一种用于强流加速器束流位置测量的电极组件及探测器
阅读说明：本技术 一种用于强流加速器束流位置测量的电极组件及探测器 (Electrode assembly and detector for measuring beam position of high current accelerator ) 是由 赵铁成 康新才 毛瑞士 杨永良 李敏 李维龙 丁家坚 于 2021-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于加速器束流诊断技术领域,涉及一种用于强流加速器束流位置测量的电极组件及探测器,包括：若干陶瓷管,任一陶瓷管两端各连接一第一接地环,任一陶瓷管的内壁上设有一组感应电极组,感应电极组包括两个形状相同的感应电极,两个感应电极能够组成一个完整的圆柱体,圆柱体的外部与陶瓷管的内壁完全重合,在圆柱体侧向投影成的矩形的对角线方向设有一第二接地环,分布在对角线两侧的两个感应电极面积相等。其结构更加稳定可靠,精度更高,能够有效降低在高温烘烤和超导低温环境下的结构变形与移位,拥有良好的抗变形能力和阻抗匹配结构。(The invention belongs to the technical field of accelerator beam diagnosis, and relates to an electrode assembly and a detector for measuring the beam position of a high-current accelerator, which comprise: the ceramic tube comprises a plurality of ceramic tubes, wherein two ends of any ceramic tube are respectively connected with a first grounding ring, a group of induction electrode groups are arranged on the inner wall of any ceramic tube and comprise two induction electrodes with the same shape, the two induction electrodes can form a complete cylinder, the outer part of the cylinder is completely superposed with the inner wall of the ceramic tube, a second grounding ring is arranged in the diagonal direction of the rectangle formed by the lateral projection of the cylinder, and the areas of the two induction electrodes distributed on the two sides of the diagonal are equal. The structure is more stable and reliable, the precision is higher, the structural deformation and displacement under the high-temperature baking and superconducting low-temperature environment can be effectively reduced, and the high-temperature-resistant superconducting cable has good deformation resistance and an impedance matching structure.)
技术领域
本发明涉及一种用于强流加速器束流位置测量的电极组件及探测器，属于加速器束流诊断技术领域。
背景技术
在加速器束流诊断
技术领域
中，尤其是重离子加速器同步环中，被加速做回旋运动的重离子束流运动规律十分复杂，其中任一过程的束流性能不符合条件都可能导致束流的损失、加速过程的失败。而如BRing增强器中束流流强可达1E11ppp，超强的束流在损失瞬间会造成设备的损坏，造成整个加速器的停机。因而，在加速器的调试、运行中需要精确测量束流位置，并实时根据监测结果通过磁场对束流位置进行调整，从而校正束流的偏移方向，优化束流品质。强流加速器中的位置测量电极是束流诊断和机器保护非常重要且不可或缺的设备，是确保束流稳定运行、提升加速器整体性能的关键设备之一。当高能束流穿过探测器内部管道时，根据电磁感应原理，探测器内部的电极会感应出相应电流，形成电动势。当高能束流向某一方向偏移时，该方向的电极产生的感应电势会增大，同时反方向电极的感应电势就会减小，故通过比对电极采集到的电信号即可测出束流的偏移方向及偏移的程度，从而对束流的位置进行校正。
