標定。

3.2 CM、OM兩種標定裝置對阻抗匹配的影響

因為端口1和端口6結構相同且相對BPM對稱，所以端口1、6的線性阻抗相同。本文得到兩種標定裝置端口6的線性阻抗，如圖5所示。由圖5可知：1) 隨著束流偏置的變化CM標定裝置阻抗匹配結果是離散的，215 MHz附近的每一個束流偏置對應著一個阻抗匹配值。束流偏置Dx=0 mm時215 MHz處阻抗匹配結果為49.77 Ω，束流偏置Dx=2、4、6 mm時阻抗匹配結果分別為49.07、46.76、42.59 Ω，且Dx=6 mm的阻抗匹配值與50 Ω相對誤差約為14.42%。因此，束流偏置越大CM標定裝置距50 Ω阻抗匹配的偏差就越大；2) 隨著束流偏置的變化OM標定裝置阻抗匹配結果是收斂的，束流偏置Dx=0、2、4、6 mm時215 MHz附近的阻抗匹配結果都約為50 Ω，且相對50 Ω的最大相對誤差約為0.1%。因此，隨著束流偏置的變化，OM標定裝置的阻抗匹配結果比CM更收斂，匹配結果更接近50 Ω，因此OM標定裝置的阻抗匹配結果優(yōu)于CM標定裝置。

圖5 CM(a)與OM(b)端口6阻抗匹配情況Fig.5 Impedance matching of port 6 in CM device (a) and OM device (b)

4 OM標定裝置建立與使用

4.1 OM標定裝置建立

按照圖1建立OM標定裝置，包括內導體桿、外導體固定直線段、波紋管、外導體阻抗匹配段、非截斷式束流探測器、導軌、步進電機等，整個標定裝置的外導體與內導體桿保持50 Ω阻抗匹配。模擬束流偏置時固定內導體桿，移動外導體使BPM與內導體桿產生相對位移，再將BPM的4路信號輸入到信號處理器件就能對BPM進行標定。用網絡分析儀測量OM實際標定裝置的探測器頻譜響應曲線S21，得到束流偏置時實際的頻率諧振結果(表3)。

表3 OM實際標定裝置諧振結果Table 3 Resonance result of OM actual calibration device

由表3可知：1) OM實際標定裝置與模擬標定裝置的諧振頻率、-3 dB帶寬、Q值都相近，但存在一定偏差，主要原因是頻率諧振點與BPM結構有很大關系，可調節(jié)BPM的結構使頻率諧振點到215 MHz附近，OM實際標定裝置的頻率諧振點約為213 MHz，但約8 MHz的帶寬也使諧振峰覆蓋了215 MHz，因此OM實際標定裝置能用于Rhodotron電子加速器的束流標定；2) OM實際標定裝置與模擬標定裝置的諧振頻率、Q值都隨束流偏置Dx的增大而減小，且二者的-3 dB帶寬都隨Dx的增大而增大，因此OM實際標定裝置與模擬裝置吻合。

4.2 OM標定裝置使用

利用OM實際標定裝置，當束流質心位于某一橫向偏置時得到BPM的4路輸出電壓，對BPM輸出電壓多次測量并取平均值用于標定計算，根據差比和標定公式得到的x、y方向線性標定數據如圖6所示。

從圖6得出相應的標定系數為：

a——Dy=0時，Dx方向標定結果；b——Dx=0時，Dy方向標定結果

(1)

式中：Kx、Ky為BPM位置靈敏度的倒數，反映了BPM對束流偏置變化的靈敏度[14]；xOFFSET、yOFFSET為束流本身無偏置時在x、y方向上測量到的束流偏置誤差。x、y方向標定結果的線性度均為0.999 7，趨近于1，表示BPM電壓的差比和信號隨束流偏置線性的響應。因此OM束流標定裝置能用于束流標定且束流標定線性度高。

5 結論

本文提出準阻抗匹配傳輸式的外移動式束流探測器標定裝置，該標定裝置的外導體內徑與內導體外徑保持2.303的比例，以使電磁波在該標定裝置傳輸中保持50 Ω的阻抗匹配。本文通過設計外導體阻抗匹配段可使標定裝置適應不同孔徑的BPM，從而增加標定裝置其他設備的利用率。結果表明：改變內導體外徑并不改變束流探測器的頻率諧振峰位置，因此可根據需求合理設計內導體桿的大小以保持阻抗匹配。本文研究了不同束流偏置情況下CM、OM兩種束流標定裝置的探測器頻譜響應曲線，結果表明：無論束流偏置與否，CM與OM兩種標定裝置的S21曲線高度重合，頻率諧振峰都是在215 MHz附近，且兩種標定裝置的頻率諧振點、-3 dB帶寬以及Q值一致。本文對比了束流偏置時370 MHz處S21曲線的響應，定性地證明了OM標定裝置的阻抗匹配結果比CM標定裝置的阻抗匹配結果更優(yōu)，并通過端口6的阻抗匹配值進行了定量證明。本文最終研發(fā)出OM實際束流標定裝置，通過網絡分析儀的測量證明了OM實際束流標定裝置與模擬標定裝置相吻合，并以實際的標定實驗證明準阻抗匹配傳輸式的外移動式束流探測器標定裝置能用于束流標定。