阅读说明：本技术 一种基于电感探针拾取束流相位信号的腔体结构 (Cavity structure for picking up beam phase signals based on inductance probe ) 是由 汪洋 于 2019-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于电感探针拾取束流相位信号的腔体结构,包括筒体状的腔体外导体、腔体内导体,腔体外导体的左端盖、右端盖均与束流运输管道相连通,腔体内导体的左、右端分别与腔体外导体两端连通的束流运输管道相对应,腔体内导体的右端面与腔体外导体的右端盖之间相接触形成短路端,腔体内导体的左端面与腔体外导体的左端盖之间具有水平间距形成开路端,电感式感应探针伸入腔体外导体与腔体内导体之间的环形空腔,并与腔体外导体的右端盖相连接。本发明为非阻拦式的腔体结构,可以实时拾取束流的相位信息,并且可以大大降低加速器设备周围的环境剂量,同时克服了加速器设备空间有限的问题,提高了束流相位信号拾取装置的信噪比。(The invention relates to a cavity structure for picking up beam phase signals based on an inductance probe, which comprises a cylindrical cavity outer conductor and a cylindrical cavity inner conductor, wherein a left end cover and a right end cover of the cavity outer conductor are communicated with a beam flow conveying pipeline, the left end and the right end of the cavity inner conductor correspond to the beam flow conveying pipeline communicated with two ends of the cavity outer conductor respectively, the right end surface of the cavity inner conductor is contacted with the right end cover of the cavity outer conductor to form a short-circuit end, a horizontal space is formed between the left end surface of the cavity inner conductor and the left end cover of the cavity outer conductor to form an open-circuit end, and the inductance probe extends into an annular cavity between the cavity outer conductor and the cavity inner conductor and is connected with the right end cover of the cavity. The non-blocking cavity structure can pick up the phase information of the beam in real time, greatly reduce the environmental dose around the accelerator equipment, overcome the problem of limited space of the accelerator equipment and improve the signal-to-noise ratio of the beam phase signal pick-up device.)

一种基于电感探针拾取束流相位信号的腔体结构

技术领域

本发明涉及回旋加速器的技术领域，尤其是涉及一种基于电感探针拾取束流相位信号的腔体结构。

背景技术

在质子治疗的回旋加速器应用中，治疗过程对束流的强度、稳定性及引出效率的要求较高。回旋加速器在实际运行过程中，由于高频系统的热损耗、外界的温度变化以及供电电源的不稳定性等因素都会对回旋加速器的磁场强度产生影响，并会导致磁场的失谐，对束流稳定性以及引出效率都会有所影响，这些对回旋加速器设备和日常维护的开机运行人员以及需要进行放疗的病人来说都是不利因素。

因此，为了研究等时性加速器的束流相位稳定控制，实现自动调谐束流相位稳定系统。亟需研发设计一种拾取束流相位信号的腔体结构，同时需要考虑降低加速器设备周围的环境剂量，以及加速器设备的空间有限等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电感探针拾取束流相位信号的腔体结构，其非阻拦的腔体结构可以实时拾取束流的相位信息，并且可以大大降低加速器设备周围的环境剂量，同时克服了加速器设备空间有限的问题，提高了束流相位信号拾取装置的信噪比。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于电感探针拾取束流相位信号的腔体结构，包括筒体状的腔体外导体、腔体内导体，所述腔体外导体的左端盖、右端盖均与束流运输管道相连通，腔体内导体的左、右端分别与腔体外导体两端连通的束流运输管道相对应，腔体内导体的右端面与腔体外导体的右端盖之间相接触形成短路端，腔体内导体的左端面与腔体外导体的左端盖之间具有水平间距形成开路端，电感式感应探针伸入腔体外导体与腔体内导体之间的环形空腔，并与腔体外导体的右端盖相连接。

通过采用上述技术方案，该拾取束流相位信号的腔体结构安装于回旋加速器的束流运输管道上，腔体结构的腔体外导体、腔体内导体的具体尺寸参数采用优选设计，当束流通过该腔体结构时，会激起该腔体结构的谐振，位于腔体结构的短路端的电感式感应探针便可以拾取到束流相位信号，将束流相位信号与高频加速电场的参考相位信号进行鉴相，通过鉴相的输出结果曲线来调节主磁铁电源的励磁电流，从而稳定回旋加速器的磁场强度，保证引出束流粒子每次通过加速电场时，均处于加速的状态，从而提高回旋加速器引出束流的稳定性与引出效率。该拾取束流相位信号的腔体结构用于高精度束流相位信号拾取工作，属于束流相位稳定控制系统的研究设备，为拾取引出不同能量的束流提供了必要条件。