束流位置测量作为加速器束流位置测量的重要设备，已在各类加速器中有广泛的应用。现有的束流位置探测器中的电极组件多为条带型、纽扣型、shoe box型和金属圆筒形。电极组件为异形金属加工件时，加工后的应力变形，高真空出气、烘烤后的变形以及在超导加速器低温环境中的变形、移位均会严重影响束流位置探测器的结构性能，从而影响整个位置探测器的测量精度和可靠性。因此，根据电信号得出束流位置曲线的线性和精度相对较差。尤其是在束流的偏移距离很小时，受到探测器自身的精度限制和高低温影响，很难准确检测到束流偏移的方向和距离；因此不能有效的进行束流轨道校正，这样就直接影响束流运行的稳定性，甚至影响整个加速器的性能。同时现有位置探测器没有考虑阻抗匹配的要求，束流传输不能达到最佳的性能。
在强流重离子同步加速器中，为了使得强流重离子加速器中束流位置测量更加精确；探测器装置结构更加紧凑、稳定，拥有更高的机械精度和高低温环境下的抗变形能力以及良好的阻抗匹配结构。亟需研制一种专用的强流重离子同步加速器束流位置探测器。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供用于一种强流加速器束流位置测量的电极组件及探测器，其结构更加稳定可靠，精度更高，能够有效降低在高温烘烤和超导低温环境下的结构变形与移位，拥有良好的抗变形能力和阻抗匹配结构。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于强流加速器束流位置测量的电极组件，包括：若干陶瓷管，任一陶瓷管两端各连接一第一接地环，任一陶瓷管的内壁上设有一组感应电极组，感应电极组包括两个形状相同的感应电极。两个感应电极能够组成一个完整的圆柱体，圆柱体的外部与陶瓷管的内壁完全重合，在圆柱体侧向投影成的矩形的对角线方向设有一第二接地环，分布在对角线两侧的两个感应电极面积相等，第二接地环延伸到电极两侧，与第一接地环接触。
进一步，前后两组相邻的感应电极组中，后一组感应电极组在管道轴向相对于前一组感应电极组旋转90度。
进一步，感应电极镀设在陶瓷管的内壁上，且感应电极包括至少两层，第一层为镍，第二层为铜；或第一层为钛，第二层为铜；或第一层为钛，第二层为金。
进一步，感应电极的厚度为1-100微米。
进一步，陶瓷管的侧壁上设有信号引出端子，信号引出端子分别与陶瓷管的两个感应电极连接。
进一步，信号引出端的端面为弹性十字型开口。
进一步，第一接地环的圆周面上设有若干轴向通孔，用于防止整个电极组件与真空管道组合后形成密封空间。
进一步，第一接地环的周向上均匀设有若干径向螺纹通孔，螺纹通孔与顶丝配合，用于将陶瓷管的位置调整至管道中心。
本发明还公开了一种用于强流加速器束流位置测量的探测器，包括匹真空管道、信号馈通法兰和上述任一项中的电极组件；电极组件安装于真空管道内部，电极组件的感应电极与信号馈通法兰通过引出端子连接，通过信号馈通法兰将感应电极上的感应信号引出；感应信号通过放大器放大，依据放大后的感应信号大小判断束流位置的偏移方向和偏移距离。
进一步，真空管道内部设有匹配金属环和金属压环，匹配金属环用于实现电极组件与真空管道之间的无凸凹阻抗匹配连接；金属压环用于固定压紧电极组件。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明采用的电极组件，采用陶瓷管道，该管道的热变形系数小，抗变形能力强，设置在陶瓷管内部的感应电极不会因为烘烤，或加工后的应力造成极板之间的位移偏差，感应电极的结构更加稳定。
2、本发明电极组件的第一接地环第一接地环的圆周面上设有若干轴向通孔，用于防止整个电极组件与真空管道组合后形成密封空间，可满足超高真空的出气要求；进一步，第一接地环的周向上均匀设有若干径向螺纹通孔，螺纹通孔与顶丝配合，用于将陶瓷管的位置调整至管道中心，保证电极组件与真空管道的同心精度，同时顶丝可有效保证第一接地环与真空管道的接地导通。
3、本发明中探测器测量数据线性度更好，当束流偏移时，能够准确测量出不同极板间的电信号差值，能够迅速、准确地测得束流在该方向上的偏移量。
4、本发明中探测器的真空管道与电极组件采用满足阻抗匹配要求的无凸凹结构，匹配金属环与陶瓷管、金属压环以及前后真空管道拥有相同的管道内径，使得整个位置探测器的特性阻抗与束流阻抗相匹配，从而使束流的传输达到最佳状态。
附图说明
图1是本发明一实施例中用于强流加速器束流位置测量的电极组件的结构示意图；
图2是本发明一实施例中电极组件的感应电极组的结构示意图；
图3是本发明一实施例中电极组件的第一接地环的结构示意图；
图4是本发明一实施例中用于强流加速器束流位置测量的探测器的外部结构示意图；
图5是本发明一实施例中用于强流加速器束流位置测量的探测器的内部结构示意图；
图6是本发明一实施例中探测器的匹配金属环的结构示意图；
图7是本发明一实施例中探测器的金属压环的结构示意图。
附图标记：
1-电极组件；11-陶瓷管；12-第一接地环；121-轴向通孔；122-螺纹通孔；13-感应电极组；131-感应电极；132-第二接地环；14-信号引出端子；2-真空管道；21-匹配金属环；22-金属压环；3-信号馈通法兰。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供的一种用于强流加速器束流位置测量的电极组件及探测器，可以对加速器中束流位置进行精确测量；探测器装置结构更加紧凑、稳定，拥有更高的机械精度和高低温环境下的抗变形能力以及良好的阻抗匹配结构。下面结合附图，通过两个实施例对本发明的方案进行详细说明。
