阅读说明：本技术 一种基于纵向相位测量的束流位置探测器机械中心标定方法 (Beam position detector mechanical center calibration method based on longitudinal phase measurement ) 是由 许兴懿 冷用斌 周逸媚 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于纵向相位关系的束流位置探测器机械中心标定方法,包括：先将电缆连接在束流位置探测器的不同电极探头上,并将电缆连接在示波器的测量端,同时记录各电极的电信号；其次按间隔时间T切割各电极的电信号得到若干个单束团信号,拼接出电极信号相应函数；然后根据电极信号相应函数测出各电极信号对应的束团纵向相位；最后判断所述各电极信号对应的束团纵向相位是否相等,完成机械中心的标定。本发明能够在束流位置探测器已经安装在加速器上并且加速器正常运行的情况下,精准地标定束流位置探测器的机械中心,并且不影响束流的运行状态。另外,本发明还能充分利用机械中心进一步测量中间元件的差损。(The invention relates to a method for calibrating a mechanical center of a beam position detector based on a longitudinal phase relationship, which comprises the following steps: firstly, connecting cables to different electrode probes of a beam position detector, connecting the cables to a measuring end of an oscilloscope, and simultaneously recording electric signals of all electrodes; secondly, cutting the electric signals of each electrode according to the interval time T to obtain a plurality of single cluster signals, and splicing corresponding functions of the electrode signals; then measuring the longitudinal phase of the beam group corresponding to each electrode signal according to the corresponding function of the electrode signal; and finally, judging whether the longitudinal phases of the beam groups corresponding to the electrode signals are equal or not, and finishing the calibration of the mechanical center. The invention can accurately calibrate the mechanical center of the beam position detector under the condition that the beam position detector is installed on the accelerator and the accelerator normally operates, and does not influence the operation state of the beam. In addition, the invention can further measure the differential loss of the intermediate element by fully utilizing the mechanical center.)

一种基于纵向相位测量的束流位置探测器机械中心标定方法

技术领域

本发明涉及粒子加速器物理束流诊断技术与仪器状态分析，更具体地涉及一种基于纵向相位关系的束流位置探测器机械中心标定方法。

背景技术

四电极型束流位置探测器(BPM)被广泛应用于储存环加速器的束流位置探测，如图1所示，四个电极对称地分布在真空壁上，通常用四个电极的电压值进行差比和运算得到束流位置。

四电极型束流位置探测器的机械中心是指相对称两个电极的中点，即某个方向的机械中心距离该方向的两个电极的中心距离相等。机械中心的确认对束流位置探测器的性能参数有着很大的影响。在束流位置探测器没有安装在加速器之前，我们可以通过一些相对简单的方法来标定机械中心。但是，在束流位置探测器已经安装在加速器上并且加速器正常运行时，测量机械中心是非常困难的，在不太精细的实验中，往往把束流位置探测器的电中心视为机械中心，通过比较不同电极的信号幅度来寻找电中心。在较为精细的实验中需要改变前置四级磁铁的参数，通过四级铁参数与束流位置探测器电极信号之间的耦合来找寻机械中心。这个方法的缺点在于需要改变磁铁参数，会影响束流的运行状态。

此外，电子元件的差损是不可避免的，由于差损的存在，导致机械中心标定不准，因而精确测量系统的差损也是一件非常重要的工作。

发明内容

为解决现有技术中加速器在运行时无法准确标定束流位置探测器机械中心的问题，本发明提供一种基于纵向相位关系的束流位置探测器机械中心标定方法。

本发明提供的一种基于纵向相位关系的束流位置探测器机械中心标定方法，包括：

步骤S1，将多根电缆分别连接在束流位置探测器的不同电极探头上，将所述电缆的另一端连接在示波器的测量端，同时记录各电极的电信号；

步骤S2，按间隔时间T切割所述各电极的电信号得到若干个单束团信号，并拼接所述单束团信号得到该束流位置探测器的电极信号相应函数；

步骤S3，根据所述电极信号相应函数测出各电极信号对应的束团纵向相位；

步骤S4，判断所述各电极信号对应的束团纵向相位是否相等，若相等，则表明束团经过探测器的机械中心；若不相等，则改变前置磁铁位置，重复上述步骤，直到测得的各电极信号对应的束团纵向相位相等，完成机械中心的标定。