本发明进一步设置为：所述束流运输管道与腔体内导体的直径相同，且腔体外导体、腔体内导体与束流运输管道的轴心线相重合。

通过采用上述技术方案，该腔体结构的腔体内导体与束流运输管道的直径保持一致，使得引出束流通过拾取束流相位信号的腔体结构时，可以激起束流相位探针腔体的谐振，从而拾取到束流相位信号，为等时性加速器的束流相位稳定控制的研究提供条件。

本发明进一步设置为：所述束流运输管道、腔体内导体的直径均为190～210mm，壁厚均为4～6mm。

通过采用上述技术方案，腔体内导体与束流运输管道的直径保持一致，使得引出束流通过拾取束流相位信号的腔体结构时，可以激起束流相位探针腔体的谐振，从而拾取到束流相位信号。

本发明进一步设置为：所述束流运输管道、腔体内导体的直径均为200mm，壁厚均为5mm。

通过采用上述技术方案，束流运输管道、腔体内导体的直径限定为200mm，壁厚为5mm，使得引出束流通过拾取束流相位信号的腔体结构时，可以激起该腔体结构的谐振，从而拾取到束流相位信号。

本发明进一步设置为：所述腔体外导体与腔体内导体之间垂直间距为46～48mm，腔体外导体的左端盖与腔体内导体的左端面之间水平间距为8.5～9.5mm，腔体外导体的长度为260～264mm，腔体内导体的长度为250～254mm。

通过采用上述技术方案，该拾取束流相位信号的腔体结构的腔体外导体与腔体内导体之间的垂直间距、水平间距以及腔体外导体长度对该腔体结构的本征频率均有影响，腔体外导体与腔体内导体之间的垂直间距越大，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率越小，腔体外导体与腔体内导体之间的水平间距越大，即开路端的电容越大，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率越大，腔体外导体、腔体内导体的长度越长，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率越小。

本发明进一步设置为：所述腔体外导体与腔体内导体之间垂直间距为47mm，腔体外导体的左端盖与腔体内导体的左端面之间水平间距为10mm，腔体外导体的长度为262mm，腔体内导体的长度为252mm。

通过采用上述技术方案，该拾取束流相位信号的腔体结构限定尺寸参数，保证拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率为142.4MHz。

本发明进一步设置为：所述腔体结构的本征频率为142.4MHz。

通过采用上述技术方案，该拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率为142.4MHz，其非阻拦式的腔体结构可以实现实时测量束流相位，并且保证了加速器设备周围的环境剂量水平，特别适用与等时性加速器束流相位稳定控制的研究。

本发明进一步设置为：所述腔体外导体的侧壁连通有靠近其右端盖的探针导管，所述电感式感应探针位于探针导管内。

通过采用上述技术方案，位于该腔体结构的短路端的电感式感应探针可以拾取到束流相位信号，将该束流相位信号与高频加速电场的参考相位信号进行鉴相，通过鉴相的输出结果曲线来调节主磁铁电源的励磁电流。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1.本发明拾取束流相位信号的腔体结构安装于回旋加速器的束流运输管道上，腔体结构的腔体外导体、腔体内导体的具体尺寸参数采用优选设计，当束流通过该腔体结构时，会激起该腔体结构的谐振，位于腔体结构的短路端的电感式感应探针便可以拾取到束流相位信号，将束流相位信号与高频加速电场的参考相位信号进行鉴相，通过鉴相的输出结果曲线来调节主磁铁电源的励磁电流，从而稳定回旋加速器的磁场强度，保证引出束流粒子每次通过加速电场时，均处于加速的状态，从而提高回旋加速器引出束流的稳定性与引出效率。该拾取束流相位信号的腔体结构用于高精度束流相位信号拾取工作，属于束流相位稳定控制系统的研究设备，为拾取引出不同能量的束流提供了必要条件。

2.本发明腔体结构的腔体内导体与束流运输管道的直径保持一致，使得引出束流通过拾取束流相位信号的腔体结构时，可以激起束流相位探针腔体的谐振，从而拾取到束流相位信号，为等时性加速器的束流相位稳定控制的研究提供条件；本腔体结构与传统的拾取方式相比较，本腔体结构的空间结构小巧，信噪比大大提高，其非阻拦式的腔体结构可以实现实时测量束流相位信号，并且保证了加速器设备周围的环境剂量水平，特别适用与等时性加速器束流相位稳定控制的研究。