实施例一
本实施例一种用于强流加速器束流位置测量的电极组件1，如图1、2所示，包括：若干陶瓷管11，任一陶瓷管11两端各连接一第一接地环12。如本实施例中优选陶瓷管11为两个，则需要设置三个金属接地环，三个金属接地环被间隔的通过钎焊或扩散焊的方式设置在陶瓷管11两侧，即电极组件1包括依次连接的第一个第一接地环12、第一个陶瓷管11、第二个第一接地环12、第二个陶瓷管11和第三个第一接地环12。各陶瓷管11通过扩散焊的方式和第一接地环12连接。本实施例中的第一接地环12的材料为金属钛，金属钛与陶瓷热形变系数接近，焊接后的陶瓷管11和第一接地环12在受热或低温下因相近的热变形系数，不会造成感应电极组13的变形损坏或移位。
任一陶瓷管11的内壁上设有一组感应电极组13，感应电极组13包括两个形状相同的感应电极131，两个感应电极131能够组成一个完整的圆柱体，圆柱体的外部与陶瓷管11的内壁完全重合，在该圆柱体侧向投影矩形的对角线方向设有一第二接地环132，第二接地环132的周长等于对角线的长度。第二接地环132一直延伸至陶瓷管11两侧端，并通过钎焊或者扩散焊的方式与第一接地环12连接，起到良好的接地作用。前后两组相邻的感应电极组中，后一组感应电极组在管道轴向相对于前一组感应电极组旋转90度。
在本实施例中，陶瓷管11内壁通过研磨加工，拥有较高的尺寸精度以及良好的表面质量，可有效保证内部表面金属镀层的质量，保证镀层的均匀性。感应电极131镀设在陶瓷管11的内壁上，且感应电极131包括至少两层，第一层为镍，第二层为铜；或第一层为钛，第二层为铜；或第一层为钛，第二层为金。感应电极131的厚度优选为1-100微米。感应电极131与第一接地环12、第二接地环132之间相互绝缘。陶瓷管11的侧壁上设有信号引出端子14，信号引出端子14分别与陶瓷管11的两个感应电极131连接，信号引出端的端面为弹性十字型开口，保证了插针与引出端子的紧密接触。
当束流穿过陶瓷管11内部时，感应电极131产生感应电荷，当束流靠近感应电极131时，该感应电极131的感应电动势增强；同理，当束流远离感应电极131时，使该感应电极131的感应电动势减弱。故若束流发生偏移，感应电极组13中两个感应电极131必然一个电动势增强，一个电动势减弱，通过判断哪一侧的感应电极131的电动势增强，就可以确定束流向哪个方向偏移。因陶瓷管11为一体加工成型，且陶瓷管11的热变形系数小，抗变形能力强。设置在陶瓷管11内部的感应电极131不会因为烘烤，或加工后的应力造成极板之间的位移偏差，使感应电极131的结构更加稳定。从而使得探测器测量数据线性度更好。当束流偏移时，能够准确测量两个感应电极131间的电信号差值，从而在保证测量灵敏度的同时，提升探测器的测量精度，且能够迅速、准确地测得束流在该方向上的偏移量。
如图3所示，第一接地环12的圆周面上均匀设有若干轴向通孔121，用于防止整个电极组件1与真空管道2组合后形成密封空间，可满足超高真空的出气要求。第一接地环12的周向上均匀设有若干径向螺纹通孔122，螺纹通孔122与顶丝配合，用于将陶瓷管11的位置调整至管道中心，保证电极组件1与真空管道2的同心精度，同时顶丝可有效保证第一接地环12与真空管道2的接地导通。
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种用于强流加速器束流位置测量的探测器，如图4、5所示，包括：真空管道2、信号馈通法兰3和实施例一中的任一种的电极组件1；电极组件1安装于真空管道2内部，电极组件1的感应电极131与信号馈通法兰3通过引出端子连接，通过信号馈通法兰3将感应电极131上的感应信号引出；当束流通过探测器时，通过安装在真空管道2上的信号馈通电极法兰采集感应电极131表面感应出的感应信号，感应信号通过放大器放大，电子学采集系统处理，依据放大后的感应信号大小判断束流位置的偏移方向和偏移距离。
如图6、7所示，真空管道2可以为真空异形管，管道圆周沿径向方向设置有四个CF35引出接口法兰，用于和加速器真空管道2相连接。真空管道2内部设有匹配金属环21和金属压环22。匹配金属环21用于实现电极组件1与真空管道2之间的无凸凹阻抗匹配连接，并与第二接地环132接触，用于接地；金属压环22用于固定压紧电极组件1。匹配金属环21、陶瓷管11、金属压环22以及真空管道2拥有相同的管道内径，使得整个位置探测器的特性阻抗与束流阻抗相匹配，从而使束流的传输达到最佳状态。
在本实施例中优选的，整个真空管道2、匹配金属环21和金属压环22的材质均为金属钛。以使其在高低温环境下拥有更强的适应能力以及更高的精度。
本实施例中的探测器还包括信号处理及采集系统，用于将通过信号馈通法兰3得到的信号进行放大处理后，给出束流的位置信息。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围。
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