所述步骤S1中所用各电缆延迟时间相同。

所述步骤S2中的所述间隔时间T按T＝1/f计算，其中T为当前相邻束团的间隔时间，f为经实时修正直到束团逐圈相位没有明显线性漂移时的加速器射频频率。

所述步骤S2还包括：

步骤S21，将切割得到的单束团信号进行错位拼接，得到采样率高于示波器原始采样率的采样点数的电极信号相应函数。

在所述步骤S3中，采用过零点法测出各电极信号对应的束团纵向相位。

所述过零点法包括：

步骤S311，通过拟合找出所述电极信号相应函数的过零点；

步骤S312，根据所述过零点处的横轴位置得到其相对的纵向相位。

在所述步骤S3中，采用相关度查表法测出各电极信号对应的束团纵向相位。

所述相关度查表法包括：

步骤S321，对所述步骤S2中的电极信号相应函数进行稀疏采样，建立对应不同束团纵向相位的查找表；

步骤S322，采用互相关法，将示波器采样到的当前束团的电信号与所述步骤S321中的查找表进行比对，相关度最大时，则为当前束团的纵向相位。

本发明所述的束流位置探测器机械中心标定方法，还包括：步骤S5，测量各电极之间的信号幅度之差。

所述示波器的采样率高于10GHz。

所述示波器的采样率为20GHz。

本发明利用束流位置探测器各电极相应函数的匹配分别找寻束团的纵向相位，通过比对各电极得到的纵向相位的差异来标定束流位置探测器的机械中心。本发明能够在束流位置探测器已经安装在加速器上并且加速器正常运行的情况下，精准地标定束流位置探测器的机械中心，并且不影响束流的运行状态。另外，本发明还能充分利用机械中心进一步测量中间元件的差损。

附图说明

图1是电极型束流位置探测器的示意图。

图2是按照本发明的机械中心标定方法的流程图。

图3是按照本发明的标定方法测得的束流位置探测器电极的相应函数波形图。

图4为按照本发明的束团相位测量图。

图5为按照本发明的相关函数法，查表结果相关度排序示意图。

图6为本发明的机械中心标定方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

本发明提供的基于纵向相位的束流位置探测器机械中心标定方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤S1，将四根延迟时间相同的电缆分别连接在束流位置探测器四个不同电极探头上，另一端连接在示波器的测量端，同时记录四个电极的电信号。其中，各电缆延迟时间相同的目的是排除相位的差异的来源，保证信号到接收端的传播时间相同。另外，考虑到束团的周期较短，需要采用高于10GHz采样率的示波器才可以在一个束团经过时采集到足够的采样点数。在本实施例中，示波器的采样率为20GHz。

步骤S2，切割所述各电极的电信号，切割长度为T，每隔时间T切割一次，确保切割的时间长度刚好覆盖束团经过束流位置探测器产生的电信号，从而得到若干个单束团信号，并拼接出该束流位置探测器电极信号相应函数，所述函数反应了束团经过电极时激发电信号的形状特质。

由于加速器存在温漂和地质偏移等问题，束团间的间隔时间在不断变化，这就意味着其射频频率随时间有漂移，会影响到切割的时间尺度，从而使得射频相位存在偏置，因此需要实时修正间隔时间T。间隔时间T按T＝1/f计算，其中T为当前相邻束团的间隔时间，f为加速器射频频率。实时修正间隔时间T的原理为：利用同一个束团在一定时间里的逐圈相位会在一个范围里振荡的特性对间隔时间T进行修正，当束团逐圈相位没有明显的线性漂移时，取此时的间隔时间为修正后的相邻束团间隔时间T。