3.本发明的腔体外导体与腔体内导体之间的垂直间距越大，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率越小，腔体外导体与腔体内导体之间的水平间距越大，即开路端的电容越大，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率越大，腔体外导体、腔体内导体的长度越长，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率越小。腔体外导体与腔体内导体之间的垂直间距、水平间距以及腔体外导体长度对该腔体结构的本征频率均有影响，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率为142.4MHz。

附图说明

图1是本发明的腔体结构示意图。

图2是本发明腔体结构的电磁场分布图。

图3是本发明腔体结构的磁场分布图。

图4是本发明在230MeV、300nA束流线作为激励时，拾取束流相位信号的腔体结构的拾取端电压显示图。

附图标记为：1、腔体内导体；11、左端面；12、右端面；2、腔体外导体；21、左端盖；22、右端盖；23、探针导管；3、束流运输管道；4、电感式感应探针；5、环形空腔；6、开路端；7、短路端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明公开了一种基于电感探针拾取束流相位信号的腔体结构，包括筒体状的腔体外导体2、腔体内导体1，腔体外导体2的左端盖21、右端盖22均与束流运输管道3相连通，腔体内导体1的左、右端分别与腔体外导体2两端连通的束流运输管道3相对应，腔体内导体1的右端面12与腔体外导体2的右端盖22之间相接触形成短路端7，腔体内导体1的左端面11与腔体外导体2的左端盖21之间具有水平间距形成开路端6，电感式感应探针4伸入腔体外导体2与腔体内导体1之间的环形空腔5，并与腔体外导体2的右端盖22相连接，腔体外导体2的侧壁连通有靠近其右端盖22的探针导管23，电感式感应探针4位于探针导管23内；

腔体结构的本征频率为142.4MHz，束流运输管道3与腔体内导体1的直径相同，且腔体外导体2、腔体内导体1与束流运输管道3的轴心线相重合；束流运输管道3、腔体内导体1的直径均为200mm，壁厚均为5mm；腔体外导体2与腔体内导体1之间垂直间距为47mm，腔体外导体2的左端盖21与腔体内导体1的左端面11之间水平间距为10mm，腔体外导体2的长度为262mm，腔体内导体1的长度为252mm。

本实施例中腔体结构具体尺寸参数的实验设计步骤如下：

a) 如图1所示，通过CST软件建立拾取束流相位信号的腔体结构的模型，腔体内导体1与加速器的束流输运管道直径保持一致，直径为200mm，壁厚达5mm，腔体外导体2与腔体内导体1之间的垂直间距、水平间距以及腔体外导体2长度对该腔体结构的本征频率均有影响；

b) 通过CST软件，采用控制变量法研究某一特定变量对该腔体结构的本征频率的影响；

c) 固定腔体外导体2与腔体内导体1之间的水平间距以及腔体外导体2的长度，改变腔体外导体2与腔体内导体1之间的垂直间距，得出的实验结论：腔体外导体2与腔体内导体1之间的垂直间距越大，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率越小；

d)该腔体结构开路端6的腔体外导体2与腔体内导体1之间的水平间距决定开路端6电容的大小，固定腔体内导体1的长度，然后改变腔体外导体2的长度来观察该腔体结构的本征频率的变化，得出的实验结论：腔体外导体2与腔体内导体1之间的水平间距越大，即开路端6的电容越大，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率越大；

e) 固定该腔体结构开路端6的电容大小，改变腔体外导体2的长度和腔体内导体1的长度，得出的实验结论：腔体外导体2、腔体内导体1的长度越长，拾取束流相位信号的腔体结构的本征频率越小；

f) 经过以上三个变量对该腔体结构本征频率有影响的仿真实验，择优选取与本征频率142.4MHz相近的尺寸，即得腔体外导体2与腔体内导体1之间垂直间距为47mm，腔体外导体2的左端盖21与腔体内导体1的左端面11之间水平间距为10mm，腔体外导体2的长度为262mm，腔体内导体1的长度为252mm，仿真后拾取束流相位信号的腔体结构的电磁场分布如图2所示；

g) 在CST软件的Particle Wakefield模式下，设置230MeV、300nA束流线作为激励，束 流的速度由下式计算得到：，其中，W是束流能量，单位为eV，， 计算得到β约为0.7，假设束流线长度为30mm，计算出电荷量约为7.95E-10C。电感式感应探 针4的采样端接入500hm负载，在负载端观察其电压值，仿真结果如图4所示。从图4可以看 出，利用CST软件可以仿真得到拾取束流相位信号的腔体结构的拾取端电压，说明该非阻拦 式的腔体结构可以用于测量束流相位信号。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。