其中，拼接出该束流位置探测器电极信号相应函数的方法具体为：步骤S21，将得到的单束团信号进行错位拼接，得到采样率高于示波器原始采样率的采样点数，即得到采样点数更加密集的函数。

步骤S3，根据电极信号相应函数，用过零点法或相关度查表法测出各电极信号对应的束团纵向相位。

其中，过零点法是指找寻每圈的示波器采到的电信号的零点，通过零点位置来得到相对的束团纵向相位，具体包括：

步骤S311，通过拟合找出所述电极信号相应函数的过零点；

步骤S312，根据步骤S311中过零点处的横轴位置得到其相对的纵向相位。

而相关度查表法是指将每次示波器采到的电信号与拼接好的相应函数做互相关度匹配，具体包括：

步骤S321，对步骤S2中的电极信号相应函数进行稀疏采样，建立对应不同束团纵向相位的查找表；

步骤S322，采用互相关法，将示波器采样到的当前束团的电信号与步骤S321中的查找表进行比对，相关度最大时，则为当前束团的纵向相位。

步骤S4，判断各电极信号对应的束团纵向相位是否相等，若相等，则表明束团经过探测器的机械中心；若不相等，则改变前置磁铁位置，重复上述步骤，直到测得的各电极信号对应的束团纵向相位相等，完成机械中心的标定。

当束团处于机械中心时，各电极测得的信号幅度应该相同，如果不同就代表了电缆等中间元件存在差损。因此，本发明还包括：步骤S5，测量各电极之间的信号幅度之差，测得的信号幅度之差即为元件的差损值。

下面对本发明的原理进行详细说明。

当束团经过束流位置探测器的时候，会在各个电极上激励出感应电压，通过测量电极的感应电压就可以得到对应的感应曲线，将该感应曲线描绘出来，就可以得到电极的相应函数，如图3所示。

利用各电极对同一个束团经过时产生的信号波形进行比对，可以得到该束团在不同电极眼中的纵向相位。在本实施例中，采用互相关法。互相关法是一种已有的数学分析方法，被广泛的应用在统计、测量等领域。但在加速器领域，现有技术中技术人员仅利用该方法进行信号数据处理，而从未作为一种测量手段进行束流峰值幅度信息分析。根据该方法利用相应函数建立一个查找表，并通过匹配查找表得到纵向相位。匹配最佳的一组的结果如图4所示，可以看到该组与所测得的示波器信号匹配程度较高。另外，整个查找表的相关度排序如图5所示。

不同电极看到的纵向相位存在差异，这种现象来源于束团的偏心，即束团的横向位置平衡点并不在束流位置探测器的机械中心上。由于电磁场的传播速度是光速，各个电极看到束团的信号需要有时间t的延迟。t等于束团到电极的距离除以光速。那么如果束团的横向位置平衡点不在机械中心上，各电极测得的纵向相位将会不同。通过这一理论，可以基于纵向相位标定探测器的机械中心。

图6示出了两个对称的电极在通过不从机械中心经过的束团时的情况。其中，束团从左往右以速度v飞行，束团轨道与A电极的距离是d1，与C电极的距离是d2。当d1等于d2时，此位置就是机械中心，即图中的四角星处。当束团偏离机械中心时，束团的电场信号被A电极接收需要t1的传播时间(t1＝d1/c)，被C电极接收到需要t2的传播时间(t2＝d2/c)，其中c是光速。那么如果d1不等于d2，即束流不经过机械中心，两个电极接收到信号的时间就会不同，也就是说束团的纵向相位不同。反之则说明束团从机械中心经过，这样就完成了机械中心位置的标定。

机械中心意味着束团与各电极的距离相等。那么如果不存在信号的差损。各电极测得的信号幅度应该相同，即amp1＝amp2，见图6。如果存在幅度差异，则来自于传输过程中电子元件的差损。当束团从机械中心经过时，各电极测得的信号幅度之差就是相对差损。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。